Model-based Self-awareness Patterns for Autonomy

Los sistemas técnicos son cada vez más complejos, incorporan funciones más avanzadas, están más integrados con otros sistemas y trabajan en entornos menos controlados. Todo esto supone unas condiciones más exigentes y con mayor incertidumbre para los sistemas de control, a los que además se demanda un comportamiento más autónomo y fiable. La adaptabilidad de manera autónoma es un reto para tecnologías de control actualmente. El proyecto de investigación ASys propone abordarlo trasladando la responsabilidad de la capacidad de adaptación del sistema de los ingenieros en tiempo de diseño al propio sistema en operación. Esta tesis pretende avanzar en la formulación y materialización técnica de los principios de ASys de cognición y auto-consciencia basadas en modelos y autogestión de los sistemas en tiempo de operación para una autonomía robusta. Para ello el trabajo se ha centrado en la capacidad de auto-conciencia, inspirada en los sistemas biológicos, y se ha explorado la posibilidad de integrarla en la arquitectura de los sistemas de control. Además de la auto-consciencia, se han explorado otros temas relevantes: modelado funcional, modelado de software, tecnología de los patrones, tecnología de componentes, tolerancia a fallos. Se ha analizado el estado de la técnica en los ámbitos pertinentes para las cuestiones de la auto-consciencia y la adaptabilidad en sistemas técnicos: arquitecturas cognitivas, control tolerante a fallos, y arquitecturas software dinámicas y computación autonómica. El marco teórico de ASys existente de sistemas autónomos cognitivos ha sido adaptado para servir de base para este análisis de autoconsciencia y adaptación y para dar sustento conceptual al posterior desarrollo de la solución. La tesis propone una solución general de diseño para la construcción de sistemas autónomos auto-conscientes. La idea central es la integración de un meta-controlador en la arquitectura de control del sistema autónomo, capaz de percibir la estado funcional del sistema de control y, si es necesario, reconfigurarlo en tiempo de operación. Esta solución de metacontrol se ha formalizado en cuatro patrones de diseño: i) el Patrón Metacontrol, que define la integración de un subsistema de metacontrol, responsable de controlar al propio sistema de control a través de la interfaz proporcionada por su plataforma de componentes, ii) el patrón Bucle de Control Epistémico, que define un bucle de control cognitivo basado en el modelos y que se puede aplicar al diseño del metacontrol, iii) el patrón de Reflexión basada en Modelo Profundo propone una solución para construir el modelo ejecutable utilizado por el meta-controlador mediante una transformación de modelo a modelo a partir del modelo de ingeniería del sistema, y, finalmente, iv) el Patrón Metacontrol Funcional, que estructura el meta-controlador en dos bucles, uno para el control de la configuración de los componentes del sistema de control, y otro sobre éste, controlando las funciones que realiza dicha configuración de componentes; de esta manera las consideraciones funcionales y estructurales se desacoplan. La Arquitectura OM y el metamodelo TOMASys son las piezas centrales del marco arquitectónico desarrollado para materializar la solución compuesta de los patrones anteriores. El metamodelo TOMASys ha sido desarrollado para la representación de la estructura y su relación con los requisitos funcionales de cualquier sistema autónomo. La Arquitectura OM es un patrón de referencia para la construcción de una metacontrolador integrando los patrones de diseño propuestos. Este meta-controlador se puede integrar en la arquitectura de cualquier sistema control basado en componentes. El elemento clave de su funcionamiento es un modelo TOMASys del sistema decontrol, que el meta-controlador usa para monitorizarlo y calcular las acciones de reconfiguración necesarias para adaptarlo a las circunstancias en cada momento. Un proceso de ingeniería, complementado con otros recursos, ha sido elaborado para guiar la aplicación del marco arquitectónico OM. Dicho Proceso de Ingeniería OM define la metodología a seguir para construir el subsistema de metacontrol para un sistema autónomo a partir del modelo funcional del mismo. La librería OMJava proporciona una implementación del meta-controlador OM que se puede integrar en el control de cualquier sistema autónomo, independientemente del dominio de la aplicación o de su tecnología de implementación. Para concluir, la solución completa ha sido validada con el desarrollo de un robot móvil autónomo que incorpora un meta-controlador con la Arquitectura OM. Las propiedades de auto-consciencia y adaptación proporcionadas por el meta-controlador han sido validadas en diferentes escenarios de operación del robot, en los que el sistema era capaz de sobreponerse a fallos en el sistema de control mediante reconfiguraciones orquestadas por el metacontrolador. ABSTRACT Technical systems are becoming more complex, they incorporate more advanced functionalities, they are more integrated with other systems and they are deployed in less controlled environments. All this supposes a more demanding and uncertain scenario for control systems, which are also required to be more autonomous and dependable. Autonomous adaptivity is a current challenge for extant control technologies. The ASys research project proposes to address it by moving the responsibility for adaptivity from the engineers at design time to the system at run-time. This thesis has intended to advance in the formulation and technical reification of ASys principles of model-based self-cognition and having systems self-handle at runtime for robust autonomy. For that it has focused on the biologically inspired capability of self-awareness, and explored the possibilities to embed it into the very architecture of control systems. Besides self-awareness, other themes related to the envisioned solution have been explored: functional modeling, software modeling, patterns technology, components technology, fault tolerance. The state of the art in fields relevant for the issues of self-awareness and adaptivity has been analysed: cognitive architectures, fault-tolerant control, and software architectural reflection and autonomic computing. The extant and evolving ASys Theoretical Framework for cognitive autonomous systems has been adapted to provide a basement for this selfhood-centred analysis and to conceptually support the subsequent development of our solution. The thesis proposes a general design solution for building self-aware autonomous systems. Its central idea is the integration of a metacontroller in the control architecture of the autonomous system, capable of perceiving the functional state of the control system and reconfiguring it if necessary at run-time. This metacontrol solution has been formalised into four design patterns: i) the Metacontrol Pattern, which defines the integration of a metacontrol subsystem, controlling the domain control system through an interface provided by its implementation component platform, ii) the Epistemic Control Loop pattern, which defines a modelbased cognitive control loop that can be applied to the design of such a metacontroller, iii) the Deep Model Reflection pattern proposes a solution to produce the online executable model used by the metacontroller by model-to-model transformation from the engineering model, and, finally, iv) the Functional Metacontrol pattern, which proposes to structure the metacontroller in two loops, one for controlling the configuration of components of the controller, and another one on top of the former, controlling the functions being realised by that configuration; this way the functional and structural concerns become decoupled. The OM Architecture and the TOMASys metamodel are the core pieces of the architectural framework developed to reify this patterned solution. The TOMASys metamodel has been developed for representing the structure and its relation to the functional requirements of any autonomous system. The OM architecture is a blueprint for building a metacontroller according to the patterns. This metacontroller can be integrated on top of any component-based control architecture. At the core of its operation lies a TOMASys model of the control system. An engineering process and accompanying assets have been constructed to complete and exploit the architectural framework. The OM Engineering Process defines the process to follow to develop the metacontrol subsystem from the functional model of the controller of the autonomous system. The OMJava library provides a domain and application-independent implementation of an OM Metacontroller than can be used in the implementation phase of OMEP. Finally, the complete solution has been validated in the development of an autonomous mobile robot that incorporates an OM metacontroller. The functional selfawareness and adaptivity properties achieved thanks to the metacontrol system have been validated in different scenarios. In these scenarios the robot was able to overcome failures in the control system thanks to reconfigurations performed by the metacontroller.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Conexión de las carreteras A-375 y A-394. Circunvalación Este de Utrera.

