Assessing deviations to the ΛCDM model: the importance of model-independent approaches

The remarkable improvement of the accuracy of cosmological data in the last years has provided tight constraints on the parameters of the ΛCDM model. For example, gravitational-wave events have confirmed that the speed of gravity is very close to the speed of light. This result has ruled out several modified gravity models. The remaining allowed models are nearly indistinguishable from the standard ΛCDM in data comparison. One approach to discriminate models is to use estimators built for that purpose, as, for example, a model-independent determination of the anisotropic-stress parameter. From this estimator, one can infer if the perfect fluid approximation done in General Relativity is valid, testing any theory that includes this approximation. In this dissertation, we use the latest available data from several cosmological probes and three different methods to reconstruct the anisotropic stress parameter in a model-independent way. Our conclusions depend mildly on the data reconstruction method but agree at the 2σ level. The resulting anisotropic stress may rule out standard gravity within a 1-2σ level depending on the method or redshift. An important question is how the amount of information in the data can be measured. Ideally, we would like to quantify the degree of belief in ΛCDM. In this dissertation, we tackle these questions by using information theory. We compute the entropy of model parameters for specific cosmological probes. We compare this approach with the widely-used Fisher matrix, typically computed when forecasting future large-scale structure surveys. The uncertainties on each parameter are obtained and thus the quality of the data is usually associated with certain properties of the Fisher matrix. Information entropies can also measure how different combinations of cosmological probes constrain the parameters of a model. The same procedure is applied to the recently found data tensions, and it can be used in case of model comparison. Information entropies can be extremely useful due to its analytical expressions if a Gaussian distribution is assumed but a generalization to any distribution is possible. The main message of this dissertation is that new ways of testing gravity are needed, specifically with the decreasing uncertainty in cosmological datasets and the appearance of discrepancies between datasets. We need to better discriminate competing theories. This can be done through estimators that should not rely on a specific scenario. Another possibility is to find a different perspective on statistical inference, which is particularly useful in order to re-evaluate the assumptions done in data reduction

Nicole Oresme sobre los movimientos de los Lanzadores de Jabalina: una lectura peripatética del de Configurationibus II, 37

In this contribution, I analyze a text by Oresme which gives a rather original explanation of the process of throwing a javelin and, more generally, of the actions of people who seem to have a kind ofnatural ability to succeed in their actions (De Configurationibus II, 37). In highlighting some sources that appear to have been present on the author’s mind although they were hitherto neglected in Oresmian studies, I would like to show that his presentation of this specific kind of motion is deeply rooted in the scholastic theological tradition and that this tradition makes this chapter seem much less strange andmuch more coherent than it might seem at first glance.En esta contribución analizo un texto de Oresme que ofrece una explicación singular del proceso de lanzamiento de una jabalina y, más en general, de las acciones de personas que parecen poseer una especie de habilidad natural para tener éxito en sus acciones (De configurationibus II, 37). Poniendo de relieve algunas fuentes que parecen haber estado presentes en la mente del autor pero que hasta ahora han sido ignoradas en los estudios oresmianos, quisiera mostrar que la presentación de este tipo específico de movimiento está profundamente arraigada en la tradición teológica escolástica. Visto a la luz de esta tradición de ideas, el capítulo en cuestión resulta mucho menos extraño y mucho más coherente de lo que pueda parecer a primera vista

Physical database design in document stores

