Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

Metodologías de modelado, monitorización y asistencia robótica en neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

La Organización Mundial de la Salud (OMS) prevé que para el año 2020, el Daño Cerebral Adquirido (DCA) estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad. Estas lesiones, dadas sus consecuencias físicas, sensoriales, cognitivas, emocionales y socioeconómicas, cambian dramáticamente la vida de los pacientes y sus familias. Las nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de la medicina intensiva en la atención al DCA han mejorado notablemente la probabilidad de supervivencia. Sin embargo, hoy por hoy, las lesiones cerebrales no tienen ningún tratamiento quirúrgico que tenga por objetivo restablecer la funcionalidad perdida, sino que las terapias rehabilitadoras se dirigen hacia la compensación de los déficits producidos. Uno de los objetivos principales de la neurorrehabilitación es, por tanto, dotar al paciente de la capacidad necesaria para ejecutar las Actividades de Vida Diaria (AVDs) necesarias para desarrollar una vida independiente, siendo fundamentales aquellas en las que la Extremidad Superior (ES) está directamente implicada, dada su gran importancia a la hora de la manipulación de objetos. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma centrado en ofrecer una práctica personalizada, monitorizada y ubicua con una valoración continua de la eficacia y de la eficiencia de los procedimientos y con capacidad de generar conocimientos que impulsen la ruptura del paradigma de actual. Los nuevos objetivos consistirán en minimizar el impacto de las enfermedades que afectan a la capacidad funcional de las personas, disminuir el tiempo de incapacidad y permitir una gestión más eficiente de los recursos. Estos objetivos clínicos, de gran impacto socio-económico, sólo pueden alcanzarse desde una apuesta decidida en nuevas tecnologías, metodologías y algoritmos capaces de ocasionar la ruptura tecnológica necesaria que permita superar las barreras que hasta el momento han impedido la penetración tecnológica en el campo de la rehabilitación de manera universal. De esta forma, los trabajos y resultados alcanzados en la Tesis son los siguientes: 1. Modelado de AVDs: como paso previo a la incorporación de ayudas tecnológicas al proceso rehabilitador, se hace necesaria una primera fase de modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de las actividades que se realizan como parte de la terapia. En particular, las tareas más complejas y a su vez con mayor repercusión terapéutica son las AVDs, cuya formalización permitirá disponer de modelos de movimiento sanos que actuarán de referencia para futuros desarrollos tecnológicos dirigidos a personas con DCA. Siguiendo una metodología basada en diagramas de estados UML se han modelado las AVDs 'servir agua de una jarra' y 'coger un botella' 2. Monitorización ubícua del movimiento de la ES: se ha diseñado, desarrollado y validado un sistema de adquisición de movimiento basado en tecnología inercial que mejora las limitaciones de los dispositivos comerciales actuales (coste muy elevado e incapacidad para trabajar en entornos no controlados); los altos coeficientes de correlación y los bajos niveles de error obtenidos en los corregistros llevados a cabo con el sistema comercial BTS SMART-D demuestran la alta precisión del sistema. También se ha realizado un trabajo de investigación exploratorio de un sistema de captura de movimiento de coste muy reducido basado en visión estereoscópica, habiéndose detectado los puntos clave donde se hace necesario incidir desde un punto de vista tecnológico para su incorporación en un entorno real 3. Resolución del Problema Cinemático Inverso (PCI): se ha diseñado, desarrollado y validado una solución al PCI cuando el manipulador se corresponde con una ES humana estudiándose 2 posibles alternativas, una basada en la utilización de un Perceptrón Multicapa (PMC) y otra basada en sistemas Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). La validación, llevada a cabo utilizando información relativa a los modelos disponibles de AVDs, indica que una solución basada en un PMC con 3 neuronas en la capa de entrada, una capa oculta también de 3 neuronas y una capa de salida con tantas neuronas como Grados de Libertad (GdLs) tenga el modelo de la ES, proporciona resultados, tanto de precisión como de tiempo de cálculo, que la hacen idónea para trabajar en sistemas con requisitos de tiempo real 4. Control inteligente assisted-as-needed: se ha diseñado, desarrollado y validado un algoritmo de control assisted-as-needed para una ortesis robótica con capacidades de actuación anticipatoria de la que existe un prototipo implementado en la actualidad. Los resultados obtenidos demuestran cómo el sistema es capaz de adaptarse al perfil disfuncional del paciente activando la ayuda en instantes anteriores a la ocurrencia de movimientos incorrectos. Esta estrategia implica un aumento en la participación del paciente y, por tanto, en su actividad muscular, fomentándose los procesos la plasticidad cerebral responsables del reaprendizaje o readaptación motora 5. Simuladores robóticos para planificación: se propone la utilización de un simulador robótico assisted-as-needed como herramienta de planificación de sesiones de rehabilitación personalizadas y con un objetivo clínico marcado en las que interviene una ortesis robotizada. Los resultados obtenidos evidencian como, tras la ejecución de ciertos algoritmos sencillos, es posible seleccionar automáticamente una configuración para el algoritmo de control assisted-as-needed que consigue que la ortesis se adapte a los criterios establecidos desde un punto de vista clínico en función del paciente estudiado. Estos resultados invitan a profundizar en el desarrollo de algoritmos más avanzados de selección de parámetros a partir de baterías de simulaciones Estos trabajos han servido para corroborar las hipótesis de investigación planteadas al inicio de la misma, permitiendo, asimismo, la apertura de nuevas líneas de investigación. Summary The World Health Organization (WHO) predicts that by the year 2020, Acquired Brain Injury (ABI) will be among the ten most common ailments. These injuries dramatically change the life of the patients and their families due to their physical, sensory, cognitive, emotional and socio-economic consequences. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, in spite of these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish the lost functions. Neurorehabilitation therapies address this problem by restoring, minimizing or compensating the functional alterations in a person disabled because of a nervous system injury. One of the main objectives of Neurorehabilitation is to provide patients with the capacity to perform specific Activities of the Daily Life (ADL) required for an independent life, especially those in which the Upper Limb (UL) is directly involved due to its great importance in manipulating objects within the patients' environment. The incorporation of new technological aids to the neurorehabilitation process tries to reach a new paradigm focused on offering a personalized, monitored and ubiquitous practise with continuous assessment of both the efficacy and the efficiency of the procedures and with the capacity of generating new knowledge. New targets will be to minimize the impact of the sicknesses affecting the functional capabilitiies of the subjects, to decrease the time of the physical handicap and to allow a more efficient resources handling. These targets, of a great socio-economic impact, can only be achieved by means of new technologies and algorithms able to provoke the technological break needed to beat the barriers that are stopping the universal penetration of the technology in the field of rehabilitation. In this way, this PhD Thesis has achieved the following results: 1. ADL Modeling: as a previous step to the incorporation of technological aids to the neurorehabilitation process, it is necessary a first modelling and formalization phase of the knowledge associated to the execution of the activities that are performed as a part of the therapy. In particular, the most complex and therapeutically relevant tasks are the ADLs, whose formalization will produce healthy motion models to be used as a reference for future technological developments. Following a methodology based on UML state-chart diagrams, the ADLs 'serving water from a jar' and 'picking up a bottle' have been modelled 2. Ubiquitous monitoring of the UL movement: it has been designed, developed and validated a motion acquisition system based on inertial technology that improves the limitations of the current devices (high monetary cost and inability of working within uncontrolled environments); the high correlation coefficients and the low error levels obtained throughout several co-registration sessions with the commercial sys- tem BTS SMART-D show the high precision of the system. Besides an exploration of a very low cost stereoscopic vision-based motion capture system has been carried out and the key points where it is necessary to insist from a technological point of view have been detected 3. Inverse Kinematics (IK) problem solving: a solution to the IK problem has been proposed for a manipulator that corresponds to a human UL. This solution has been faced by means of two different alternatives, one based on a Mulilayer Perceptron (MLP) and another based on Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). The validation of these solutions, carried out using the information regarding the previously generated motion models, indicate that a MLP-based solution, with an architecture consisting in 3 neurons in the input layer, one hidden layer of 3 neurons and an output layer with as many neurons as the number of Degrees of Freedom (DoFs) that the UL model has, is the one that provides the best results both in terms of precission and in terms of processing time, making in idoneous to be integrated within a system with real time restrictions 4. Assisted-as-needed intelligent control: an assisted-as-needed control algorithm with anticipatory actuation capabilities has been designed, developed and validated for a robotic orthosis of which there is an already implemented prototype. Obtained results demonstrate that the control system is able to adapt to the dysfunctional profile of the patient by triggering the assistance right before an incorrect movement is going to take place. This strategy implies an increase in the participation of the patients and in his or her muscle activity, encouraging the neural plasticity processes in charge of the motor learning 5. Planification with a robotic simulator: in this work a robotic simulator is proposed as a planification tool for personalized rehabilitation sessions under a certain clinical criterium. Obtained results indicate that, after the execution of simple parameter selection algorithms, it is possible to automatically choose a specific configuration that makes the assisted-as-needed control algorithm to adapt both to the clinical criteria and to the patient. These results invite researchers to work in the development of more complex parameter selection algorithms departing from simulation batteries Obtained results have been useful to corroborate the hypotheses set out at the beginning of this PhD Thesis. Besides, they have allowed the creation of new research lines in all the studied application fields.

