Tratamiento del señal por computador: detección de fallos mecánicos mediante análisis espectral

En aquest projecte s'ha investigat i desenvolupat una eina per a la detecció de falles mecàniques en entorns controlats. Aquest programa analitza l'espectre dels senyals acústics aconseguits mitjançant el micròfon del PC i n'estudia estadísticament les propietats –mitjana i desviació estàndard- per tal de poder diferenciar els nous senyals que capturi. S'ha experimentat amb el cas real d'un motor de corrent continu i s'han obtingut resultats de més del 90% d'encert a l'hora de detectar el seu estat.

Detección de regiones de interés visual mediante Análisis Espectral Local de la imagen.

Resúmen basado en el del autor. Resúmen en castellano y en inglés

Análisis espectral de señales cardiacas mediante frecuencia dominante

La Ingeniería Biomédica surgió en la década de 1950 como una fascinante mezcla interdisciplinaria, en la cual la ingeniería, la biología y la medicina aunaban esfuerzos para analizar y comprender distintas enfermedades. Las señales existentes en este área deben ser analizadas e interpretadas, más allá de las capacidades limitadas de la simple vista y la experiencia humana. Aquí es donde el procesamiento digital de la señal se postula como una herramienta indispensable para extraer la información relevante oculta en dichas señales. La electrocardiografía fue una de las primeras áreas en las que se aplicó el procesado digital de señales hace más de 50 años. Las señales electrocardiográficas continúan siendo, a día de hoy, objeto de estudio por parte de cardiólogos e ingenieros. En esta área, las técnicas de procesamiento de señal han ayudado a encontrar información oculta a simple vista que ha cambiado la forma de tratar ciertas enfermedades que fueron ya diagnosticadas previamente. Desde entonces, se han desarrollado numerosas técnicas de procesado de señales electrocardiográficas, pudiéndose resumir estas en tres grandes categorías: análisis tiempo-frecuencia, análisis de organización espacio-temporal y separación de la actividad atrial del ruido y las interferencias. Este proyecto se enmarca dentro de la primera categoría, análisis tiempo-frecuencia, y en concreto dentro de lo que se conoce como análisis de frecuencia dominante, la cual se va a aplicar al análisis de señales de fibrilación auricular. El proyecto incluye una parte teórica de análisis y desarrollo de algoritmos de procesado de señal, y una parte práctica, de programación y simulación con Matlab. Matlab es una de las herramientas fundamentales para el procesamiento digital de señales por ordenador, la cual presenta importantes funciones y utilidades para el desarrollo de proyectos en este campo. Por ello, se ha elegido dicho software como herramienta para la implementación del proyecto. ABSTRACT. Biomedical Engineering emerged in the 1950s as a fascinating interdisciplinary blend, in which engineering, biology and medicine pooled efforts to analyze and understand different diseases. Existing signals in this area should be analyzed and interpreted, beyond the limited capabilities of the naked eye and the human experience. This is where the digital signal processing is postulated as an indispensable tool to extract the relevant information hidden in these signals. Electrocardiography was one of the first areas where digital signal processing was applied over 50 years ago. Electrocardiographic signals remain, even today, the subject of close study by cardiologists and engineers. In this area, signal processing techniques have helped to find hidden information that has changed the way of treating certain diseases that were already previously diagnosed. Since then, numerous techniques have been developed for processing electrocardiographic signals. These methods can be summarized into three categories: time-frequency analysis, analysis of spatio-temporal organization and separation of atrial activity from noise and interferences. This project belongs to the first category, time-frequency analysis, and specifically to what is known as dominant frequency analysis, which is one of the fundamental tools applied in the analysis of atrial fibrillation signals. The project includes a theoretical part, related to the analysis and development of signal processing algorithms, and a practical part, related to programming and simulation using Matlab. Matlab is one of the fundamental tools for digital signal processing, presenting significant functions and advantages for the development of projects in this field. Therefore, we have chosen this software as a tool for project implementation.

ANÁLISIS ESPECTRAL: CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y APLICABILIDAD

El trabajo presenta una descripción de las principales características de la técnica de análisis espectral, sus ventajas y desventajas. Este método es utilizado para realizar descomposiciones de una serie en la totalidad de sus componentes cíclicos. El objetivo del trabajo es introducir al lector esta herramienta para que pueda aplicarla en aquellos estudios en donde esta técnica sea adecuada. Además incluye a manera de ejemplo, una aplicación, en donde se realiza un modelo de pronóstico de corto plazo de la Emisión Monetaria.

Desarrollo y construcción de banco de ensayos didáctico para análisis preventivo de fallos en rodamientos y engranajes.