Tesi en modalitat de cotutela, Universitat Politècnica de Catalunya i Université libre de BruxellesNoSQL is an umbrella term used to classify alternate storage systems to the traditional Relational Database Management Systems (RDBMSs). Among these, Document stores have gained popularity mainly due to the semi-structured data storage model and the rich query capabilities. They encourage users to use a data-first approach as opposed to a design-first one. Database design on document stores is mainly carried out in a trial-and-error or ad-hoc rule-based manner instead of a formal process such as normalization in an RDBMS. However, these approaches could easily lead to a non-optimal design resulting additional costs in the long run. This PhD thesis aims to provide a novel multi-criteria-based approach to database design in document stores. Most of such existing approaches are based on optimizing query performance. However, other factors include storage requirement and complexity of the stored documents specific to each use case. There is a large solution space of alternative designs due to the different combinations of referencing and nesting of data. Thus, we believe multi-criteria optimization is ideal to solve this problem. To achieve this, we need to address several issues that will enable us to apply multi-criteria optimization for the data design problem. First, we evaluate the impact of alternate storage representations of semi-structured data. There are multiple and equivalent ways to physically represent semi-structured data, but there is a lack of evidence about the potential impact on space and query performance. Thus, we embark on the task of quantifying that precisely for document stores. We empirically compare multiple ways of representing semi-structured data, allowing us to derive a set of guidelines for efficient physical database design considering both JSON and relational options in the same palette. Then, we need a formal canonical model that can represent alternative designs. We propose a hypergraph-based approach for representing heterogeneous datastore designs. We extend and formalize an existing common programming interface to NoSQL systems as hypergraphs. We define design constraints and query transformation rules for representative data store types. Next, we propose a simple query rewriting algorithm and provide a prototype implementation together with storage statistics estimator. Next, we require a formal query cost model to estimate and evaluate query performance on alternative document store designs. Document stores use primitive approaches to query processing, such as relying on the end-user to specify the usage of indexes instead of a formal cost model. But we require a reliable approach to compare alternative designs on how they perform on a specific query. For this, we define a generic storage and query cost model based on disk access and memory allocation. As all document stores carry out data operations in memory, we first estimate the memory usage by considering the characteristics of the stored documents, their access patterns, and memory management algorithms. Then, using this estimation and metadata storage size, we introduce a cost model for random access queries. We validate our work on two well-known document store implementations. The results show that the memory usage estimates have an average precision of 91% and predicted costs are highly correlated to the actual execution times. During this work, we also managed to suggest several improvements to document stores. Finally, we implement the automated database design solution using multi-criteria optimization. We introduce an algebra of transformations that can systematically modify a design of our canonical representation. Then, using them, we implement a local search algorithm driven by a loss function that can propose near-optimal designs with high probability. We compare our prototype against an existing document store data design solution. Our proposed designs have better performance and are more compact with less redundancy.NoSQL descriu sistemes d'emmagatzematge alternatius als tradicionals de gestió de bases de dades relacionals (RDBMS). Entre aquests, els magatzems de documents han guanyat popularitat principalment a causa del model de dades semiestructurat i les riques capacitats de consulta. Animen els usuaris a utilitzar un enfocament de dades primer, en lloc d'un enfocament de disseny primer. El disseny de dades en magatzems de documents es porta a terme principalment en forma d'assaig-error o basat en regles ad-hoc en lloc d'un procés formal i sistemàtic com ara la normalització en un RDBMS. Aquest enfocament condueix fàcilment a un disseny no òptim que generarà costos addicionals a llarg termini. La majoria dels enfocaments existents es basen en l'optimització del rendiment de les consultes. Aquesta tesi pretén, en canvi, proporcionar un nou enfocament basat en diversos criteris per al disseny de bases de dades en magatzems de documents, inclouen el requisit d'espai i la complexitat dels documents emmagatzemats específics per a cada cas d'ús. En general, hi ha un gran espai de solucions de dissenys alternatives. Per tant, creiem que l'optimització multicriteri és ideal per resoldre aquest problema. Per aconseguir-ho, hem d'abordar diversos problemes que ens permetran aplicar l'optimització multicriteri. En primer, avaluem l'impacte de les representacions alternatives de dades