Generación y Gestión Optimizadas de la Base de Datos de un Visual para su Implementación en un Simulador de Formación

Los Sistemas de Información Geográfica están desarrollados para gestionar grandes volúmenes de datos, y disponen de numerosas funcionalidades orientadas a la captura, almacenamiento, edición, organización, procesado, análisis, o a la representación de información geográficamente referenciada. Por otro lado, los simuladores industriales para entrenamiento en tareas de conducción son aplicaciones en tiempo real que necesitan de un entorno virtual, ya sea geoespecífico, geogenérico, o combinación de ambos tipos, sobre el cual se ejecutarán los programas propios de la simulación. Este entorno, en última instancia, constituye un lugar geográfico, con sus características específicas geométricas, de aspecto, funcionales, topológicas, etc. Al conjunto de elementos que permiten la creación del entorno virtual de simulación dentro del cual se puede mover el usuario del simulador se denomina habitualmente Base de Datos del Visual (BDV). La idea principal del trabajo que se desarrolla aborda un tema del máximo interés en el campo de los simuladores industriales de formación, como es el problema que presenta el análisis, la estructuración, y la descripción de los entornos virtuales a emplear en los grandes simuladores de conducción. En este artículo se propone una metodología de trabajo en la que se aprovechan las capacidades y ventajas de los Sistemas de Información Geográfica para organizar, optimizar y gestionar la base de datos visual del simulador, y para mejorar la calidad y el rendimiento del simulador en general. ABSTRACT Geographic Information Systems are developed to handle enormous volumes of data and are equipped with numerous functionalities intended to capture, store, edit, organise, process and analyse or represent the geographically referenced information. On the other hand, industrial simulators for driver training are real-time applications that require a virtual environment, either geospecific, geogeneric or a combination of the two, over which the simulation programs will be run. In the final instance, this environment constitutes a geographic location with its specific characteristics of geometry, appearance, functionality, topography, etc. The set of elements that enables the virtual simulation environment to be created and in which the simulator user can move, is usually called the Visual Database (VDB). The main idea behind the work being developed approaches a topic that is of major interest in the field of industrial training simulators, which is the problem of analysing, structuring and describing the virtual environments to be used in large driving simulators. This paper sets out a methodology that uses the capabilities and benefits of Geographic Information Systems for organising, optimising and managing the visual Database of the simulator and for generally enhancing the quality and performance of the simulator.

