Caracterització de l'impacte dels esdeveniments acústics en els nivells equivalents sonors i en la percepció dels ciutadans per a la confecció de mapes dinàmics de soroll

La contaminació acústica ha esdevingut un greu problema de salut pública, provocant diversos tipus de malalties i trastorns en les persones. Segons l'Organització Mundial de la Salut, cada any es perden a l'Europa occidental, un milió d'anys de vida saludables per culpa de l'exposició al soroll ambiental. Per tal d'avaluar i gestionar el soroll ambiental a la Unió Europea, la directiva END 2002/49/CE requereix als estats membres la preparació i publicació de mapes de soroll actualitzats i els plans d'acció relatius, cada cinc anys. Això inclou aglomeracions de més de 100.000 habitants i les principals carreteres, vies de tren i aeroports. Gràcies als avanços tecnològics recents, el paradigma de creació de mapes de soroll ha canviat substancialment, permetent l'automatització de les mesures dels nivells sonors utilitzant xarxes de sensors acústics sense fils per a la generació de mapes de soroll en temps real. Així i tot, aquestes xarxes no poden prevenir una sèrie de situacions que esbiaixarien la mesura real dels nivells equivalents sonors, ocasionant que el mapa no sigui fidel a la realitat que percep el ciutadà, p. ex., el so de les aus, de la indústria, els clàxons, les sirenes, les converses que ocorren prop dels sensors o fenòmens meteorològics com la pluja i el vent. Aquesta tesi estudia la caracterització dels esdeveniments acústics per a la confecció de mapes dinàmics de soroll de trànsit. L'estudi comença presentant el context de la tesi, el projecte LIFE DYNAMAP, que pretén mesurar els nivells de soroll de trànsit en dues àrees pilot i integrar-los dinàmicament en un mapa de soroll que s'actualitza a temps real. A continuació, es presenta una anàlisi exhaustiva dels esdeveniments que es troben en les dues àrees, la urbana i la suburbana, i s'hi apliquen diverses caracteritzacions. Una de les mesures que es presenta és la de l'impacte en el nivell equivalent sonor (Leq), que permet mesurar el biaix que provoca la presència de certs esdeveniments acústics en la confecció dels mapes de soroll de trànsit. També es planteja l'ús de tests perceptius mitjançant mètriques psicoacústiques per tal d'adaptar la caracterització d'aquests esdeveniments a la percepció ciutadana. L'objectiu principal de la tesi és caracteritzar els esdeveniments d'entorns urbans i suburbans per oferir mapes de soroll més fidels a la realitat percebuda pel ciutadà en relació amb el paisatge sonor on es troba. I durant la tesi es mostra la importància de la detecció de sons en una xarxa de sensors acústics per tal de prevenir errors de mesura en els nivells equivalents i la necessitat d'entrenar el sistema de detecció amb dades obtingudes en els mateixos sensors de la xarxa.La contaminación acústica se ha convertido en un grave problema de salud pública, provocando varios tipos de enfermedades y trastornos en las personas. Según la Organización Mundial de la Salud, cada año se pierden en la Europa occidental, un millón de años de vida saludables por culpa de la exposición al ruido ambiental. Para evaluar y gestionar el ruido ambiental en la Unión Europea, la directiva END 2002/49/CE requiere a los estados miembros la preparación y publicación de mapas de ruido actualizados y los planes de acción relativos, cada cinco años. Esto incluye aglomeraciones de más de 100.000 habitantes y las principales carreteras, vías de tren y aeropuertos. Gracias a los avances tecnológicos recientes, el paradigma de creación de mapas de ruido ha cambiado sustancialmente, permitiendo la automatización de las medidas de los niveles sonoros utilizando redes de sensores acústicos inalámbricos para la generación de mapas de ruido en tiempo real. Aun así, estas redes no pueden prevenir una serie de situaciones que sesgarían la medida real de los niveles equivalentes sonoros, ocasionando que el mapa no sea fiel a la realidad que percibe el ciudadano, p. ej., el sonido de las aves, de la industria, los cláxones, las sirenas, las conversaciones que ocurren cerca de los sensores o fenómenos meteorológicos como la lluvia y el viento. Esta tesis estudia la caracterización de los eventos acústicos para la confección de mapas dinámicos de ruido de tráfico. El estudio empieza presentando el contexto de la tesis, el proyecto LIFE DYNAMAP, que pretende mesurar los niveles de ruido de tráfico en dos áreas piloto e integrarlos dinámicamente en un mapa de ruido que se actualiza a tiempo real. A continuación, se presenta un análisis exhaustivo de los acontecimientos que se encuentran en las dos áreas, la urbana y la suburbana, y se aplican varias caracterizaciones. Una de las medidas que se presenta es la del impacto en el nivel equivalente sonoro (Leq), que permite mesurar el sesgo que provoca la presencia de ciertos acontecimientos acústicos en la confección de los mapas de ruido de tráfico. También se plantea el uso de macetas perceptivas mediante métricas psicoacústicas para adaptar la caracterización de estos eventos a la percepción ciudadana. El objetivo principal de la tesis es caracterizar los acontecimientos de entornos urbanos y suburbanos para ofrecer mapas de ruido más fieles a la realidad percibida por el ciudadano en relación con el paisaje sonoro donde se encuentra. Y durante la tesis se muestra la importancia de la detección de sonidos en una red de sensores acústicos para prevenir errores de medida en los niveles equivalentes y la necesidad de entrenar el sistema de detección con datos obtenidos en los mismos sensores de la red.Acoustic pollution has become a serious public health problem, causing various types of disease and disorders in people. According to the World Health Organisation, one million years of healthy life are lost in Western Europe every year due to exposure to environmental noise. In order to evaluate and manage environmental noise in the European Union, Directive END 2002/49/EC requires Member States to prepare and publish updated noise maps and relative action plans every five years. This includes agglomerations of more than 100,000 inhabitants and major roads, train tracks and airports. Thanks to recent technological advances, the noise map creation paradigm has changed substantially, allowing noise level measurements to be automated using wireless acoustic sensor networks for real-time noise map generation. However, these networks cannot prevent a series of situations that would bias the actual measurement of sound equivalent levels, causing the map not to be true to the reality perceived by the citizen, e.g., the sound of birds, the industry, the claxons, the mermaids, conversations that occur near sensors or weather phenomena such as rain and wind. This thesis studies the characterization of acoustic events for the tailoring of dynamic traffic noise maps. The study begins by presenting the context of the thesis, the LIFE DYNAMAP project, which aims to measure traffic noise levels in two pilot areas and dynamically integrate them into a noise map that is updated in real time. After that, a detailed analysis is presented for the events in the two areas, urban and suburban, and various characterizations are applied. One of the presented measures is the impact on the equivalent sound level (Leq), which allows the measurement of bias resulting from the presence of certain acoustic events in the making of traffic noise maps. The use of perceptual tests using psychoacoustic metrics is also considered in order to adapt the characterization of these events to citizen perception. The main purpose of the thesis is to characterize the events of urban and suburban environments to offer noise maps more faithful to the reality perceived by the citizen in relation to the sound environment where it is found. And during the thesis, the importance of sound detection on a network of acoustic sensors is shown in order to prevent measurement errors at equivalent levels and the need to train the detection system with data obtained from the same sensors on the network