semiestructurades. Hi ha maneres múltiples i equivalents de representar dades semiestructurades, però hi ha una manca d'evidència sobre l'impacte potencial en l'espai i el rendiment de les consultes. Així, ens embarquem en la tasca de quantificar-ho. Comparem empíricament múltiples representacions de dades semiestructurades, cosa que ens permet derivar directrius per a un disseny eficient tenint en compte les opcions dels JSON i relacionals alhora. Aleshores, necessitem un model canònic que pugui representar dissenys alternatius i proposem un enfocament basat en hipergrafs. Estenem i formalitzem una interfície de programació comuna existent als sistemes NoSQL com a hipergrafs. Definim restriccions de disseny i regles de transformació de consultes per a tipus de magatzem de dades representatius. A continuació, proposem un algorisme de reescriptura de consultes senzill i proporcionem una implementació juntament amb un estimador d'estadístiques d'emmagatzematge. Els magatzems de documents utilitzen enfocaments primitius per al processament de consultes, com ara confiar en l'usuari final per especificar l'ús d'índexs en lloc d'un model de cost. Conseqüentment, necessitem un model de cost de consulta per estimar i avaluar el rendiment en dissenys alternatius. Per això, definim un model genèric propi basat en l'accés a disc i l'assignació de memòria. Com que tots els magatzems de documents duen a terme operacions de dades a memòria, primer estimem l'ús de la memòria tenint en compte les característiques dels documents emmagatzemats, els seus patrons d'accés i els algorismes de gestió de memòria. A continuació, utilitzant aquesta estimació i la mida d'emmagatzematge de metadades, introduïm un model de costos per a consultes d'accés aleatori. Validem el nostre treball en dues implementacions conegudes. Els resultats mostren que les estimacions d'ús de memòria tenen una precisió mitjana del 91% i els costos previstos estan altament correlacionats amb els temps d'execució reals. Finalment, implementem la solució de disseny automatitzat de bases de dades mitjançant l'optimització multicriteri. Introduïm una àlgebra de transformacions que pot modificar sistemàticament un disseny en la nostra representació canònica. A continuació, utilitzant-la, implementem un algorisme de cerca local impulsat per una funció de pèrdua que pot proposar dissenys gairebé òptims amb alta probabilitat. Comparem el nostre prototip amb una solució de disseny de dades de magatzem de documents existent. Els nostres dissenys proposats tenen un millor rendiment i són més compactes, amb menys redundànciaNoSQL est un terme générique utilisé pour classer les systèmes de stockage alternatifs aux systèmes de gestion de bases de données relationnelles (SGBDR) traditionnels. Au moment de la rédaction de cet article, il existe plus de 200 systèmes NoSQL disponibles qui peuvent être classés en quatre catégories principales sur le modèle de stockage de données : magasins de valeurs-clés, magasins de documents, magasins de familles de colonnes et magasins de graphiques. Les magasins de documents ont gagné en popularité principalement en raison du modèle de stockage de données semi-structuré et des capacités de requêtes riches par rapport aux autres systèmes NoSQL, ce qui en fait un candidat idéal pour le prototypage rapide. Les magasins de documents encouragent les utilisateurs à utiliser une approche axée sur les données plutôt que sur la conception. La conception de bases de données sur les magasins de documents est principalement effectuée par essais et erreurs ou selon des règles ad hoc plutôt que par un processus formel tel que la normalisation dans un SGBDR. Cependant, ces approches pourraient facilement conduire à une conception de base de données non optimale entraînant des coûts supplémentaires de traitement des requêtes, de stockage des données et de refonte. Cette thèse de doctorat vise à fournir une nouvelle approche multicritère de la conception de bases de données dans les magasins de documents. La plupart des approches existantes de conception de bases de données sont basées sur l’optimisation des performances des requêtes. Cependant, d’autres facteurs incluent les exigences de stockage et la complexité des documents stockés spécifique à chaque cas d’utilisation. De plus, il existe un grand espace de solution de conceptions alternatives en raison des différentes combinaisons de référencement et d’imbrication des données. Par conséquent, nous pensons que l’optimisation multicritères est idéale par l’intermédiaire d’une expérience éprouvée dans la résolution de tels problèmes dans divers domaines. Cependant, pour y parvenir, nous devons résoudre plusieurs problèmes qui nous permettront d’appliquer une optimisation multicritère pour le problème de conception de données. Premièrement, nous évaluons l’impact des représentations alternatives de stockage des données semi-structurées. Il existe plusieurs manières équivalentes de représenter physiquement des données semi-structurées, mais il y a un manque de preuves concernant l’impact potentiel sur l’espace et sur les performances des requêtes. Ainsi, nous nous lançons dans la tâche de quantifier cela précisément pour les magasins de documents. Nous comparons empiriquement plusieurs façons de représenter des données semi-structurées, ce qui nous permet de dériver un ensemble de directives pour une conception de base de données physique efficace en tenant compte à la fois des options JSON et relationnelles dans la même palette. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle canonique formel capable de représenter des conceptions alternatives. Dans cette mesure, nous proposons une approche basée sur des hypergraphes pour représenter des conceptions de magasins de données hétérogènes. Prenant une interface de programmation commune existante aux systèmes NoSQL, nous l’étendons et la formalisons sous forme d’hypergraphes. Ensuite, nous définissons les contraintes de conception et les règles de transformation des requêtes pour trois types de magasins de données représentatifs. Ensuite, nous proposons un algorithme de réécriture de requête simple à partir d’un algorithme générique dans un magasin de données sous-jacent spécifique et fournissons une implémentation prototype. De plus, nous introduisons un estimateur de statistiques de stockage sur les magasins de données sous-jacents. Enfin, nous montrons la faisabilité de notre approche sur un cas d’utilisation d’un système polyglotte existant ainsi que son utilité dans les calculs de métadonnées et de chemins de requêtes physiques. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle de coûts de requêtes formel pour estimer et évaluer les performances des requêtes sur des conceptions alternatives de magasin de documents. Les magasins de documents utilisent des approches primitives du traitement des requêtes, telles que l’évaluation de tous les plans de requête possibles pour trouver le plan gagnant et son utilisation dans les requêtes similaires ultérieures, ou l’appui sur l’usager final pour spécifier l’utilisation des index au lieu d’un modèle de coûts formel. Cependant, nous avons besoin d’une approche fiable pour comparer deux conceptions alternatives sur la façon dont elles fonctionnent sur une requête spécifique. Pour cela, nous définissons un modèle de coûts de stockage et de requête générique basé sur l’accès au disque et l’allocation de mémoire qui permet d’estimer l’impact des décisions de conception. Étant donné que tous les magasins de documents effectuent des opérations sur les données en mémoire, nous estimons d’abord l’utilisation de la mémoire en considérant les caractéristiques des documents stockés, leurs modèles d’accès et les algorithmes de gestion de la mémoire. Ensuite, en utilisant cette estimation et la taille de stockage des métadonnées, nous introduisons un modèle de coûts pour les requêtes à accès aléatoire. Il s’agit de la première tenta ive d’une telle approche au meilleur de notre connaissance. Enfin, nous validons notre travail sur deux implémentations de magasin de documents bien connues : MongoDB et Couchbase. Les résultats démontrent que les estimations d’utilisation de la mémoire ont une précision moyenne de 91% et que les coûts prévus sont fortement corrélés aux temps d’exécution réels. Au cours de ce travail, nous avons réussi à proposer plusieurs améliorations aux systèmes de stockage de documents. Ainsi, ce modèle de coûts contribue également à identifier les discordances entre les implémentations de stockage de documents et leurs attentes théoriques. Enfin, nous implémentons la solution de conception automatisée de bases de données en utilisant l’optimisation multicritères. Tout d’abord, nous introduisons une algèbre de transformations qui peut systématiquement modifier une conception de notre représentation canonique. Ensuite, en utilisant ces transformations, nous implémentons un algorithme de recherche locale piloté par une fonction de perte qui peut proposer des conceptions quasi optimales avec une probabilité élevée. Enfin, nous comparons notre prototype à une solution de conception de données de magasin de documents existante uniquement basée sur le coût des requêtes. Nos conceptions proposées ont de meilleures performances et sont plus compactes avec moins de redondancePostprint (published version

Techniques pour l'évaluation et l'amélioration du comportement des technologies émergentes face aux fautes aléatoires