La “Conexión de las Carreteras A-375 y A-394. Circunvalación Este de Utrera” es considerada actualmente una de las obras prioritarias dentro de la política de infraestructuras de la Consejería de Fomento y Vivienda de la Junta de Andalucía. Ello viene avalado porque, actualmente, se encuentra en fase de redacción de proyecto, a la espera de que una mejora en la situación financiera de la Comunidad Autónoma permita su licitación. En la actualidad, la carretera A-394, desde el Arahal a la N-IV por Utrera, pasa por el núcleo de la localidad, lo que produce incomodidades para el tráfico urbano y para los ciudadanos. Concretamente, se registra una Intensidad Media Diaria de 7.889 vehículos, de los que el 12% son pesados. Esta alta intensidad de tráfico se explica por el ahorro en distancia de viaje que supone la ruta Utrera-El Arahal-Marchena-Écija para los viajeros que se dirigen desde la provincia de Cádiz hacia Córdoba, Madrid y la mitad Norte de la península. La variante se proyecta como solución, ya que desplaza el tráfico de largo recorrido fuera de Utrera, reduciendo además el tiempo de trayecto y mejorando la seguridad vial tanto de conductores como de peatones. Además, permitirá además la consolidación urbana de Utrera a ambos lados de la actual A-394, tal y como establece el actual Plan General de Ordenación Urbana, aprobado en junio de 2013.