Urban environment soundscape evaluation: Milan case study of noise events perceptions by citizens

As one of the main urban environmental pollutants, noise is becoming a real public health concern due to its impact on citizen's well-being. Real-operation noise monitoring can help policy makers in improving the quality of urban environments. To this end, Wireless Acoustic Sensor Networks (WASNs) have been deployed in crowded city centers in both America and Europe. The main application of WASNs is to measure the noise levels from road traffic. Yet, other types of sounds can be found in urban areas, which may also affect citizen's health. Here, we aim to evaluate the citizen's perception of different urban sounds considering their psychoacoustic characteristics, namely loudness, sharpness, roughness, fluctuation strength and tonality. To this end, we have conducted an on-line and off-site listening test using a urban acoustic event dataset collected by WASNs in Milan. The dataset includes seven common urban noises such as sirens, horns, people talking, truck, works, among others. Participants have been asked to rate the level of agreement with adjectives such as loud, shrilling, disturbing, sharp or pleasant. The test responses from one hundred volunteers allow us to gather valuable information about people's perceptions of common urban noises

Selected Papers from the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications

This Special Issue comprises selected papers from the proceedings of the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications, held on 15–30 November 2018, on sciforum.net, an online platform for hosting scholarly e-conferences and discussion groups. In this 5th edition of the electronic conference, contributors were invited to provide papers and presentations from the field of sensors and applications at large, resulting in a wide variety of excellent submissions and topic areas. Papers which attracted the most interest on the web or that provided a particularly innovative contribution were selected for publication in this collection. These peer-reviewed papers are published with the aim of rapid and wide dissemination of research results, developments, and applications. We hope this conference series will grow rapidly in the future and become recognized as a new way and venue by which to (electronically) present new developments related to the field of sensors and their applications

Real-time acoustic event classification in urban environments using low-cost devices