The main objective of this thesis is to develop analysis and mitigation techniques that can be used to face the effects of radiation-induced soft errors - external and internal disturbances produced by radioactive particles, affecting the reliability and safety in operation complex microelectronic circuits. This thesis aims to provide industrial solutions and methodologies for the areas of terrestrial applications requiring ultimate reliability (telecommunications, medical devices, ...) to complement previous work on Soft Errors traditionally oriented aerospace, nuclear and military applications.The work presented uses a decomposition of the error sources, inside the current circuits, to highlight the most important contributors.Single Event Effects in sequential logic cells represent the current target for analysis and improvement efforts in both industry and academia. This thesis presents a state-aware analysis methodology that improves the accuracy of Soft Error Rate data for individual sequential instances based on the circuit and application. Furthermore, the intrinsic imbalance between the SEU susceptibility of different flip-flop states is exploited to implement a low-cost SER improvement strategy.Single Event Transients affecting combinational logic are considerably more difficult to model, simulate and analyze than the closely-related Single Event Upsets. The working environment may cause a myriad of distinctive transient pulses in various cell types that are used in widely different configurations. This thesis presents practical approach to a possible exhaustive Single Event Transient evaluation flow in an industrial setting. The main steps of this process consists in: a) fully characterize the standard cell library using a process and library-aware SER tool, b) evaluate SET effects in the logic networks of the circuit using a variety dynamic (simulation-based) and static (probabilistic) methods and c) compute overall SET figures taking into account the particularities of the implementation of the circuit and its environment.Fault-injection remains the primary method for analyzing the effects of soft errors. This document presents the results of functional analysis of a complex CPU. Three representative benchmarks were considered for this analysis. Accelerated simulation techniques (probabilistic calculations, clustering, parallel simulations) have been proposed and evaluated in order to develop an industrial validation environment, able to take into account very complex circuits. The results obtained allowed the development and evaluation of a hypothetical mitigation scenario that aims to significantly improve the reliability of the circuit at the lowest cost.The results obtained show that the error rate, SDC (Silent Data Corruption) and DUE (Detectable Uncorrectable Errors) can be significantly reduced by hardening a small part of the circuit (Selective mitigation).In addition to the main axis of research, some tangential topics were studied in collaboration with other teams. One of these consisted in the study of a technique for the mitigation of flip-flop soft-errors through an optimization of the Temporal De-Rating (TDR) by selectively inserting delay on the input or output of flip-flops.The Methodologies, the algorithms and the CAD tools proposed and validated as part of the work are intended for industrial use and have been included in a commercial CAD framework that offers a complete solution for assessing the reliability of circuits and complex electronic systems.L'objectif principal de cette thèse est de développer des techniques d'analyse et mitigation capables à contrer les effets des Evènements Singuliers (Single Event Effects) - perturbations externes et internes produites par les particules radioactives, affectant la fiabilité et la sureté en fonctionnement des circuits microélectroniques complexes. Cette thèse à la vocation d'offrir des solutions et méthodologies industrielles pour les domaines d'applications terrestres exigeant une fiabilité ultime (télécommunications, dispositifs médicaux, ...) en complément des travaux précédents sur les Soft Errors, traditionnellement orientés vers les applications aérospatiales, nucléaires et militaires.Les travaux présentés utilisent une décomposition de sources d'erreurs dans les circuits actuels, visant à mettre en évidence les contributeurs les plus importants.Les upsets (SEU) - Evènements Singuliers (ES) dans les cellules logiques séquentielles représentent actuellement la cible principale pour les efforts d'analyse et d'amélioration à la fois dans l'industrie et dans l'académie. Cette thèse présente une méthodologie d'analyse basée sur la prise en compte de la sensibilité de chaque état logique d'une cellule (state-awareness), approche qui améliore considérablement la précision des résultats concernant les taux des évènements pour les instances séquentielles individuelles. En outre, le déséquilibre intrinsèque entre la susceptibilité des différents états des bascules est exploité pour mettre en œuvre une stratégie d'amélioration SER à très faible coût.Les fautes transitoires (SET) affectant la logique combinatoire sont beaucoup plus difficiles à modéliser, à simuler et à analyser que les SEUs. L'environnement