Instability and topology bifurcations on a hemisphere-cylinder at high angle of attack

La configuración de un cilindro acoplado a una semi-esfera, conocida como ’hemispherecylinder’, se considera como un modelo simplificado para numerosas aplicaciones industriales tales como fuselaje de aviones o submarinos. Por tanto, el estudio y entendimiento de los fenómenos fluidos que ocurren alrededor de dicha geometría presenta gran interés. En esta tesis se muestra la investigación del origen y evolución de los, ya conocidos, patrones de flujo (burbuja de separación, vórtices ’horn’ y vórtices ’leeward’) que se dan en esta geometría bajo condiciones de flujo separado. Para ello se han llevado a cabo simulaciones numéricas (DNS) y ensayos experimentales usando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV), para una variedad de números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (AoA). Se ha aplicado sobre los resultados numéricos la teoría de puntos críticos obteniendo, por primera vez para esta geometría, un diagrama de bifurcaciones que clasifica los diferentes regímenes topológicos en función del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Se ha llevado a cabo una caracterización completa sobre el origen y la evolución de los patrones estructurales característicos del cuerpo estudiado. Puntos críticos de superficie y líneas de corriente tridimensionales han ayudado a describir el origen y la evolución de las principales estructuras presentes en el flujo hasta alcanzar un estado de estabilidad desde el punto de vista topológico. Este estado se asocia con el patrón de los vórtices ’horn’, definido por una topología característica que se encuentra en un rango de números de Reynolds muy amplio y en regímenes compresibles e incompresibles. Por otro lado, con el objeto de determinar las estructuras presentes en el flujo y sus frecuencias asociadas, se han usado distintas técnicas de análisis: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) y análisis de Fourier. Dichas técnicas se han aplicado sobre los datos experimentales y numéricos, demostrándose la buena concordancia entre ambos resultados. Finalmente, se ha encontrado en ambos casos, una frecuencia dominante asociada con una inestabilidad de los vórtices ’leeward’. ABSTRACT The hemisphere-cylinder may be considered as a simplified model for several geometries found in industrial applications such as aircrafts’ fuselages or submarines. Understanding the complex flow phenomena that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. This thesis presents an investigation of the origin and evolution of the complex flow pattern; i.e. separation bubbles, horn vortices and leeward vortices, around the hemisphere-cylinder under separated flow conditions. To this aim, threedimensional Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental tests, using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, have been performed for a variety of Reynolds numbers (Re) and angles of attack (AoA). Critical point theory has been applied to the numerical simulations to provide, for the first time for this geometry, a bifurcation diagram that classifies the different flow topology regimes as a function of the Reynolds number and the angle of attack. A complete characterization about the origin and evolution of the complex structural patterns of this geometry has been put in evidence. Surface critical points and surface and volume streamlines were able to describe the main flow structures and their strong dependence with the flow conditions up to reach the structurally stable state. This state was associated with the pattern of the horn vortices, found on ranges from low to high Reynolds numbers and from incompressible to compressible regimes. In addition, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) and Fourier analysis. These techniques have been applied to the experimental and numerical data to extract flow structure information (i.e. modes and frequencies). Experimental and numerical modes are shown to be in good agreement. A dominant frequency associated with an instability of the leeward vortices has been identified in both, experimental and numerical results.

Supervisión multidistribuida de transportes refrigerados mediante redes de sensores: diagramas de fases, una nueva metodología de análisis

El estudio de la variabilidad de la temperatura en cámaras frigoríficas y contenedores es un problema crítico en la industria alimentaria para el aseguramiento de la calidad de los productos durante el transporte, así como para minimizar las pérdidas. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una nueva metodología de análisis de datos basada en la reconstrucción del espacio de fases de la serie temporal de temperaturas, registradas por una red multidistribuida de sensores inalámbricos autónomos y de bajo coste.