En la societat moderna i en constant evolució, la presència de soroll s'ha convertit en un perill diari per a una quantitat preocupant de la població. Estar sobreexposats a alts nivells de soroll pot interferir en activitats quotidianes i podria causar greus efectes secundaris en termes de salut com mal humor, deteriorament cognitiu en nens o malalties cardiovasculars. Hi ha estudis que assenyalen que no només afecta el nivell de soroll al qual estan exposats els ciutadans, sinó que també és important el tipus de so. Així doncs, no tots els esdeveniments acústics tenen el mateix impacte en la població. Amb les tecnologies que es fan servir actualment per a monitorar la contaminació acústica, és difícil identificar automàticament quins sorolls estan més presents en les zones més contaminades. De fet, per avaluar les queixes dels ciutadans, normalment s'envien tècnics a la zona on s'hi ha produït la queixa per avaluar si aquesta és rellevant. A causa de l'elevat nombre de queixes que es generen diàriament (especialment en zones molt poblades), el desenvolupament de Xarxes de Sensors Acústics Sense Fils (WASN) que monitorin automàticament la contaminació acústica d'una zona s'ha convertit en una tendència d'investigació. En l'actualitat, la majoria de les xarxes desplegades en entorns urbans només mesuren el nivell de soroll equivalent fent servir equipaments cars i precisos però no permeten d'identificar les fonts de soroll presents a cada lloc. Donat l'elevat cost dels sensors, aquests solen col·locar-se en llocs estratègics, però no monitoren zones àmplies. L'objectiu d'aquesta tesi és abordar un important repte que encara està latent en aquest camp: monitorar acústicament zones de gran envergadura en temps real i de forma escalable i econòmica. En aquest sentit, s'ha seleccionat el centre de la ciutat de Barcelona com a cas d'ús de referència per a dur a terme aquesta investigació. En primer lloc, aquesta tesi parteix d'una anàlisi precís d'un conjunt de 6 hores de dades anotades corresponents al paisatge sonor d'una zona concreta de la ciutat (l'Eixample). Després, es presenta una arquitectura distribuïda escalable que fa servir dispositius de baix cost per a reconèixer esdeveniments acústics. Per validar la viabilitat d'aquest enfocament, s'ha implementat un algorisme d'aprenentatge profund que s'executa sobre aquesta arquitectura per a classificar 10 categories acústiques diferents. Com que els nodes del sistema proposats estan disposats en una topologia amb redundància física (més d'un node pot escoltar el mateix esdeveniment acústic simultàniament), s'han recollit dades en quatre punts del centre de Barcelona respectant l'arquitectura dels sensors. Per últim, donat que els esdeveniments del món real tendeixen a produir-se simultàniament, s'ha millorat l'algorisme d'aprenentatge profund perquè suporti la classificació multietiqueta (és a dir, polifònica). Els resultats mostren que, amb l'arquitectura del sistema proposat, és possible classificat esdeveniments acústic en temps real. En general, les contribucions d'aquesta investigació són les següents: (1) el disseny d'una WASN de baix cost i escalable, que pugui monitorar àrees a gran escala i (2) el desenvolupament d'un algorisme de classificació en temps real executat sobre els nodes de detecció dissenyats.En la sociedad moderna y en constante evolución, la presencia de ruido se ha convertido en una amenaza diaria para una cantidad preocupante de la población. Estar sobreexpuesto a altos niveles de ruido puede interferir en las actividades cotidianas y podría acarrear graves efectos secundarios en términos de salud como mal humor, deterioro cognitivo en niños o enfermedades cardiovasculares. Hay estudios que señalan que no solo afecta el nivel de ruido al que están expuestos los ciudadanos: también es importante el tipo de sonido. Es decir, no todos los eventos acústicos tienen el mismo impacto en la población. Con las tecnologías que se utilizan actualmente para monitorizar la contaminación acústica, es difícil identificar automáticamente qué sonidos están más presentes en las zonas más contaminadas. De hecho, para evaluar las quejas de los ciudadanos, normalmente se envían técnicos a la zona donde se ha realizado la queja para evaluar si ésta es relevante. Debido al elevado número de quejas que se generan diariamente (especialmente en zonas muy pobladas), el desarrollo de Redes de Sensores Acústicos Inalámbricos (WASN) que monitoricen automáticamente la contaminación acústica se ha convertido en una tendencia de investigación. Actualmente, la mayoría de redes desplegadas en entornos urbanos solo miden el nivel de ruido equivalente mediante equipos caros y precisos, pero no son capaces de identificar las fuentes de ruido presentes en cada lugar. Dado el elevado precio de estos sensores, los nodos suelen