radiatif peut provoquer une multitude d'impulsions transitoires dans les divers types de cellules qui sont utilisés en configurations multiples. Cette thèse présente une approche pratique pour l'analyse SET, applicable à des circuits industriels très complexes. Les principales étapes de ce processus consiste à: a) caractériser complètement la bibliothèque de cellules standard, b) évaluer les SET dans les réseaux logiques du circuit en utilisant des méthodes statiques et dynamiques et c) calculer le taux SET global en prenant en compte les particularités de l'implémentation du circuit et de son environnement.L'injection de fautes reste la principale méthode d'analyse pour étudier l'impact des fautes, erreurs et disfonctionnements causés par les évènements singuliers. Ce document présente les résultats d'une analyse fonctionnelle d'un processeur complexe dans la présence des fautes et pour une sélection d'applications (benchmarks) représentatifs. Des techniques d'accélération de la simulation (calculs probabilistes, clustering, simulations parallèles) ont été proposées et évalués afin d'élaborer un environnement de validation industriel, capable à prendre en compte des circuits très complexes. Les résultats obtenus ont permis l'élaboration et l'évaluation d'un hypothétique scénario de mitigation qui vise à améliorer sensiblement, et cela au moindre coût, la fiabilité du circuit sous test. Les résultats obtenus montrent que les taux d'erreur, SDC (Silent Data Corruption) et DUE (Detectable Uncorrectable Errors) peuvent être considérablement réduits par le durcissement d'un petite partie du circuit (protection sélective). D'autres techniques spécifiques ont été également déployées: mitigation du taux de soft-errors des Flip-Flips grâce à une optimisation du Temporal De-Rating par l'insertion sélective de retard sur l'entrée ou la sortie des bascules et biasing du circuit pour privilégier les états moins sensibles.Les méthodologies, algorithmes et outils CAO proposés et validés dans le cadre de ces travaux sont destinés à un usage industriel et ont été valorisés dans le cadre de plateforme CAO commerciale visant à offrir une solution complète pour l'évaluation de la fiabilité des circuits et systèmes électroniques complexes

New non-destructive testing techniques based on mechanical waves: Development and application to damage characterization on non-homogeneus materials

Tesis por compendioEsta tesis doctoral se encuentra desarrollada en los ámbitos de materiales, ensayos no destructivos y procesado de señal. Su propósito es aportar nuevas técnicas no destructivas centrándose tanto en su desarrollo como en su aplicación a sistemas reales. La evaluación de durabilidad y daño en materiales no homogéneos es el eje central de este documento, articulándolo en dos capítulos fundamentales. En primera instancia se evalúa el comportamiento del cemento reforzado con fibra de vidrio bajo esfuerzo de flexión. Múltiples señales ultrasónicas fueron adquiridas en todo el proceso de deformación de los elementos implementando una nueva técnica de adquisición multifrecuencia. En la fase posterior a la adquisición se determinaron parámetros lineales y no lineales de las señales ultrasónicas pulsadas correlacionando dichos parámetros con las curvas tensión - deformación descritas por los elementos ensayados. En el último bloque se expone el análisis de espectroscopía por impacto sobre probetas de mortero dañadas química y térmicamente. Se profundizó sobre el comportamiento dinámico no-lineal e histéretico de los elementos de mortero. El análisis del ablandamiento del módulo dinámico con el incremento de la amplitud de excitación es un tema de gran interés para la evaluación de daño, siendo la técnica actual dependiente de la adquisición de múltiples señales. En este contexto, se propone nueva técnica de procesado de señal capaz de extraer parámetros de esta naturaleza a partir de una única señal.Aquesta tesi doctoral està desenvolupada als àmbits de materials, assajos no destructius i processament de senyals. El seu propòsit és aportar noves tècniques no destructives, centrades tant en el seu desenvolupament com en la seua aplicació a sistemes reals. L'avaluació de durabilitat i dany en materials no homogenis és l'eix central d'aquest document, format per dos capítols fonamentals. En primer lloc s'avalua el comportament del ciment reforçat amb fibra de vidre sotmès a esforç de flexió. Diverses senyals ultrasòniques van ser adquirides durant tot el procés de deformació dels elements que implementa una nova tècnica d'adquisició multifreqüència. En la fase posterior a l'adquisició es van determinar paràmetres lineals i no lineals de les senyals ultrasòniques polsades que correlacionen aquests paràmetres amb les corbes de tensió-deformació descrites pels elements assajats. Al tercer bloc s'exposa l'anàlisi d'espectroscòpia per impacte en provetes de