Modelos numéricos para el estudio de incendios en túneles

Si se estudian los distintos métodos existentes actualmente para el estudio del comportamiento de los incendios en túneles no parece que se disponga de una solución única y definitiva. Tanto los métodos numéricos como los modelos fisicos a escala tienen sus limitaciones y ventajas. Por tanto, puede decirse que se trata de enfoques complementarios y que deben emplearse todos cuando la importancia de la obra así lo requiera.Desde el punto de vista del proyecto cabe indicar la necesidad de que los cálculos no se limiten al dimensionamiento del sistema de ventilación sino que incluyan pautas de actuación sencillas que puedan ser seguidas de forma refleja por los responsables del Centro de Control en los primeros momentos del incendio ya que ello es clave en el éxito del proceso de evacuación. En este sentido es perentorio el desarrollo de simuladores numéricos que puedan ser utilizados en el entrenamiento y formación de los operadores del Centro de Control.

Estudio y desarrollo sobre sistemas de simulación para comunicaciones móviles, LTE

Este proyecto, recoge el estudio de diferentes simuladores sobre comunicaciones móviles, que se encargan de analizar el comportamiento de las tecnologías UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), 3G y LTE (Long Term Evolution),3.9G, centrándose principalmente en el caso de los simuladores LTE, ya que es la tecnología que se está implantando en la actualidad. Por ello, antes de analizar las características de la interfaz radio más importante de esta generación, la 3.9G, se hará una overview general de cómo han ido evolucionando las comunicaciones móviles a lo largo de la historia, se analizarán las características de la tecnología móvil actual, la 3.9G, para posteriormente centrarse en un par de simuladores que demostrarán, mediante resultados gráficos, estas características. Hoy en día, el uso de estos simuladores es totalmente necesario, ya que las comunicaciones móviles, avanzan a un ritmo vertiginoso y es necesario por lo tanto conocer las prestaciones que pueden producir las diferentes tecnologías móviles utilizadas. Los simuladores utilizados por este proyecto, permiten analizar el comportamiento de varios escenarios, ya que existen diferentes tipos de simuladores, tanto a nivel de enlace como a nivel de sistema. Se mencionarán una serie de simuladores correspondientes a la tercera generación UMTS, pero los simuladores en cuestión que se estudiarán y analizarán con más profundidad en este proyecto fin de carrera son los simuladores “Link-Level” y “System-Level”, desarrollados por el “Institute of Communications and Radio-Frecuency Engineering” de la Universidad de Viena. Estos simuladores permiten realizar diferentes simulaciones, como analizar el comportamiento entre una estación base y un único usuario, para el caso de los simuladores a nivel de enlace, o bien analizar el comportamiento de toda una red en el caso de los simuladores a nivel de sistema. Con los resultados que se pueden obtener de ambos simuladores, se realizarán una serie de preguntas, basadas en la práctica realizada por el profesor de la universidad Politécnica de Madrid, Pedro García del Pino, tanto de tipo teóricas como de tipo prácticas, para comprobar que se han entendido los simuladores analizados. Finalmente se citarán las conclusiones que se obtiene de este proyecto, así como las líneas futuras de acción. PROJECT ABSTRACT This project includes the study of different simulators on mobile communications, which are responsible for analyzing the behavior of UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), 3G and LTE (Long Term Evolution), 3.9G, mainly focusing on the case of LTE simulators because it is the technology that is being implemented today. Therefore, before analyzing the characteristics of the most important radio interface of this generation, 3.9G, there will give a general overview how the mobile communications have evolved throughout history, analyzing the characteristics of current mobile technology, the 3.9G, later focus on a pair of simulators that demonstrate through graphical results, these characteristics. Today, the use of these simulators is absolutely necessary, because mobile communications advance at a high rate, and it is necessary to know the features that can produce different mobile technologies that are used. The simulators used for this project, allow to analyze the behavior of several scenarios, as there are different types of simulators, both link and system level. It mentioned a number of simulators for the third generation UMTS, but the simulators in question to be studied and analyzed in this final project are the simulators "Link-Level" and "System-Level", developed by the "Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering" at the University of Vienna. These simulators allow realize different simulations, analyze the behavior between a base station and a single user, in the case of the link-level simulators or analyze the performance of a network in the case of system-level simulators. With the results that can be obtained from both simulators, will perform a series of questions, based on the practice developed by Pedro García del Pino, Professor of “Universidad Politécnica de Madrid (UPM)”. These questions will be both of a theoretical and practical type, to check that have been understood the analyzed simulators. Finally, it quotes the conclusions obtained from this project and mention the future lines of action.

Metodología para el desarrollo de un sistema de visualización multi-proyector con características cromáticas uniformes

Los sistemas de proyección multi-proyector han adquirido gran popularidad en los últimos años para su uso en un amplio rango de aplicaciones como sistemas de realidad virtual, simuladores y visualización de datos. Esto es debido a que normalmente estas aplicaciones necesitan representar sus datos a muy alta resolución y a lo largo de una gran superficie. Este tipo de sistemas de proyección son baratos en comparación con las resoluciones que pueden conseguir, se pueden configurar para proyectar sobre prácticamente cualquier tipo de superficie, sea cual sea su forma, y son fácilmente escalables. Sin embargo, para hacer que este tipo de sistemas generen una imagen sin discontinuidades geométricas o colorimétricas requieren de un ajuste preciso. En la presente tesis se analizan en detalle todos los problemas a los que hay que enfrentarse a la hora de diseñar y calibrar un sistema de proyección de este tipo y se propone una metodología con una serie de optimizaciones para hacer el ajuste de estos sistemas más sencillo y rápido. Los resultados de esta metodología se muestran aplicados a la salida gráfica de un simulador de entrenamiento. Multi-projector display systems have gained high popularity over the past years for its use in a wide range of applications such as virtual reality systems, simulators or data visualization where a high resolution image over a large projection surface is required. Such systems are cheap for the resolutions they can provide, can be configured to project images on almost any kind of screen shapes and are easily scalable, but in order to provide a seamless image with no photometric discontinuities they require a precise geometric and colour correction. In this thesis, we analyze all the problems that have to be faced in order to design and calibrate a multi-projector display. We propose a calibration methodology with some optimizations that make the adjustment of this kind of displays easier and faster. The results of the implementation of this methodology on a training simulator are presented and discussed