colocarse en lugares estratégicos, pero no monitorizan zonas amplias. El objetivo de esta tesis es abordar un importante reto aún latente en este campo: monitorizar acústicamente zonas de gran tamaño en tiempo real y de forma escalable y económica. En este sentido, se ha seleccionado la ciudad de Barcelona como caso de uso para llevar a cabo esta investigación. Primeramente, esta tesis parte de un análisis preciso de un conjunto de 6 horas de datos anotados correspondientes al paisaje sonoro de una zona concreta de la ciudad (l'Eixample). Después, se presenta una arquitectura distribuida escalable que utiliza dispositivos de bajo coste para reconocer eventos acústicos. Para validar la viabilidad del enfoque, se ha implementado un algoritmo de aprendizaje profundo ejecutado sobre esta arquitectura para clasificar 10 categorías acústicas diferentes. Como los nodos del sistema propuesto están dispuestos en una topología con redundancia física (más de un nodo puede escuchar el mismo evento acústico a la vez), se han recogido datos en cuatro puntos del centro de Barcelona respetando la arquitectura de los sensores. Por último, dado que los eventos del mundo real tienden a producirse simultáneamente, se ha mejorado el algoritmo de aprendizaje profundo para que soporte la clasificación multietiqueta (polifónica). Los resultados muestran que, con la arquitectura del sistema propuesto, es posible clasificar eventos acústicos en tiempo real. En general, las contribuciones de esta investigación son las siguientes (1) diseño de una WASN de bajo coste y escalable, capaz de monitorizar áreas a gran escala y (2) desarrollo de un algoritmo de clasificación en tiempo real ejecutado sobre los nodos de detección diseñados.In the modern and ever-evolving society, the presence of noise has become a daily threat to a worrying amount of the population. Being overexposed to high levels of noise may interfere with day-to-day activities and, thus, could potentially bring severe side-effects in terms of health such as annoyance, cognitive impairment in children or cardiovascular diseases. Some studies point out that it is not only the level of noise that matters but also the type of sound that the citizens are exposed to. That is, not all the acoustic events have the same impact on the population. With current technologies used to track noise levels, for both private and public administrations, it is hard to automatically identify which sounds are more present in most polluted areas. Actually, to assess citizen complaints, technicians are typically sent to the area to be surveyed to evaluate if the complaint is relevant. Due to the high number of complaints that are generated every day (specially in highly populated areas), the development of Wireless Acoustic Sensor Networks (WASN) that would automatically monitor the noise pollution of a certain area have become a research trend. Currently, most of the networks that are deployed in cities measure only the equivalent noise level by means of expensive but highly accurate hardware but cannot identify the noise sources that are present in each spot. Given the elevated price of these sensors, nodes are typically placed in specific locations, but do not monitor wide areas. The purpose of this thesis is to address an important challenge still latent in this field: to acoustically monitor large-scale areas in real-time and in a scalable and cost efficient way. In this regard, the city centre of Barcelona has been selected as a reference use-case scenario to conduct this research. First, this dissertation starts with an accurate analysis of an annotated dataset of 6 hours corresponding to the soundscape of a specific area of the city (l’Eixample). Next, a scalable distributed architecture using low-cost computing devices to recognize acoustic events is presented. To validate the feasibility of this approach, a deep learning algorithm running on top of this architecture has been implemented to classify 10 different acoustic categories. As the sensing nodes of the proposed system are arranged in such a way that it is possible to take advantage of physical redundancy (that is, more than one node may hear the same acoustic event), data has been gathered in four spots of the city centre of Barcelona respecting the sensors topology. Finally, as real-world events tend to occur simultaneously, the deep learning algorithm has been enhanced to support multilabel (i.e., polyphonic) classification. Results show that, with the proposed system architecture, it is possible to classify acoustic events in real-time. Overall, the contributions of this research are the following: (1) the design of a low-cost, scalable WASN able to monitor large-scale areas and (2) the development of a real-time classification algorithm able to run over the designed sensing nodes