morter malmeses químicament i tèrmicament. Es va aprofundir en el comportament dinàmic no lineal i histerètic dels elements de morter. L'anàlisi de l'estovament del mòdul dinàmic amb l'increment de l'amplitud de l'excitació és un aspecte molt interessant per a l'avaluació de dany, tècnica que actualment depèn de l'adquisició de diverses senyals. En aquest context, es proposa una nova tècnica de processament de senyal capaç d'extraure paràmetres d'aquesta natura a partir d'una única senyal.This doctoral thesis is developed in materials, Non-Destructive Testing (NDT) and signal processing fields. Its purpose is to make a contribution in new non destructive techniques focusing in its development and application to real systems. Durability and damage evaluation in non-homogeneous materials is the keystone of this document, assembling the structure in two main chapters. In the first instance the behaviour of Glass-fiber Reinforced Cement under bending test is evaluated. Multiple ultrasonic signals during the deformation process of the specimens were acquired, implementing a new multi-frequency acquisition technique. After the acquisition stage, linear and non-linear parameters were calculated from the pulsed ultrasonic signals correlating those parameters with the stress strain curve described during the test. In the third chapter, the impact spectroscopy analysis applied to chemical and thermal damaged mortar samples is exposed. The non-linear histeretic behaviour of the mortar specimens was studied more in depth. The analysis of the dynamic modulus softening with increment of the excitation amplitude is a hot spot at this moment for damage evaluation, being the current technique depending on the multiple signals acquisition. In this context, a new technique is proposed which allows a non-linear parameters extraction from a single reverberation signal.Genovés Gómez, V. (2018). New non-destructive testing techniques based on mechanical waves: Development and application to damage characterization on non-homogeneus materials [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/114799TESISCompendi

A dependability framework for WSN-based aquatic monitoring systems

Wireless Sensor Networks (WSN) are being progressively used in several application areas, particularly to collect data and monitor physical processes. Moreover, sensor nodes used in environmental monitoring applications, such as the aquatic sensor networks, are often subject to harsh environmental conditions while monitoring complex phenomena. Non-functional requirements, like reliability, security or availability, are increasingly important and must be accounted for in the application development. For that purpose, there is a large body of knowledge on dependability techniques for distributed systems, which provides a good basis to understand how to satisfy these non-functional requirements of WSN-based monitoring applications. Given the data-centric nature of monitoring applications, it is of particular importance to ensure that data is reliable or, more generically, that it has the necessary quality. The problem of ensuring the desired quality of data for dependable monitoring using WSNs is studied herein. With a dependability-oriented perspective, it is reviewed the possible impairments to dependability and the prominent existing solutions to solve or mitigate these impairments. Despite the variety of components that may form a WSN-based monitoring system, it is given particular attention to understanding which faults can affect sensors, how they can affect the quality of the information, and how this quality can be improved and quantified. Open research issues for the specific case of aquatic monitoring applications are also discussed. One of the challenges in achieving a dependable system behavior is to overcome the external disturbances affecting sensor measurements and detect the failure patterns in sensor data. This is a particular problem in environmental monitoring, due to the difficulty in distinguishing a faulty behavior from the representation of a natural phenomenon. Existing solutions for failure detection assume that physical processes can be accurately modeled, or that there are large deviations that may be detected using coarse techniques, or more commonly that it is a high-density sensor network with value redundant sensors. This thesis aims at defining a new methodology for dependable data quality in environmental monitoring systems, aiming to detect faulty measurements and increase the sensors data quality. The framework of the methodology is overviewed through a generically applicable design, which can be employed to any environment sensor network dataset. The methodology is evaluated in various datasets of different WSNs, where it is used machine learning to model each sensor behavior, exploiting the existence of correlated data provided by neighbor