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Las trampillas para extracción de humos en el túnel de Somport

En esta ponencia se trata un aspecto del mecanismo proyectado para la extracción de humos generados en un posible incendio en el túnel de Somport. Tras una somera descripción del sistema de ventilación y extracción se comentan los métodos de modelado físico y numérico que han servido para dimensionar la solución y, en particular, se pone de manifiesto la utilidad que los simuladores numéricos (modelos monodimensionales, modelos zonales y modelos tridimensionales), dentro de todas las limitaciones que todavía presentan, pueden tener para la formación del personal encargado del control y para seleccionar estrategias de actuacion que puedan aplicarse de forma automática en caso de accidente. Se comenta brevemente la realización de ensayos in situ para completar los estudios anteriores. Una de las conclusiones, entre otras, es que la extracción de humos mediante trampillas es una solución excelente; sin embargo su éxito depende de la capacidad de desarrollar mecanismos capaces de funcionar con temperaturas muy altas.

Nuevo algoritmo de relajación para motores de cuerpos sólidos

Con el fin de conocer mejor a las bacterias, en la actualidad se han desarrollado aplicaciones que permite simular el comportamiento de las colonias formadas por este tipo de organismos. Una de las piezas más importantes que tienen estos simuladores es el motor de físicas. Éste es el encargado de resolver todas las fuerzas producidas entre las bacterias y conseguir que todas queden correctamente colocadas y distribuidas a lo largo de la colonia, tratando de asemejarse lo más posible a la realidad. En una simulación de éstas características, todas las bacterias, además de estar en contacto entre sí, crecen en un pequeño porcentaje durante cada fotograma. Ello produce una gran cantidad de solapamiento a lo largo de toda la colonia que el motor de físicas tiene que resolver. El trabajo que se describe en este documento surge de la ineficiencia del proceso actual para distribuir el solapamiento originado en el interior de la colonia, hasta su exterior. Es importante señalar que la física se lleva el 99% del tiempo de procesado de la simulación de una colonia, con lo que una mejora en el motor de físicas conseguiría incrementar en gran medida la capacidad de simulación. El objetivo no es otro que poder simular más cantidad de bacterias en menos tiempo, facilitando el estudio de esta área tan reciente como es la biología sintética. ---ABSTRACT---In order to better understand bacteria, new applications have been developed to simulate the behavior of colonies formed by these organisms. One of the most important parts of these simulators is the physics engine. This module is responsible for solving all the forces produced between bacteria and ensure that they are properly located and distributed throughout the colony, trying to be as close as possible to reality. In a simulation with these features, all bacteria, besides being in contact with each other, grow in a small percentage at each frame. This produces a large amount of overlap along the entire colony that the physics engine must solve. The work described in this document arises from the inefficiency of the current process to distribute the overlap originated at the core of the colony outwards. Importantly, physics takes up 99% of the processing time of the simulation of a colony. Therefore, improving the physics engine would translate in a drastic increase in the throughput of the simulation. The goal is simply to be able to simulate more bacteria in less time, making the study of the recent area, synthetic biology, much easier.

Programación y simulación de la comunicación intercelular mediante conjugación en el simulador multicelular GRO

Los conjuntos bacterianos son sistemas dinámicos difíciles de modelar debido a que las bacterias colaboran e intercambian información entre sí. Estos microorganismos procariotas pueden tomar decisiones por mayoría e intercambiar información genética importante que, por ejemplo, las haga resistentes a un antibiótico. El proceso de conjugación consiste en el intercambio de un plásmido de una bacteria con otra, permitiendo así que se transfieran propiedades. Estudios recientes han demostrado que estos plásmidos pueden ser reprogramados artificialmente para que la bacteria que lo contenga realice una función específica [1]. Entre la multitud de aplicaciones que supone esta idea, el proyecto europeo PLASWIRES está intentando demostrar que es posible usar organismos vivos como computadores distribuidos en paralelo y plásmidos como conexión entre ellos mediante conjugación. Por tanto, mediante una correcta programación de un plásmido, se puede conseguir, por ejemplo, hacer que una colonia de bacterias haga la función de un antibiótico o detecte otros plásmidos peligrosos en bacterias virulentas. El proceso experimental para demostrar esta idea puede llegar a ser algo lento y tedioso, por lo que es necesario el uso de simuladores que predigan su comportamiento. Debido a que el proyecto PLASWIRES se basa en la conjugación bacteriana, surge la necesidad de un simulador que reproduzca esta operación. El presente trabajo surge debido a la deficiencia del simulador GRO para reproducir la conjugación. En este documento se detallan las modificaciones necesarias para que GRO pueda representar este proceso, así como analizar los datos obtenidos e intentar ajustar el modelo a los datos obtenidos por el Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria (IBBTEC). ---ABSTRACT---Bacterial colonies are dynamical systems difficult to model because bacteria collaborate and exchange information with each other. These prokaryotic organisms can make decisions by majority and exchange important genetic information, for example, make them resistant to an antibiotic. The conjugation process is the exchange of a plasmid from one bacterium to another, allowing both to have the same properties. Recent studies have shown that these plasmids can be artificially reprogrammed to make the bacteria that contain it to perform a specific function [1]. Among the multitude of applications involved in this idea, the European project PLASWIRES is attempting to prove that it is possible to use living organisms as parallel and distributed computers with plasmids acting as connectors between them through conjugation. Thus, by properly programming a plasmid, you can get a colony of bacteria that work as an antibiotic or detect hazardous plasmids in virulent bacteria. The experimental process to prove this idea can be slow and tedious, so the use of simulators to predict their behavior is required. Since PLASWIRES project is based on bacterial conjugation, a simulator that can reproduce this operation is required. This work arises due to the absence of the conjugation process in the simulator GRO. This document details the changes made to GRO to represent this process, analyze the data and try to adjust the model to the data obtained by the Institute of Biomedicine and Biotechnology of Cantabria ( IBBTEC ). This project has two main objectives, the first is to add the functionality of intercellular communication by conjugation to the simulator GRO, and the second is to use the experimental data obtained by the IBBTEC. To do this, the following points should be followed: • Study of conjugation biology as a mechanism of intercellular communication. • Design and implementation of the algorithm that simulates conjugation. • Experimental validation and model adjust to the experimental data on rates of conjugation and bacterial growth.