La seguridad de las infraestructuras. El caso de los incendios en túneles : discurso del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez leído en la sesión inaugural del año académico el día 29 de enero de 2002

Los incendios registrados en los últimos años en túneles de carretera y ferrocarril han ocasionado un número de víctimas que dobla el registrado hasta 1999, así como numerosos perjuicios materiales y económicos. En la lección tras unas consideraciones sobre los enfoques ingenieril, psicológico y sociológico del concepto de riesgo en las infraestructuras se pasa revista a los motivos que pueden haber dado lugar a los accidentes y en particular se comentan los posibles errores cometidos en la elaboración de proyectos, en la construcción de las obras y en su explotación y control. Se analizan a continuación los experimentos en modelos físicos tanto a escala real como reducida así como los modelos numéricos de que se dispone para estudios y proyectos. Se comenta también la instrumentación admonitoria, y en ocasiones cognoscitiva, que se coloca en las obras así como el avance en los procedimientos de control destinados a mantener la seguridad tanto en condiciones de servicio como de accidente. Se dedica un apartado especial al importantísimo tema del reacondicionamiento de túneles existentes para dotarlos de los mismos niveles de seguridad que los de nueva planta. Finalmente se comentan los estudios de Naciones Unidas sobre la actuación de los gobiernos en los campos de formación de usuarios, control de vehículos, dotación de infraestructuras y criterios de explotación que hacen hincapié en la necesidad de mejorar ciertos aspectos que se resumen en un Apéndice a la lección y que darán origen en el futuro a una Directiva de la Unión Europea.

Using array based techniques for noise source identification in cars

Una de las principales causas del ruido en nuestras ciudades es el tráfico rodado. El ruido generado por los vehículos no es sólo debido al motor, sino que existen diversas fuentes de ruido en los mismos, entre las que se puede destacar el ruido de rodadura. Para localizar las causas del ruido e identificar las principales fuentes del mismo se han utilizado en diversos estudios las técnicas de coherencia y las técnicas basadas en arrays. Sin embargo, en la bibliografía existente, no es habitual encontrar el uso de estas técnicas en el sector automovilístico. En esta tesis se parte de la premisa de la posibilidad de usar estas técnicas de medida en coches, para demostrar a la largo de la misma su factibilidad y su bondad para evaluar las fuentes de ruido en dos condiciones distintas: cuando el coche está parado y cuando está en movimiento. Como técnica de coherencia se elige la de Intensidad Selectiva, utilizándose la misma para evaluar la coherencia existente entre el ruido que llega a los oídos del conductor y la intensidad radiada por distintos puntos del motor. Para la localización de fuentes de ruido, las técnicas basadas en array son las que mejores resultados ofrecen. Statistically Optimized Near-field Acoustical Holography (SONAH) es la técnica elegida para la localización y caracterización de las fuentes de ruido en el motor a baja frecuencia. En cambio, Beamforming es la técnica seleccionada para el caso de media-alta frecuencia y para la evaluación de las fuentes de ruido cuando el coche se encuentra en movimiento. Las técnicas propuestas no sólo pueden utilizarse en medidas reales, sino que además proporcionan abundante información y frecen una gran versatilidad a la hora de caracterizar fuentes de ruido. ABSTRACT One of the most important noise causes in our cities is the traffic. The noise generated by the vehicles is not only due to the engine, but there are some other noise sources. Among them the tyre/road noise can be highlighted. Coherence and array based techniques have been used in some research to locate the noise causes and identify the main noise sources. Nevertheless, it is not usual in the literature to find the application of this kind of techniques in the car sector. This Thesis starts taking into account the possibility of using this kind of measurement techniques in cars, to demonstrate their feasability and their quality to evaluate the noise sources under two different conditions: when the car is stopped and when it is in movement. Selective Intensity was chosen as coherence technique, evaluating the coherence between the noise in the driver’s ears and the intensity radiated in different points of the engine. Array based techniques carry out the best results to noise source location. Statistically Optimized Near-field Acoustical Holography (SONAH) is the measurement technique chosen for noise source location and characterization in the engine at low frequency. On the other hand, Beamforming is the technique chosen in the case of medium-high frequency and to characterize the noise sources when the car is in movement. The proposed techniques not only can be used in actual measurements, but also provide a lot of information and are very versatile to noise source characterization.