Realizado en la Escuela Politécnica Superior, por 4 profesores del centro, para las asignaturas de Teoría de Mecanismos de Ingeniería Mecánica, Mantenimiento de Equipos Mecánicos de Ingeniería Electrónica y Mantenimiento Industrial de Ingeniería en Organización Industrial. Los objetivos: 1. Contrastar de forma práctica los conocimientos teóricos; 2. Comprender el mecanismo del fallo de los rodamientos; 3. Comprender el mecanismo del fallo en los engranajes; 4. Realizar prácticas de mantenimiento predictivo con el empleo del análisis espectral de vibraciones. Se elabora un banco didáctico que consta de una jaula exterior transparente y móvil que hace de bastidor y contiene en su interior los elementos manipulables para las prácticas, y un armario eléctrico con caja de mandos para el control y manejo del equipo. El resultado del proyecto es satisfactorio ya que ayuda a comprender a los alumnos, a través de la experimentación, el mantenimiento predictivo de averías de sistemas mecánicos que dispongan de engranajes, rodamientos, o ambos.

Vigilancia por análisis de ruido de los sensores de temperatura

En este proyecto se van a aplicar las técnicas de análisis de ruido para caracterizar la respuesta dinámica de varios sensores de temperatura, tanto termorresistencias de platino como de termopares. Estos sensores son imprescindibles para él correcto funcionamiento de las centrales nucleares y requieren vigilancia para garantizar la exactitud de las medidas. Las técnicas de análisis de ruido son técnicas pasivas, es decir, no afectan a la operación de la planta y permiten realizar una vigilancia in situ de los sensores. Para el caso de los sensores de temperatura, dado que se pueden asimilar a sistemas de primer orden, el parámetro fundamental a vigilar es el tiempo de respuesta. Éste puede obtenerse para cada una de las sondas por medio de técnicas en el dominio de la frecuencia (análisis espectral) o por medio de técnicas en el dominio del tiempo (modelos autorregresivos). Además de la estimación del tiempo de respuesta, se realizará una caracterización estadística de las sondas. El objetivo es conocer el comportamiento de los sensores y vigilarlos de manera que se puedan diagnosticar las averías aunque éstas estén en una etapa incipiente. ABSTRACT In this project we use noise analysis technique to study the dynamic response of RTDs (Resistant temperature detectors) and thermocouples. These sensors are essential for the proper functioning of nuclear power plants and therefore need to be monitored to guarantee accurate measurements. The noise analysis techniques do not affect plant operation and allow in situ monitoring of the sensors. Temperature sensors are equivalent to first order systems. In these systems the main parameter to monitor is the response time which can be obtained by means of techniques in the frequency domain (spectral analysis) as well as time domain (autoregressive models). Besides response time estimation the project will also include a statistical study of the probes. The goal is to understand the behavior of the sensors and monitor them in order to detect any anomalies or malfunctions even if they occur in an early stage.

Dinámica estructural

Las actividades propuestas para el presente proyecto incluyen la realización de tareas experimentales y de modelación numérica de estructuras con los siguientes objetivos generales: ii. Evaluar la validez de los modelos numéricos de sistemas estructurales complejos, a la luz del comportamiento medido de los mismos en escala natural bajo condiciones de carga operativas y de ensayos. ii. Desarrollar técnicas de interpretación de ensayos a los efectos de identificación de parámetros estructurales tales como rigidez y amortiguamiento y de detección de daños. Para alcanzar estos objetivos generales se han previsto estudios de importantes estructuras en escala natural, que por su escala e importancia en la infraestructura del país merecen especial atención: el edificio de Central Nuclear de Atucha. (...) Se aspira a que las conclusiones de los estudios a realizar sean de utilidad para diseñar y reparar otras estructuras de la infraestructura del medio. Entre los objetivos específicos del proyecto se incluyen: 1. Aplicar la técnica de Análisis Espectral de Ondas Superficiales para identificar las propiedades dinámicas de los estratos de suelo en el emplazamiento de la central nuclear de Atucha II y su uso para modelación analítica de los ensayos de impacto realizados. 2. Identificación de propiedades mecánicas de la estructura de puentes atirantados a través del registro y análisis de vibraciones ambientales, con el objeto de proveer información objetiva para la toma de decisiones en la reparación de la misma. (...) 3. Corroborar con ensayos de estructuras en escala natural la utilidad del ensayo dinámico impulsivo para determinar la rigidez estática de una estructura.

¿Son excesivamente suaves las series de contabilidad nacional trimestral?

Este trabajo analiza si las series de Contabilidad Nacional Trimestral de España son excesivamente suaves y, por lo tanto, si son realmente informativas de la evolución de la economía española a corto plazo. Mediante la utilización de las técnicas de análisis espectral se observa que las series trimestrales españolas presentan una variabilidad mayor que las de otros países de la OCDE en el intervalo de frecuencias más bajas (asociadas al comportamiento de la serie a largo plazo ) y una variabilidad menor en el intervalo de frecuencias más altas (asociadas al ruido que contiene la serie). El motivo de este comportamiento diferencial de las series trimestrales españolas se encuentra en el método utilizado por el Instituto Nacional de Estadística por estimar la señal ciclo-tendencia de los indicadores utilizados como referencia, concretamente, el conocido como filtro de líneas aéreas modificado (LAM)

¿Son excesivamente suaves las series de contabilidad nacional trimestral?