Desarrollo e implementación de espacios verdes inteligentes basados en tecnologías M2M

En esta memoria se muestra el desarrollo del proyecto realizado para la creación de un sistema implantado en espacios verdes de las ciudades. A partir del estudio previo del mercado en torno a las Smart Cities se plantea el desarrollo de un sistema que mejore la sostenibilidad, la eficiencia y la seguridad de sistemas de riego, de medidores de la calidad del aire o estaciones meteorológicas instalados en los espacios verdes y jardines de las ciudades. Sirve de demostrador de cómo mejorar la eficiencia del consumo de agua y energía, además de añadir la funcionalidad de monitorizar la información recibida por sensores instalados en estos espacios en tiempo real a través del sistema desarrollado. La finalidad de este proyecto es la de crear un demostrador que sirva de ejemplo e inspiración para proyectos futuros que se basen en las mismas herramientas que son ofrecidas por Telefónica. El demostrador consiste en el control, gestión y mantenimiento de estos espacios, de modo que se pueda realizar un control y un mantenimiento de los dispositivos y sensores instalados en cada localización y la monitorización de la información suministrada por dichos elementos gracias a la plataforma M2M mediante los simuladores de sensores que ofrece Telefónica para demostraciones. Desde la aplicación, y mediante tecnologías REST y WEB, se realiza la comunicación con los elementos ofrecidos por Telefónica. La información de los sensores almacenada se muestra mediante la creación de informes y gráficas, mostrando la información recibida de los distintos parámetros de medida posibles, como son consumo de agua, temperatura, humedad y medidas de calidad del aire entre otras disponibles. Además, hay un espacio disponible para localizar y gestionar los dispositivos de los que se disponga existiendo la posibilidad de creación de alertas y avisos en función de lo que requiera el usuario. La solución creada como demostrador tiene dos componentes realizados por el estudiante. El primer componente desarrollado consiste en una plataforma web mediante la cual se pueda gestionar en tiempo real los dispositivos instalados en estos espacios verdes, su localización, realizar informes y gráficas, mostrando la información recibida de los sensores y la gestión de reglas para controlar valores límites impuestos por el usuario. El segundo componente es un servicio REST al cual se accede desde la plataforma web creada en el anterior componente y realiza la comunicación con los servicios ofrecidos por Telefónica y la identificación del proveedor del servicio con Telefónica a través del uso de un certificado privado. Además, este componente lleva a cabo la gestión de usuarios, mediante la creación de un servicio de autenticación para limitar los recursos ofrecidos en el servicio REST a determinados usuarios. ABSTRACT. In this memorandum the development of the project carried out for the creation of an implanted into green spaces in cities system is shown. From the previous study of the market around the Smart Cities it arise development of a system to improve the sustainability, efficiency and safety of irrigation systems, meter air quality and green spaces installed weather stations and gardens of cities. It serves as a demonstrator of how to improve the efficiency of water and energy consumption, as well as adding functionality to monitor the information received by sensors installed in these spaces in real time through the system developed. The purpose of this project is to create a demonstrator to provide an example and an inspiration for future projects based on the same tools that are provided by Telefónica. The demonstrator consists of control, management and maintenance of these spaces, so that it can carry out checks and maintenance of devices and sensors installed at each location and monitoring of the information provided by these elements through the M2M platform sensor simulators offered by Telefónica. From the application, and using REST and Web technologies, communication with the items provided by Telefónica is performed. Information stored sensors is shown by creating reports and graphs showing information received from the different parameters as possible, such as water consumption, temperature, humidity and air quality measures among others available. Addition there is an available space to locate and manage devices which becomes available with the possibility of creating alerting and warnings based on what the user requires. The solution created as a demonstrator has two components made by the student. The first component consists of a developed web platform through which to manage real-time devices installed in these green spaces, displaying the information received from the sensors and management rules to control limit values by the user. The second component is a REST service which is accessible from the web platform created in the previous component and performs communication with the services provided by Telefónica and the identification of the service provider with Telefónica through the use of a private certificate. In addition, this component performs user management, by creating an authentication service to restrict the resources available on the REST service to certain users.