Sound Levels Forecasting in an Acoustic Sensor Network Using a Deep Neural Network

[EN] Wireless acoustic sensor networks are nowadays an essential tool for noise pollution monitoring and managing in cities. The increased computing capacity of the nodes that create the network is allowing the addition of processing algorithms and artificial intelligence that provide more information about the sound sources and environment, e.g., detect sound events or calculate loudness. Several models to predict sound pressure levels in cities are available, mainly road, railway and aerial traffic noise. However, these models are mostly based in auxiliary data, e.g., vehicles flow or street geometry, and predict equivalent levels for a temporal long-term. Therefore, forecasting of temporal short-term sound levels could be a helpful tool for urban planners and managers. In this work, a Long Short-Term Memory (LSTM) deep neural network technique is proposed to model temporal behavior of sound levels at a certain location, both sound pressure level and loudness level, in order to predict near-time future values. The proposed technique can be trained for and integrated in every node of a sensor network to provide novel functionalities, e.g., a method of early warning against noise pollution and of backup in case of node or network malfunction. To validate this approach, one-minute period equivalent sound levels, captured in a two-month measurement campaign by a node of a deployed network of acoustic sensors, have been used to train it and to obtain different forecasting models. Assessments of the developed LSTM models and Auto regressive integrated moving average models were performed to predict sound levels for several time periods, from 1 to 60 min. Comparison of the results show that the LSTM models outperform the statistics-based models. In general, the LSTM models achieve a prediction of values with a mean square error less than 4.3 dB for sound pressure level and less than 2 phons for loudness. Moreover, the goodness of fit of the LSTM models and the behavior pattern of the data in terms of prediction of sound levels are satisfactory.This work was partially supported by the Fundacion Seneca del Centro de Coordinacion de la Investigacion de la Region de Murcia under Project 20813/PI/18.Navarro, JM.; Martínez-España, R.; Bueno-Crespo, A.; Cecilia-Canales, JM.; Martínez, R. (2020). Sound Levels Forecasting in an Acoustic Sensor Network Using a Deep Neural Network. Sensors. 20(3):1-16. https://doi.org/10.3390/s20030903S116203Hornikx, M. (2016). Ten questions concerning computational urban acoustics. Building and Environment, 106, 409-421. doi:10.1016/j.buildenv.2016.06.028Murphy, E., & King, E. A. (2010). 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Water Resources Research, 35(1), 233-241. doi:10.1029/1998wr90001

Estimation du niveau sonore du trafic routier au sein de mixtures sonores urbaines par la Factorisation en Matrices Non négatives

14ème congrès français d'acoustique, CFA'18, LE HAVRE, FRANCE, 23-/04/2018 - 27/04/2018La création de cartes de bruit de trafic en ville, imposée par la directive européenne 2002/49/EC, est issue d'un processus de simulation basé sur un modèle du tissu urbain et des outils de propagation acoustiques. Ces cartes sont purement prédictives et ne sont disponibles que pour des échelles de temps très larges, ce qui ne permet pas de rendre compte correctement de l'évolution permanente du trafic routier. Le déploiement actuel de réseaux de capteurs acoustiques en ville, dans le cadre des « Smart Cities », est l'opportunité d'améliorer ces cartes en complétant les données simulées par des données mesurées in situ. L'utilisation d'une méthode de séparation de sources est néanmoins nécessaire pour extraire des enregistrements la composante signal « trafic » des autres sources sonores présentes en ville. La méthode retenue ici pour ce faire est la Factorisation en Matrices Non-Négatives (NMF) qui présente l'avantage de prendre en compte naturellement le recouvrement des nombreuses sources sonores qui composent l'environnement sonore urbain. Une fois ce signal trafic extrait, son niveau sonore peut être estimé. La méthode est testée sur un ensemble de scènes sonores simulées générées à partir d'annotations d'enregistrements faits en ville. Cette approche permet de disposer d'une mesure étalon qui est comparée aux estimations générées par différentes configurations de la NMF. Les résultats obtenus montrent que la méthode NMF offre de meilleurs résultats que des approches de références basées sur des filtres et peut faire l'objet d'une implantation future au sein de réseaux de capteurs intelligents

An adaptive, fault-tolerant system for road network traffic prediction using machine learning