Este trabajo analiza si las series de Contabilidad Nacional Trimestral de España son excesivamente suaves y, por lo tanto, si son realmente informativas de la evolución de la economía española a corto plazo. Mediante la utilización de las técnicas de análisis espectral se observa que las series trimestrales españolas presentan una variabilidad mayor que las de otros países de la OCDE en el intervalo de frecuencias más bajas (asociadas al comportamiento de la serie a largo plazo ) y una variabilidad menor en el intervalo de frecuencias más altas (asociadas al ruido que contiene la serie). El motivo de este comportamiento diferencial de las series trimestrales españolas se encuentra en el método utilizado por el Instituto Nacional de Estadística por estimar la señal ciclo-tendencia de los indicadores utilizados como referencia, concretamente, el conocido como filtro de líneas aéreas modificado (LAM)

Los ciclos largos en economía

Se analiza el problema de los ciclos largos en economía, planteando las distintas posturas actuales y aplicando técnicas de análisis espectral a una serie de datos correspondientes al PIB per cápita mundial en dólares internacionales Geary-Khamis de 1990.

Empleo de biomarcadores para la reconstrucción paleoclimática. El registro pleistoceno del Mar de Fuentillejo (Ciudad Real)

El registro sedimentario del lago volcánico conocido como maar de Fuentillejo (Centro de España) ofrece la oportunidad de determinar la evolución paleoambiental durante el Pleistoceno medio y superior de la parte Centro-Sur de la Península Ibérica, objetivo principal de esta Tesis Doctoral. Se ha recopilado información sobre otras reconstrucciones paleoambientales en maares de todo el mundo y estudios paleoclimáticos realizados en el registro de la turbera de Padul, relativamente próxima al maar de Fuentillejo. Con ello, se pudo realizar el estado del arte.A lo largo del sondeo continuo (142,25 m) perforado en la parte central del maar de Fuentillejo en el año 2002, se han tomando un total de 613 muestras a intervalos de 20 cm para el análisis de biomarcadores. Los biomarcadores se obtuvieron mediante un equipo de extracción acelerada de disolventes (Dionex ASE 200) y fueron analizados con un cromatógrafo de gases (HP 6890) con detector selectivo de masas (HP 5973). La datación de sedimentos del maar de Fuentillejo ha sido complicada debido a la ausencia de restos orgánicos terrestres. Se seleccionaron seis muestras de sedimento para intentar datar por el método de racemización de aminoácidos: los resultados obtenidos no fueron buenos. Finalmente, el modelo de edad-profundidad se ha llevado a cabo mediante paleomagnetismo, dataciones 14C y U/Th. En base a una interpolación lineal de las edades medias calibradas se ha datado la base del registro en aproximadamente 355 ka. Se han identificado y cuantificado los n-alcanos, n-metil cetonas, ácidos n- alcanoicos y azufre orgánico del sedimento a lo largo del registro. La interpretación de los diferentes índices establecidos a partir de éstos permite independizar tres Unidades Geoquímicas generales (UG) y nueve Subunidades (S) que definen condiciones paleoambientales distintas (predominio en el aporte de vegetación terrestre/de macrofitas/acuática, lámina de agua más alta vs. más baja, periodos más húmedos vs. más secos).A partir de análisis estadísticos de los índices de n-alcanos (matriz de correlación y análisis de agrupaciones) se han definido tres asociaciones: Grupo 1 (condiciones ambientales más húmedas y fase con lámina de agua elevada), Grupo 2 (con condiciones intermedias) y Grupo 3 (las fases más secas y con lámina de agua más baja). Además, se establece un Indicador Paleoambiental (I.P.) que muestra variaciones notables correlacionables con escenarios paleoambientales distintos (más húmedos vs. más secos) distinguiendo veintiséis Episodios (E): cinco Secos, nueve Húmedos y doce Intermedios.En general, se encuentra una buena correspondencia entre estos Episodios (E) y los eventos paleoclimáticos cortos descritos por Vegas et al. (2010) en este registro, en base a la palinología y geoquímica, así como los Episodios del Oxígeno Marino (MIS) y Eventos Heinrich, que permiten suponer que las oscilaciones paleoclimatológicas registradas en el maar tienen un origen global. Esta correspondencia se confirma por el análisis espectral, que revela que los ciclos interpretados (103, 41, 26 y 23 ka) evidencian influencia orbital. Además, se ha realizado una correlación tentativa entre los episodios paleoambientales de larga duración obtenidos a partir del perfil suavizado del porcentaje relativo de C27 de la Cuenca de Padul (Granada, Sur de la Península Ibérica) y el perfil I.P. suavizado del maar de Fuentillejo, aunque hay diferencias que podrían ser explicadas por la vecindad de Padul a la zona de nieves perpetuas de Sierra Nevada lo que origina marcadas diferencias hidrológicas entre ambos sitios. El análisis por cadenas de Markov ha permitido determinar que los cambios paleoambientales reflejados por los biomarcadores no fueron, en la mayoría de los casos, bruscos pasando, normalmente, por estados transicionales.

Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.