Compatibilidad de Betunes Modificados con SBS en Función de la Estructura del Betún

Los betunes modificados con polímeros (BMP) son ampliamente utilizados en la pavimentación de carreteras sometidas a gran afluencia de vehículos y a condiciones extremas de temperatura. La presencia de polímero en contacto con el betún amplía notablemente el intervalo de temperaturas en las que el betún mantiene sus prestaciones. En general los betunes modificados con polímero presentan un aumento significativo de la resistencia a la deformación permanente en el intervalo de elevadas temperaturas, sin que su compo rtamiento sufra deterioro a bajas temperaturas. Cuando un polímero se añade al betún tiene lugar su hinchamiento a partir de las moléculas de aromáticos ligeros presentes en el betún. A bajas concentraciones de polímero, aparece una morfología bifásica en la que una fase rica en polímero se dispersa en una matriz malténica enriquecida en asfaltenos. La existencia de esta estructura bifásica es la llave que controla la mejora en las propiedades de los BMP en relación al betún puro. En la literatura existen muchos trabajos dedicados a investigar las propiedades y morfología de los BMP, sin embargo en pocos se hace referencia a la influencia de la estructura del betún. Este trabajo está enfocado a relacionar la estructura/composición del betún con la compatibilidad del sistema SBS/betún/azufre. Para ello se han elegido cuatro betunes de distinta procedencia denominados, A17, A500, M18, M170, que mezclados convenientemente han sido utilizados en la preparación de betún modificado con SBS y vulcanizado con azufre. La fracción en peso de SBS, en relación al contenido de betún, ha sido del 3%. Se han determinado propiedades tales como viscosidad, penetración y temperatura anillo-bola, así como la estabilidad en almacenamiento a elevada temperatura. Finalmente la estabilidad de estos sistemas se ha analizado en función de la estructura y la composición de los betunes utilizados en su preparación

La macrografía como método de análisis de roturas en servicio. Caso práctico: camisas de cilindro

En este trabajo se analizan en profundidad tanto las características metalúrgicas (composición y estructura) como las geométricas (forma, anclaje, textura superficial, rugosidad), de las camisas de cilindro, así como la influencia de dichas características en la aparición de diversos tipos de fallos y/o un elevado consumo de aceite del motor.Los parámetros esenciales en las medidas de estas características son analizados a partir de la inspección macrográfica de la pieza. El fenómeno de cavitación, proceso de corrosión específico de materiales metálicos en contacto con líquidos, es estudiado en profundidad y su incidencia en el funcionamiento de las camisas de cilindro. Se proponen las características óptimas que debe tener una camisa de cilindro con el objetivo de evitar l a incidencia de fallos internosasí como la aparición de cavitación.

Características y problemática de los tabiques de separación entre cantones en sistemas de ventilación de tipo (semi-) transversal