This thesis has addressed the design and development of an integrated system for real-time traffic forecasting based on machine learning methods. Although traffic prediction has been the driving motivation for the thesis development, a great part of the proposed ideas and scientific contributions in this thesis are generic enough to be applied in any other problem where, ideally, their definition is that of the flow of information in a graph-like structure. Such application is of special interest in environments susceptible to changes in the underlying data generation process. Moreover, the modular architecture of the proposed solution facilitates the adoption of small changes to the components that allow it to be adapted to a broader range of problems. On the other hand, certain specific parts of this thesis are strongly tied to the traffic flow theory. The focus in this thesis is on a macroscopic perspective of the traffic flow where the individual road traffic flows are correlated to the underlying traffic demand. These short-term forecasts include the road network characterization in terms of the corresponding traffic measurements –traffic flow, density and/or speed–, the traffic state –whether a road is congested or not, and its severity–, and anomalous road conditions –incidents or other non-recurrent events–. The main traffic data used in this thesis is data coming from detectors installed along the road networks. Nevertheless, other kinds of traffic data sources could be equally suitable with the appropriate preprocessing. This thesis has been developed in the context of Aimsun Live –a simulation-based traffic solution for real-time traffic prediction developed by Aimsun–. The methods proposed here is planned to be linked to it in a mutually beneficial relationship where they cooperate and assist each other. An example is when an incident or non-recurrent event is detected with the proposed methods in this thesis, then the simulation-based forecasting module can simulate different strategies to measure their impact. Part of this thesis has been also developed in the context of the EU research project "SETA" (H2020-ICT-2015). The main motivation that has guided the development of this thesis is enhancing those weak points and limitations previously identified in Aimsun Live, and whose research found in literature has not been especially extensive. These include: • Autonomy, both in the preparation and real-time stages. • Adaptation, to gradual or abrupt changes in traffic demand or supply. • Informativeness, about anomalous road conditions. • Forecasting accuracy improved with respect to previous methodology at Aimsun and a typical forecasting baseline. • Robustness, to deal with faulty or missing data in real-time. • Interpretability, adopting modelling choices towards a more transparent reasoning and understanding of the underlying data-driven decisions. • Scalable, using a modular architecture with emphasis on a parallelizable exploitation of large amounts of data. The result of this thesis is an integrated system –Adarules– for real-time forecasting which is able to make the best of the available historical data, while at the same time it also leverages the theoretical unbounded size of data in a continuously streaming scenario. This is achieved through the online learning and change detection features along with the automatic finding and maintenance of patterns in the network graph. In addition to the Adarules system, another result is a probabilistic model that characterizes a set of interpretable latent variables related to the traffic state based on the traffic data provided by the sensors along with optional prior knowledge provided by the traffic expert following a Bayesian approach. On top of this traffic state model, it is built the probabilistic spatiotemporal model that learns the dynamics of the transition of traffic states in the network, and whose objectives include the automatic incident detection.Esta tesis ha abordado el diseño y desarrollo de un sistema integrado para la predicción de tráfico en tiempo real basándose en métodos de aprendizaje automático. Aunque la predicción de tráfico ha sido la motivación que ha guiado el desarrollo de la tesis, gran parte de las ideas y aportaciones científicas propuestas en esta tesis son lo suficientemente genéricas como para ser aplicadas en cualquier otro problema en el que, idealmente, su definición sea la del flujo de información en una estructura de grafo. Esta aplicación es de especial interés en entornos susceptibles a cambios en el proceso de generación de datos. Además, la arquitectura modular facilita la adaptación a una gama más amplia de problemas. Por otra parte, ciertas partes específicas de esta tesis están fuertemente ligadas a la teoría del flujo de tráfico. El enfoque de esta tesis se centra en una perspectiva macroscópica del flujo de tráfico en la que los flujos individuales están ligados a la demanda de tráfico subyacente. Las predicciones a corto plazo incluyen la caracterización de las carreteras en base a las medidas de tráfico -flujo, densidad y/o velocidad-, el estado del tráfico -si la carretera está congestionada o no, y su severidad-, y la detección de condiciones anómalas -incidentes u otros eventos no recurrentes-. Los datos utilizados en esta tesis proceden de detectores instalados a lo largo de las redes de carreteras. No obstante, otros tipos de fuentes de datos podrían ser igualmente empleados con el preprocesamiento apropiado. Esta tesis ha sido desarrollada en el contexto de Aimsun Live -software desarrollado por Aimsun, basado en simulación para la predicción en tiempo real de tráfico-. Los métodos aquí propuestos cooperarán con este. Un ejemplo es cuando se detecta un incidente o un evento no recurrente, entonces pueden simularse diferentes estrategias para medir su impacto. Parte de esta tesis también ha sido desarrollada en el marco del proyecto de la UE "SETA" (H2020-ICT-2015). La principal motivación que ha guiado el desarrollo de esta tesis es mejorar aquellas limitaciones previamente identificadas en Aimsun Live, y cuya investigación encontrada en la literatura no ha sido muy extensa. Estos incluyen: -Autonomía, tanto en la etapa de preparación como en la de tiempo real. -Adaptación, a los cambios graduales o abruptos de la demanda u oferta de tráfico. -Sistema informativo, sobre las condiciones anómalas de la carretera. -Mejora en la precisión de las predicciones con respecto a la metodología anterior de Aimsun y a un método típico usado como referencia. -Robustez, para hacer frente a datos defectuosos o faltantes en tiempo real. -Interpretabilidad, adoptando criterios de modelización hacia un razonamiento más transparente para un humano. -Escalable, utilizando una arquitectura modular con énfasis en una explotación paralela de grandes cantidades de datos. El resultado de esta tesis es un sistema integrado –Adarules- para la predicción en tiempo real que sabe maximizar el provecho de los datos históricos disponibles, mientras que al mismo tiempo también sabe aprovechar el tamaño teórico ilimitado de los datos en un escenario de streaming. Esto se logra a través del aprendizaje en línea y la capacidad de detección de cambios junto con la búsqueda automática y el mantenimiento de los patrones en la estructura de grafo de la red. Además del sistema Adarules, otro resultado de la tesis es un modelo probabilístico que caracteriza un conjunto de variables latentes interpretables relacionadas con el estado del tráfico basado en los datos de sensores junto con el conocimiento previo –opcional- proporcionado por el experto en tráfico utilizando un planteamiento Bayesiano. Sobre este modelo de estados de tráfico se construye el modelo espacio-temporal probabilístico que aprende la dinámica de la transición de estadosPostprint (published version