Modelo Híbrido para la Ayuda al Capitán

En esta Tesis se plantea una nueva forma de entender la evacuación apoyándonos en tecnologías existentes y accesibles que nos permitirán ver este proceso como un ente dinámico. Se trata de una metodología que implica no solo el uso de herramientas de análisis que permitan la definición de planes de evacuación en tiempo real, sino que también se apunta hacia la creación de una infraestructura física que permita alimentar con información actualizada al sistema de forma que, según la situación y la evolución de la emergencia, sea posible realizar planes alternativos que se adapten a las nuevas circunstancias. En base a esto, el sistema asimilará toda esa información y aportará soluciones que faciliten la toma de decisiones durante toda la evolución del incidente. Las aportaciones originales de esta Tesis son múltiples y muy variadas, pudiéndolas resumir en los siguientes puntos: 1. Estudio completo del estado del arte: a. Detección y análisis de diferentes proyectos a nivel internacional que de forma parcial tratan algunos aspectos desarrollados en la Tesis. b. Completo estudio a nivel mundial del software desarrollado total o parcialmente para la simulación del comportamiento humano y análisis de procesos de evacuación. Se ha generado una base de datos que cataloga de forma exhaustiva estas aplicaciones, permitiendo realizar un completo análisis y posibilitando la evolución futura de los contenidos de la misma. En la tesis se han analizado casi un centenar de desarrollos, pero el objetivo es seguir completando esta base de datos debido a la gran utilidad y a las importantes posibilidades que ofrece. 2. Desarrollo de un importante capítulo que trata sobre la posibilidad de utilizar entornos virtuales como alternativa intermedia al uso de simuladores y simulacros. En esta sección se divide en dos bloques: a. Ensayos en entornos reales y virtuales. b. Ensayos en entornos virtuales (pruebas realizadas con varios entornos virtuales). 3. Desarrollo de e-Flow net design: paquete de herramientas desarrolladas sobre Rhinoceros para el diseño de la red de evacuación basada en los elementos definidos en la tesis: Nodes, paths, Relations y Areas. 4. Desarrollo de e-Flow Simulator: Conjunto de herramientas que transforman Rhinoceros en un simulador 3D de comportamiento humano. Este simulador, de desarrollo propio, incorpora un novedoso algoritmo de comportamiento a nivel de individuo que incluye aspectos que no se han encontrado en otros simuladores. Esta herramienta permite realizar simulaciones programadas de grupos de individuos cuyo comportamiento se basa en el análisis del entorno y en la presencia de referencias dinámicas. Incluye otras importantes novedades como por ejemplo: herramientas para análisis de la señalización, elementos de señalización dinámica, incorporación sencilla de obstáculos, etc. También se ha creado una herramienta que posibilita la implementación del movimiento del propio escenario simulando la oscilación del mismo, con objeto de reflejar la influencia del movimiento del buque en el desplazamiento de los individuos. 5. En una fase avanzada del desarrollo, se incorporó la posibilidad de generar un vídeo de toda la simulación, momento a partir del cual, se han documentado todas las pruebas (y se continúan documentando) en una base de datos que recoge todas las características de las simulaciones, los problemas detectados, etc. Estas pruebas constituyen, en el momento en que se ha cerrado la redacción de la Tesis, un total de 81 GB de datos. Generación y análisis de rutas en base a la red de evacuación creada con e-Flow Net design y las simulaciones realizadas con e-Flow Net simulator. a. Análisis para la optimización de la configuración de la red en base a los nodos por área existentes. b. Definición de procesos previos al cálculo de rutas posibles. c. Cálculo de rutas: i. Análisis de los diferentes algoritmos que existen en la actualidad para la optimización de rutas. ii. Desarrollo de una nueva familia de algoritmos que he denominado “Minimum Decision Algorithm (MDA)”, siendo los algoritmos que componen esta familia: 1. MDA básico. 2. MDA mínimo. 3. MDA de no interferencia espacial. 4. MDA de expansión. 5. MDA de expansión ordenada para un único origen. 6. MDA de expansión ordenada. iii. Todos estos algoritmos se han implementado en la aplicación e-Flow creada en la Tesis para el análisis de rutas y que constituye el núcleo del Sistema de Ayuda al Capitán. d. Determinación de las alternativas para el plan de evacuación. Tras la definición de las rutas posibles, se describen diferentes procesos existentes de análisis por ponderación en base a criterios, para pasar finalmente a definir el método de desarrollo propio propuesto en esta Tesis y cuyo objetivo es responder en base a la población de rutas posibles obtenidas mediante los algoritmos MDA, qué combinación de rutas constituyen el Plan o Planes más adecuados para cada situación. La metodología creada para la selección de combinaciones de rutas que determinan un Plan completo, se basa en cuatro criterios básicos que tras su aplicación ofrecen las mejores alternativas. En esta fase también se incluye un complejo análisis de evolución temporal que incorpora novedosas definiciones y formulaciones. e. Derivado de la definición de la metodología creada en esta Tesis para la realización de los análisis de evolución temporal, se ha podido definir un nuevo teorema matemático que se ha bautizado como “Familia de cuadriláteros de área constante”. 7. Especificación de la infraestructura física del Sistema de Ayuda al Capitán: parte fundamental de sistema es la infraestructura física sobre la que se sustentaría. Esta infraestructura estaría compuesta por sensores, actuadores, aplicaciones para dispositivos móviles, etc. En este capítulo se analizan los diferentes elementos que la constituirían y las tecnologías implicadas. 8. Especificación de la infraestructura de servicios. 9. Creación del Blog Virtual Environments (http://epcinnova-virtualenvironments.blogspot.com.es/) en el que se han publicado todas las pruebas realizadas en el capítulo que analiza los entornos virtuales como alternativa a los simuladores y a los ensayos en laboratorio o los simulacros, incluyendo en muchos casos la posibilidad de que el visitante del blog pueda realizar la simulación en el entorno virtual. Este blog también incluye otras secciones que se han trabajado durante la Tesis: • Recopilación de diferentes entornos virtuales existentes. • Diagrama que recopila información sobre accidentes tanto en el ámbito marítimo como en el terrestre (en desarrollo). • Esquema propuesto para el acopio de información obtenida a partir de un simulacro. 10. Esta Tesis es la base para el proyecto e-Flow (nombre de una de las aplicaciones que desarrolladas en esta obra), un proyecto en el que el autor de esta Tesis ha trabajado como Project Manager. En el proyecto participa un consorcio de empresas y la UPM, y tiene como objetivo trasladar a la realidad gran parte de los planteamientos e ideas presentadas en esta Tesis. Este proyecto incluye el desarrollo de la infraestructura física y de servicios que permitirán, entre otras cosas, implementar en infraestructuras complejas una plataforma que posibilita la evacuación dinámica y un control ubicuo de los sistemas de monitorización y actuación implementados. En estos momentos se está finalizando el proyecto, cuyo objetivo final es la implementación de un piloto en un Hospital. También destacamos los siguientes avances a nivel de difusión científico-tecnológico: • Ponencia en el “52 congreso de la Ingeniería Naval en España” presentando un artículo “e-Flow- Sistema integral inteligente de soporte a la evacuación”. En este artículo se trata tanto el proyecto e-Flow del que soy Project Manager, como esta Tesis Doctoral, al ser temas estrechamente vinculados. En 2014 se publicó en dos números de la Revista Ingeniería Naval el artículo presentado a estas jornadas. • Co-autor en el artículo “E-Flow: A communication system for user notification in dynamic evacuation scenarios” presentado en el 7th International Conference on Ubicuous Computing & Ambient Intelligence (UCAMI) celebrado en Costa Rica. Por último, una de las aportaciones más interesantes, es la definición de un gran número de líneas de investigación futuras en base a todos los avances realizados en esta Tesis. ABSTRACT With this Thesis a new approach for understanding evacuation process is considered, taking advantage of the existing and open technologies that will allow this process to be interpreted as a dynamic entity. The methodology involves not only tools that allows on.