El objetivo principal de la ventilación es garantizar las condiciones de explotación en servicio y de seguridad en caso de incendio en el interior del túnel. En la mayoría de los túneles de una cierta importancia esto se consigue mediante la disposición de instalaciones mecánicas de ventilación que permiten forzar el desplazamiento del aire de la forma deseada. Los principios de funcionamiento que pueden encontrarse en la práctica son muy diversos aunque pueden clasificarse según el comportamiento del aire en el interior del túnel (PIARC, Circular Francesa) o en función de si existen o no elementos de separación entre la zona reservada a la circulación de los vehículos y los conductos de ventilación (Recomendaciones suizas). Siguiendo este último principio de clasificación, los que no presentan losa intermedia son aquellos en los que se emplean aceleradores y/o pozos de ventilación para conseguir las condiciones adecuadas. En cuanto a los sistemas que presentan losa intermedia existen dos principalmente el transversal y el semitransversal. En los sistemas de tipo transversal, durante el funcionamiento en servicio, en un tramo determinado del túnel el aporte de aire fresco es el mismo que el de extracción de tal forma que, en condiciones de igualdad de presión entre sus extremos, no existe corriente longitudinal. En cuanto a la sección transversal, el conducto de aire viciado debe situarse en la parte superior ocupando la sección superior de la bóveda de tal forma que permita la extracción de humos en caso de incendio a través de exutorios. En cambio, el aporte de aire fresco se suele realizar mediante aberturas situadas al nivel de la calzada o en la parte superior (aunque es desaconsejable) alimentadas desde conductos que pueden ir situados bajo la calzada o compartiendo la sección superior, en cuyo caso se dispone un tabique de separación entre ambos. En los sistemas de tipo semitransversal, durante el funcionamiento en servicio, se pretende dar a cada zona del túnel la cantidad de aire fresco necesario para diluir los contaminantes que allí se producen. El aire fresco se introduce a lo largo de todo el túnel a través de una serie de aberturas que comunican un conducto auxiliar situado en un falso techo del túnel. El aire contaminado sale a través de las bocas. Para prevenir el caso de incendio este tipo de ventilación puede estar preparada para invertir el sentido del aire y pasar a una aspiración a lo largo del túnel o en zonas localizadas. En este caso se denomina semitransversal reversible. En el caso de túneles de gran longitud es habitual la subdivisión del túnel en zonas o cantones que son alimentados desde una misma estación de ventilación, para lo que es preciso dividir el conducto de distribución en dos o más partes, quedando una de las secciones destinada a la distribución de aire al interior del túnel y la otra como transición al siguiente cantón. En el caso de sistemas de ventilación de tipo semitransversal reversible cada uno de los conductos puede ser empleado tanto para el aporte de aire fresco (sobrepresión) como la extracción de humos en caso de incendio (subpresión). Si a esto se añade la disposición de sistemas de ventiladores redundantes que permitan el auxilio en caso de fallo de algún equipo, es necesaria la disposición de complejos sistemas de registros para conectar los ventiladores. El tabique de separación entre los conductos se ve por tanto sometido a diferencias de presiones según el modo de funcionamiento, por lo que son precisos distintos escenarios de hipótesis de carga.

Análisis probabilista de riesgo en túneles. La Directiva Europea

El incremento de los intercambios comerciales y del parque de vehículos ha provocado una continua exigencia sobre las condiciones del trazado de carreteras que ha influido en el aumento del número de túneles. Los accidentes catastróficos concentrados alrededor del nuevo siglo han dado lugar al cambio de paradigma sobre las exigencias de seguridad, y han aumentado el énfasis sobre la importancia de la toma de decisiones basada explícitamente en criterios objetivos de determinación del riesgo, tal como obliga la Directiva Europea 2004/54/EC de la Unión Europea. Cada país ha intentado adecuarse a ella recomendando tipos de procedimientos diferentes. En este artículo se trata de poner en perspectiva la situación y describir algunos enfoques de los que se dispone actualmente.

Emisiones y eficiencia energética: experiencias en el ámbito de la Ingeniería Rural

El LPF_TAGRALIA es un grupo de investigación reconocido de la UPM que trabaja en diversos ámbitos de la Ingeniería Agroforestal y de Biosistemas, entre los que se encuentra el análisis de emisiones de vehículos agrícolas, y el análisis de la calidad y la eficiencia energética en el transporte a larga distancia de productos perecederos, colaborando asimismo con una variedad de grupos y centros de investigación nacionales e internacionales. El primero de estos temas: análisis de emisiones de vehículos agrícolas, es objeto de estudio en el LPF_TAGRALIA desde hace aproximadamente diez años, cuando se materializa y cobra relevancia la aplicación del standard TIER de la agencia de protección ambiental americana (EPA) cuyo disparo de salida tuvo lugar en 1996 con la publicación del TIER I. La adopción en USA y Europa de este standard que regula las emisiones de CO, óxidos de Nitrógeno y 2 partículas de materia de diversa naturaleza (PM) se está produciendo de manera paulatina en función de la potencia de matriculación de los tractores (vehículos de fuera de carretera, off-road vehicles). En la actualidad el standard TIER IV ha de ser verificado mayoritariamente por los tractores, para lo cuál existen dos estrategias básicas: la recirculación de gases de escape (EGR), y la reducción catalítica selectiva (SCR). La verificación del funcionamiento en campo de estas estrategias ha sido materia de análisis y discusión por parte del LPF_TAGRALIA que ejerce desde hace 4 años la labor de Responsable de Ensayos de Campo para el suplemento Maq-Vida Rural, una de las publicaciones más reconocidas por los técnicos que desarrollan su labor en el ámbito de la Ingeniería Rural; los diversos documentos relacionados pueden consultarse en el servicio de acceso abierto también denominado Archivo Digital de la UPM (http://oa.upm.es/).