An adaptive, fault-tolerant system for road network traffic prediction using machine learning

This thesis has addressed the design and development of an integrated system for real-time traffic forecasting based on machine learning methods. Although traffic prediction has been the driving motivation for the thesis development, a great part of the proposed ideas and scientific contributions in this thesis are generic enough to be applied in any other problem where, ideally, their definition is that of the flow of information in a graph-like structure. Such application is of special interest in environments susceptible to changes in the underlying data generation process. Moreover, the modular architecture of the proposed solution facilitates the adoption of small changes to the components that allow it to be adapted to a broader range of problems. On the other hand, certain specific parts of this thesis are strongly tied to the traffic flow theory. The focus in this thesis is on a macroscopic perspective of the traffic flow where the individual road traffic flows are correlated to the underlying traffic demand. These short-term forecasts include the road network characterization in terms of the corresponding traffic measurements –traffic flow, density and/or speed–, the traffic state –whether a road is congested or not, and its severity–, and anomalous road conditions –incidents or other non-recurrent events–. The main traffic data used in this thesis is data coming from detectors installed along the road networks. Nevertheless, other kinds of traffic data sources could be equally suitable with the appropriate preprocessing. This thesis has been developed in the context of Aimsun Live –a simulation-based traffic solution for real-time traffic prediction developed by Aimsun–. The methods proposed here is planned to be linked to it in a mutually beneficial relationship where they cooperate and assist each other. An example is when an incident or non-recurrent event is detected with the proposed methods in this thesis, then the simulation-based forecasting module can simulate different strategies to measure their impact. Part of this thesis has been also developed in the context of the EU research project "SETA" (H2020-ICT-2015). The main motivation that has guided the development of this thesis is enhancing those weak points and limitations previously identified in Aimsun Live, and whose research found in literature has not been especially extensive. These include: • Autonomy, both in the preparation and real-time stages. • Adaptation, to gradual or abrupt changes in traffic demand or supply. • Informativeness, about anomalous road conditions. • Forecasting accuracy improved with respect to previous methodology at Aimsun and a typical forecasting baseline. • Robustness, to deal with faulty or missing data in real-time. • Interpretability, adopting modelling choices towards a more transparent reasoning and understanding of the underlying data-driven decisions. • Scalable, using a modular architecture with emphasis on a parallelizable exploitation of large amounts of data. The result of this thesis is an integrated system –Adarules– for real-time forecasting which is able to make the best of the available historical data, while at the same time it also leverages the theoretical unbounded size of data in a continuously streaming scenario. This is achieved through the online learning and change detection features along with the automatic finding and maintenance of patterns in the network graph. In addition to the Adarules system, another result is a probabilistic model that characterizes a set of interpretable latent variables related to the traffic state based on the traffic data provided by the sensors along with optional prior knowledge provided by the traffic expert following a Bayesian approach. On top of this traffic state model, it is built the probabilistic spatiotemporal model that learns the dynamics of the transition of traffic states in the network, and whose objectives include the automatic incident detection.Esta tesis ha abordado el diseño y desarrollo de un sistema integrado para la predicción de tráfico en tiempo real basándose en métodos de aprendizaje automático. Aunque la predicción de tráfico ha sido la motivación que ha guiado el desarrollo de la tesis, gran parte de las ideas y aportaciones científicas propuestas en esta tesis son lo suficientemente genéricas como para ser aplicadas en cualquier otro problema en el que, idealmente, su definición sea la del flujo de información en una estructura de grafo. Esta aplicación es de especial interés en entornos susceptibles a cambios en el proceso de generación de datos. Además, la arquitectura modular facilita la adaptación a una gama más amplia de problemas. Por otra parte, ciertas partes específicas de esta tesis están fuertemente ligadas a la teoría del flujo de tráfico. El enfoque de esta tesis se centra en una perspectiva macroscópica del flujo de tráfico en la que los flujos individuales están ligados a la demanda de tráfico subyacente. Las predicciones a corto plazo incluyen la caracterización de las carreteras en base a las medidas de tráfico -flujo, densidad y/o velocidad-, el estado del tráfico -si la carretera está congestionada o no, y su severidad-, y la detección de condiciones anómalas -incidentes u otros eventos no recurrentes-. Los datos utilizados en esta tesis proceden de detectores instalados a lo largo de las redes de carreteras. No obstante, otros tipos de fuentes de datos podrían ser igualmente empleados con el preprocesamiento apropiado. Esta tesis ha sido desarrollada en el contexto de Aimsun Live -software desarrollado por Aimsun, basado en simulación para la predicción en tiempo real de tráfico-. Los métodos aquí propuestos cooperarán con este. Un ejemplo es cuando se detecta un incidente o un evento no recurrente, entonces pueden simularse diferentes estrategias para medir su impacto. Parte de esta tesis también ha sido desarrollada en el marco del proyecto de la UE "SETA" (H2020-ICT-2015). La principal motivación que ha guiado el desarrollo de esta tesis es mejorar aquellas limitaciones previamente identificadas en Aimsun Live, y cuya investigación encontrada en la literatura no ha sido muy extensa. Estos incluyen: -Autonomía, tanto en la etapa de preparación como en la de tiempo real. -Adaptación, a los cambios graduales o abruptos de la demanda u oferta de tráfico. -Sistema informativo, sobre las condiciones anómalas de la carretera. -Mejora en la precisión de las predicciones con respecto a la metodología anterior de Aimsun y a un método típico usado como referencia. -Robustez, para hacer frente a datos defectuosos o faltantes en tiempo real. -Interpretabilidad, adoptando criterios de modelización hacia un razonamiento más transparente para un humano. -Escalable, utilizando una arquitectura modular con énfasis en una explotación paralela de grandes cantidades de datos. El resultado de esta tesis es un sistema integrado –Adarules- para la predicción en tiempo real que sabe maximizar el provecho de los datos históricos disponibles, mientras que al mismo tiempo también sabe aprovechar el tamaño teórico ilimitado de los datos en un escenario de streaming. Esto se logra a través del aprendizaje en línea y la capacidad de detección de cambios junto con la búsqueda automática y el mantenimiento de los patrones en la estructura de grafo de la red. Además del sistema Adarules, otro resultado de la tesis es un modelo probabilístico que caracteriza un conjunto de variables latentes interpretables relacionadas con el estado del tráfico basado en los datos de sensores junto con el conocimiento previo –opcional- proporcionado por el experto en tráfico utilizando un planteamiento Bayesiano. Sobre este modelo de estados de tráfico se construye el modelo espacio-temporal probabilístico que aprende la dinámica de la transición de estado