sensors. It is intended to explore the data fusion strategies in order to effectively detect potential failures for each sensor and, simultaneously, distinguish truly abnormal measurements from deviations due to natural phenomena. This is accomplished with the successful application of the methodology to detect and correct outliers, offset and drifting failures in real monitoring networks datasets. In the future, the methodology can be applied to optimize the data quality control processes of new and already operating monitoring networks, and assist in the networks maintenance operations.As redes de sensores sem fios (RSSF) têm vindo cada vez mais a serem utilizadas em diversas áreas de aplicação, em especial para monitorizar e capturar informação de processos físicos em meios naturais. Neste contexto, os sensores que estão em contacto direto com o respectivo meio ambiente, como por exemplo os sensores em meios aquáticos, estão sujeitos a condições adversas e complexas durante o seu funcionamento. Esta complexidade conduz à necessidade de considerarmos, durante o desenvolvimento destas redes, os requisitos não funcionais da confiabilidade, da segurança ou da disponibilidade elevada. Para percebermos como satisfazer estes requisitos da monitorização com base em RSSF para aplicações ambientais, já existe uma boa base de conhecimento sobre técnicas de confiabilidade em sistemas distribuídos. Devido ao foco na obtenção de dados deste tipo de aplicações de RSSF, é particularmente importante garantir que os dados obtidos na monitorização sejam confiáveis ou, de uma forma mais geral, que tenham a qualidade necessária para o objetivo pretendido. Esta tese estuda o problema de garantir a qualidade de dados necessária para uma monitorização confiável usando RSSF. Com o foco na confiabilidade, revemos os possíveis impedimentos à obtenção de dados confiáveis e as soluções existentes capazes de corrigir ou mitigar esses impedimentos. Apesar de existir uma grande variedade de componentes que formam ou podem formar um sistema de monitorização com base em RSSF, prestamos particular atenção à compreensão das possíveis faltas que podem afetar os sensores, a como estas faltas afetam a qualidade dos dados recolhidos pelos sensores e a como podemos melhorar os dados e quantificar a sua qualidade. Tendo em conta o caso específico dos sistemas de monitorização em meios aquáticos, discutimos ainda as várias linhas de investigação em aberto neste tópico. Um dos desafios para se atingir um sistema de monitorização confiável é a deteção da influência de fatores externos relacionados com o ambiente monitorizado, que afetam as medições obtidas pelos sensores, bem como a deteção de comportamentos de falha nas medições. Este desafio é um problema particular na monitorização em ambientes naturais adversos devido à dificuldade da distinção entre os comportamentos associados às falhas nos sensores e os comportamentos dos sensores afetados pela à influência de um evento natural. As soluções existentes para este problema, relacionadas com deteção de faltas, assumem que os processos físicos a monitorizar podem ser modelados de forma eficaz, ou que os comportamentos de falha são caraterizados por desvios elevados do comportamento expectável de forma a serem facilmente detetáveis. Mais frequentemente, as soluções assumem que as redes de sensores contêm um número suficientemente elevado de sensores na área monitorizada e, consequentemente, que existem sensores redundantes relativamente à medição. Esta tese tem como objetivo a definição de uma nova metodologia para a obtenção de qualidade de dados confiável em sistemas de monitorização ambientais, com o intuito de detetar a presença de faltas nas medições e aumentar a qualidade dos dados dos sensores. Esta metodologia tem uma estrutura genérica de forma a ser aplicada a uma qualquer rede de sensores ambiental ou ao respectivo conjunto de dados obtido pelos sensores desta. A metodologia é avaliada através de vários conjuntos de dados de diferentes RSSF, em que aplicámos técnicas de aprendizagem automática para modelar o comportamento de cada sensor, com base na exploração das correlações existentes entre os dados obtidos pelos sensores da rede. O objetivo é a aplicação de estratégias de fusão de dados para a deteção de potenciais falhas em cada sensor e, simultaneamente, a distinção de medições verdadeiramente defeituosas de desvios derivados de eventos naturais. Este objectivo é cumprido através da aplicação bem sucedida da metodologia para detetar e corrigir outliers, offsets e drifts em conjuntos de dados reais obtidos por redes de sensores. No futuro, a metodologia pode ser aplicada para otimizar os processos de controlo da qualidade de dados quer de novos sistemas de monitorização, quer de redes de sensores já em funcionamento, bem como para auxiliar operações de manutenção das redes.Laboratório Nacional de Engenharia Civi