-time evacuation plans, but also creates a physical insfrastructure that makes possible to feed the system with information on real time so, considering in each moment the real situation as well as the specific emergency development it will be feasible to generate alternative plans that responds to the current emergency situation. In this respect, the system will store all this information and will feedback with solutions that will help the decision making along the evacuation process. The innovative and singular contributions of this Thesis are numerous and rich, summarised as follows: 1.- Complete state-of-art study: a. Detection and analysis of different projects on an international level that, although partially, deal with some aspects developed in this Thesis. b. Thorough study at a international level of the developed software - total or partially done - for the simulation of the human behaviour and evacuation processes analysis. A database has been generated that classifies in detail these applications allowing to perform a full analysis and leading to future evolution of its contents. Within the Thesis work, almost a hundred of developments have been analysed but the purpose is to keep up updating this database due to the broad applications and possibilities that it involves. 2. Development of an important chapter that studies the possibility of using virtual scenarios as mid-term alternative for the use of simulations. This section is divided in two blocks: a. Trials in virtual and real scenarios b. Trials in virutal scenarios (trials performed with several ones). 3. E-Flow net design development: Set of tools developed under Rhinoceros for the evacuation net design based on the elements defined in the Thesis: Nodes, Paths, Relations, Areas 4. E-Flow simulator development: Set of tools that uses Rhinoceros as a 3D simulator of human behaviour. This simulator, of my own design, includes a new and original algorithm of human behaviour that involves aspects that are not found in other simulators. This tool allows to perform groups programmed simulations which behaviour is based on their enviroment analysis and presence of dynamic references. It includes other important innovations as for example: tools for signals analysis, dynamic signal elements, easy obstacle adding etc... More over, a tool that allows the own scenario movement implementation has been created by simulating the own oscillation movement, with the purpose of playing the vessel movement's influences in the individuals' displacements. 5. In an advanced stage of the development, the possibility of generating a video recording of all the simulation was also integrated, then from that moment all tests have been filed (and keep on doing so) in a database that collects all simulation characteristics, failures detected, etc. These stored tests amounts to a total of 81 GB at the moment of finishing the Thesis work. Generation and analysis of paths regarding the evacuation net created with E-Flow design and the simulations performed with E-Flow net Simulator. a. Analysis for the optimisation of the network configuration based in the existing nodes per area. b. Definition of the processes previous to the calculation of the feasible paths c. Paths calculation: i. Analysis of the different algorithms on existance nowadays for the routes optimisation. ii. Development of a new family of algorithms that I have called “Minimum Decision Algorithm (MDA)”, being composed of: 1. MDA basic 2. MDA minimum 3. MDA of not spacial interference 4. MDA of expansion (es de extenderse) o enlargement ( es de crecimiento) 5. MDA of organised expansion for a single origin (of organised enlargement for a single origin) 6. MDA of organised expansion (of organised enlargement) iii. All these algorithms have been implemented in the E-Flow application created in the Thesis dfor the routes analysis and it is the core of the Captain's support system. d. Determination of the alternatives for the evacuation plan. After defining all possible paths, different processes of analysis existing for weighing-based criteria are described, thus to end defining the own development method proposed in this Thesis and that aims to respond in an agreggation of possible routes basis obtained by means of the MDA algorithms what is the routes' combination more suitable for the Plan or Plans in every situation. The methodology created fot the selection of the combinations of routes that determine a complete Plan is baesd in four basic criteria that after applying, offer the best alternatives. In this stage a complex analysis of the progress along time is also included, that adds original and innovative defintions and formulations. e. Originated from the methodology created in this Thesis for the perfoming of the analysy of the progress along time, a new mathematic theorem has been defined, that has been called as "Family of quadrilateral of constant area". 7. Specification of the physiscal infrastructure of the Captain's help system: essential part is this physical infrastructure that will support it. This system will be made of sensors, actuators, apps for mobile devices etc... Within this chapter the different elements and technologies that make up this infrastructure will be studied. 8. Specification for the services infrastructure. 9. Start up of the Blog. " Virtual Environments (http://epcinnova-virtualenvironments.blogspot.com.es/)" in which all tests performed have been published in terms of analysis of the virtual enviroments as alternative to the simulators as well as to the laboratory experiments or simulations, including in most of the cases the possibility that the visitor can perform the simulation within the virtual enviroment. This blog also includes other sections that have been worked along and within this Thesis: - Collection of different virtual scenarios existent. - Schema that gathers information concerning accidents for maritime and terrestrial areas (under development) - Schema proposed for the collecting of information obtained from a simulation. 10. This Thesis is the basis of the E-Flow project (name of one of the applications developed in this work), a project in which the Thesis' author has worked in as Project Manager. In the project takes part a consortium of firms as well as the UPM and the aim is to bring to real life most part of the approaches and ideas contained in this Thesis. This project includes the development of the physical infrastructure as well as the services that will allow, among others, implement in complex infrastrucutres a platform that will make possible a dynamic evacuation and a continuous control of the monitoring and acting systems implemented. At the moment the project is getting to an end which goal is the implementation of a pilot project in a Hospital. We also would like to highlight the following advances concerning the scientific-technology divulgation: • Talk in the " 52th Congress of the Naval Engineering in Spain" with the article "E-Flow . Intelligent system integrated for supporting evacuation". This paper is about project E-Flow which I am Project Manager of, as well as this Thesis for the Doctorate, being both closely related. Two papers published In 2014 in the Naval Engineering Magazine. • Co-author in the article “E-Flow: A communication system for user notification in dynamic evacuation scenarios” [17] introduced in the 7th International Conference on Ubicuous Computing & Ambient Intelligence (UCAMI) held in Costa Rica. Last, but not least, one of the more interesting contributions is the defintion of several lines of research in the future, based on the advances made in this Thesis.