"Pipistrellus pipistrellus" and "Pipistrellus pygmaeus" in the Iberian Peninsula: an annotated segmented dataset and a proof of concept of a classifier in a real environment

Bats have an important role in the ecosystem, and therefore an effective detection of their prevalence can contribute to their conservation. At present, the most commonly methodology used in the study of bats is the analysis of echolocation calls. However, many other ultrasound signals can be simultaneously recorded, and this makes species location and identification a long and difficult task. This field of research could be greatly improved through the use of bioacoustics which provide a more accurate automated detection, identification and count of the wildlife of a particular area. We have analyzed the calls of two bat species—Pipistrellus pipistrellus and Pipistrellus pygmaeus—both of which are common types of bats frequently found in the Iberian Peninsula. These two cryptic species are difficult to identify by their morphological features, but are more easily identified by their echolocation calls. The real-life audio files have been obtained by an Echo Meter Touch Pro 1 bat detector. Time-expanded recordings of calls were first classified manually by means of their frequency, duration and interpulse interval. In this paper, we first detail the creation of a dataset with three classes, which are the two bat species but also the silent intervals. This dataset can be useful to work in mixed species environment. Afterwards, two automatic bat detection and identification machine learning approaches are described, in a laboratory environment, which represent the previous step to real-life in an urban scenario. The priority in that approaches design is the identification using short window analysis in order to detect each bat pulse. However, given that we are concerned with the risks of automatic identification, the main aim of the project is to accelerate the manual ID process for the specialists in the field. The dataset provided will help researchers develop automatic recognition systems for a more accurate identification of the bat species in a laboratory environment, and in a near future, in an urban environment, where those two bat species are common