Gestión de las autopistas para mejorar la eficiencia energética

Los efectos del transporte en el cambio climático se han convertido en un motivo de preocupación en todo el mundo. El transporte representa el 41% de las emisiones de CO 2 en España, y aproximadamente el 65% de esa cifra corresponde al tráfico por carretera. Las autopistas de peaje se gestionan en la actualidad sobre la base de criterios económicos: minimizar los costes operativos y maximizar los ingresos derivados de los peajes. En este marco, el presente documento desarrolla una nueva metodología para gestionar las autopistas tomando como base un objetivo de máxima eficiencia energética. Incluye las políticas tecnológicas y las impulsadas por la demanda, que se aplican a dos casos prácticos. Este estudio arroja varias conclusiones. Los resultados indican que para reducir al máximo la huella de carbono es preciso diseñar estrategias de sostenibilidad para gestionar cada tramo de autopista. Esto significa utilizar el máximo de su capacidad según los flujos de tráfico total de automóviles y de vehículos pesados en las autopistas y también en las carreteras paralelas. Otra importante conclusión es que se podrían lograr importantes reducciones de las emisiones de gases de efecto invernadero en los tramos con peaje aplicando programas de ETC (cobro electrónico de peaje) y ORT (peaje abierto).

Entorno de simulación para verificación y validación de equipamiento CBTC

Debido a sus características de seguridad, los sistemas de señalización ferroviarios requieren una gran cantidad de pruebas para su verificación y validación durante las diferentes etapas de su ciclo de vida, y en particular durante la instalación y puesta en marcha de una nueva línea o rehabilitación de una línea existente, siendo esta última aún más complicada debido a los cortos períodos de tiempo disponibles durante la noche para los trabajos. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar una herramienta para reducir los esfuerzos antes mencionados mediante la simulación de los diferentes subsistemas de una línea equipada con sistema CBTC, el cumplimiento de las interfaces entre los subsistemas y el uso dentro de la simulación de equipos reales. Con estas premisas se desarrolló un entorno de pruebas para equipos y datos de señalización para líneas equipadas con el sistema CBTC. Los objetivos del proyecto que fueron establecidos en el inicio del desarrollo y han sido cumplidos con el desarrollo que se presenta en este artículo son los siguientes: • Poder realizar ensayos reales de equipos CBTC y su integración: equipos embarcados, equipos de control de área, etc. • Poder realizar ensayos reales con otros elementos de señalización y su integración: enclavamientos y ATS. • Poder realizar validación de datos vía CBTC. Para lograr estos objetivos se han desarrollado diversas aplicaciones de simulación, de las cuales, los más importantes son las siguientes: infraestructura, trenes automáticos, simulación de sistemas de tren, herramienta de gestión de los escenarios de simulación, etc Este sistema ha sido desarrollado y está añadiendo actualmente nuevos módulos y funcionalidades para las empresas del Grupo Invensys: Westinghouse Rail Systems en el Reino Unido y Dimetronic Signals en España, y está en uso en las nuevas líneas CBTC bajo su responsabilidad.

Enfoque al ahorro de energía en la conducción de ferrocarriles utilizando el método múltiple de restricción de la optimización

El ahorro de la energía consumida no es un tema menor en el sector ferroviario. Las infraestructuras ferroviarias y los planes operativos implicados en distintos sistemas como el metropolitano, trenes locales, larga distancia y alta velocidad, deben ser realizados teniendo en cuenta las múltiples alternativas para alcanzar un sistema de optimización en el ahorro de energía. Para conseguir alcanzar la mejor solución final, las alternativas deben recoger y trabajar con el máximo de variables asociadas al movimiento del tren y a los planes de operación. El método presentado aquí usa una solución semianalítica que conlleva una discretización del problema, para posteriormente aplicar el método de los Multiplicadores de Lagrange para resolver la optimización de las n-tuplas de velocidad. Con esta alternativa propuesta, es posible incluir todos los detalles sobre las operaciones del tren, como restricciones en el horario o tipos de frenado.