Efectos de generación y optimización de librerías de secciones eficaces en el análisis de transitorios en reactores PWR

Los análisis de los transitorios y situaciones accidentales de los reactores de agua ligera requieren el uso de simuladores y códigos a nivel de núcleo completo con modelos de cinética 3D. Normalmente estos códigos utilizan como datos de entrada librerías de secciones eficaces compiladas en tablas multidimensionales. En este caso, los errores de interpolación, originados a la hora de computar los valores de las secciones eficaces a partir de los puntos de la tabla, son una fuente de incertidumbre en el cálculo del parámetro k-efectiva y deben de tenerse en cuenta. Estos errores dependen de la estructura de la malla de puntos que cubre el dominio de variación de cada una de las variables termo-hidráulicas en las que se tabula la librería de secciones eficaces, y pueden ser minimizados con la elección de una malla adecuada, a diferencia de los errores debidos a los datos nucleares. En esta ponencia se evalúa el impacto que tiene una determinada malla sobre un transitorio en un reactor PWR consistente en la expulsión de una barra de control. Para ello se han usado los códigos neutrónico y termo-hidráulico acoplados COBAYA3/COBRA-TF. Con este objetivo se ha escogido el OECD/NEA PWR MOX/UO2 rod ejection transient benchmark ya que proporciona unas composiciones isotópicas y unas configuraciones geométricas definidas que permiten el empleo de códigos lattice para generar librerías propias. El código de transporte utilizado para ello ha sido el código APOLLO2.8. Así mismo, ya que se proporcionaba también una librería como parte de las especificaciones, los efectos debidos a la generación de éstas sobre la respuesta del transitorio son analizados. Los resultados muestran grandes discrepancias al emplear la librería del benchmark o las librerías propias comparándolas con las soluciones de otros participantes. El origen de estas discrepancias se halla en las secciones eficaces nodales proporcionadas en el benchmark.

Diseño e implementación de un módulo de crecimiento bacteriano dependiente de nutrientes en el simulador GRO

Hace no más de una década que empezó a escucharse el término biología sintética. Este área de estudio emergente consiste en la ingeniería y programación de sistemas biológicos, tratando la biología como una tecnología programable a la que aplican los principios y metodologías de la ingeniería, con el fin de crear nuevas funcionalidades genéticas desde cero, procurando asÍ algún beneficio como por ejemplo, programar células bacterianas para producir biocombustibles. Sin embargo, para la creación de dichas funcionalidades es necesario conocer bien al organismo sobre el que se van a implantar. Por este motivo, los biólogos sintéticos emplean bacterias en sus estudios, ya que es la forma de vida más simple, está presente en prácticamente todos los nichos ecológicos, desempeña algunas de las funcionalidades vitales para los humanos y lo mas importante, se conoce prácticamente todo su material genético. Los experimentos son costosos en tiempo y dinero, siendo necesaria la ayuda de herramientas que faciliten esta labor, los simuladores. En PLASWIRES, proyecto europeo de biología sintética en el que se engloba este este trabajo, el simulador empleado es GRO. Sin embargo, en GRO el crecimiento de las bacterias ocurre de forma exponencial y sin restricciones, generando comportamientos poco realistas. Por ello, se ha considerado relevante en biología sintética, y en el simulador GRO en particular, disponer de un modelo de crecimiento bacteriano dependiente de los nutrientes. El desarrollo de este trabajo se centra en la implementación de un módulo de consumo de nutrientes en colonias de bacterias simuladas con GRO, introduciendo así la limitación de nutrientes y evitanto que las bacterias crezcan exponencialmente. Se han introducido nutrientes en el medio y la capacidad de consumirlos, con el objetivo de obtener un crecimiento ajustado al que ocurre en la naturaleza. Además, se ha desarrollado en GRO una nueva función de adquisición de volumen, que condiciona el volumen adquirido por cada bacteria en función de los nutrientes. La implentación de las dos aportaciones presentadas ha supuesto la adición de funcionalidad extra a GRO, convirtiéndolo en el único simulador de bacterias que tiene en cuenta el crecimiento bacteriano dependiente de nutrientes.---ABSTRACT---It has been in this last decade that the synthetic biology term began to be heard. This emergent area of study consists in the engineering and programming of biological systems, dealing with biology as a programable technology in which the engineering principles and methodologies are applied in order to create novel genetic functinalities from scratch, obtaining some advatages such as programmed bacteria in order to produce biofuels. However, to create this functionalities, it is necessary to know well the organisms in which they are going to be implemented. For this reason, synthetic biology researchers use bacteria, because it is the simplest life form, it can be found in almost all the ecological niche, it does some vital function to humans and, most important, almost all of its genetic information is known. Experiments are expensive in time and money, making it necessary to use tools to ease this task: the simulators. In PLASWIRES, the european synthetic biology project in which this work is included, the simulator used is GRO. However, the bacterial growth in GRO is exponential and it does not have restrictions, generating unrealistic behaviours. Therefore, it has been considered relevant in synthetic biology, and in a particular way in GRO, to provide a bacterial growth model dependent on nutrient. This work focuses on the implementation of a nutrient consumption module in bacteria colonies simulated with GRO, introducing a nuntrient limitation and avoiding the bacteria exponential growth. The module introduces nutrients and the capacity for bacteria to consume them, aiming to obtain realistic growth simulations that fit the observations made in nature. Moreover, an adquisition volumen function has been developed in GRO, determining the volumen depending on nutrients. This two contributions make GRO the only bacteria simulator that computes growth depending on nutrients

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.