Optimización del flujo de energía en instituciones de asistencia médica utilizando técnicas heurísticas

Las instalaciones de asistencia médica ubicadas en el departamento de La Guajira tienen una fuente de suministro de energía eléctrica principal, que es la red de distribución del Operador de Red (OR). La infraestructura eléctrica del OR funciona de manera deficiente con numerosas interrupciones. Por esta razón, el sistema eléctrico esencial de estas instalaciones utiliza una fuente de energía de respaldo, que generalmente es un generador diésel. Esto significa que no se garantiza el respaldo completo de la demanda de la instalación hospitalaria en un día y se tiene un costoso kWh. Por este motivo, esta investigación se preocupó por encontrar una solución energéticamente viable y amigable con el medio ambiente. La solución consistió en desarrollar un sistema eléctrico esencial hospitalario conformado de manera hibrida con energías renovables (HRES), de la siguiente manera: sistema fotovoltaico, generador diésel y un sistema de baterías. Para la operación de este sistema HRES se desarrolló una metodología que permitió optimizar el flujo de energía mediante el uso de una técnica heurística, que está basada en un algoritmo genético de estrategia evolutiva (Plus (μ+λ). Este permitió calcular y minimizar los costos de generación del sistema HRES que opera sin conexión (Off-Grid) a la red de media tensión. Se destaca, el resultado de simulación de 24 horas, en donde, se logró disminuir los costos energéticos y el uso del generador diésel en un 20% a través de la implementación de un sistema fotovoltaico y de un sistema de baterías en las instalaciones de asistencia médica.MaestríaMagister en Ingeniería Eléctric

Dimensionamiento, modelado e implementación de sistemas de distribución de potencia aplicados a vehículos eléctricos híbridos basados en pilas de combustible

El creciente problema medioambiental que se sufre a nivel global, que se manifiesta a través de la contaminación atmosférica, partículas en suspensión, contaminación acústica, efecto invernadero, y calentamiento global, junto con el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, exige un cambio tecnológico que alcance a todos los sectores de la industria. Se prevé que el parque automovilístico mundial se duplicará entre el año 2015 y el año 2030, pasando de 800 millones a 1600 millones de vehículos, lo que pone de manifiesto la necesidad de que el cambio tecnológico alcance al campo de la automoción para asegurar una movilidad sostenible a largo plazo. Los principales fabricantes de vehículos, entre ellos Toyota, Renault, BMW, Peugeot y Nissan, han dado un primer paso hacia el vehículo limpio y energéticamente eficiente introduciendo en el mercado vehículos híbridos que combinan motores de combustión interna con baterías, como son los automóviles ActiveHybrid5, 3008 Hybrid4 y Toyota Prius, y vehículos eléctricos propulsados únicamente por baterías como pueden ser el Twizy, Fluence Ze, iOn, o Leaf. A pesar de que se estima una cuota de mercado en ventas de vehículos eléctricos del 2% en 2020 y entre el 11% y el 30% en 2030, aún quedan barreras tecnológicas por vencer, que impiden la sustitución definitiva de los vehículos de combustión interna. Los vehículos propulsados por pilas de combustible empiezan a ser considerados como una alternativa firme a los vehículos puramente eléctricos, a pesar de la necesidad de mejorar aspectos tecnológicos relacionados con el almacenamiento del hidrógeno, la creación de redes de distribución de hidrógeno, reducción de costes del vehículo, etc. Honda ya ha presentado el primer vehículo propulsado por una pila de combustible de fabricación en serie, el modelo FCX Clarity, con una autonomía de 460km y velocidad máxima de 160km/h. De momento se fabrica en Japón y se comercializa en Japón y en California, con una previsión de comercialización en Europa en 2015. Por su parte, Hyundai ha iniciado la producción en serie del modelo ix35 FCEV en Corea del Sur, con un objetivo de producción de 10.000 unidades en 2015. De hecho, se han establecido diferentes alianzas entre grupos automovilísticos, que investigan de forma conjunta en el desarrollo del sistema de propulsión de vehículos basados en pilas de combustible, con objeto de llegar al mercado de masas lo antes posible. El sistema de distribución de potencia de un vehículo eléctrico propulsado por pilas de combustible está formado por una pila de combustible como fuente de energía principal, un conjunto de convertidores de potencia, unidireccionales o bidireccionales, y por sistemas acumuladores de energía, que suelen ser baterías y/o supercondensadores. En función del número, ubicación y naturaleza de los convertidores de potencia y de los sistemas acumuladores de energía, existen multitud de posibilidades en cuanto al diseño de una arquitectura de distribución de potencia, aún más si se tienen en cuenta la estrategia de control, la gestión de la potencia y el almacenamiento de la energía procedente del frenado regenerativo. Debido a la complejidad inherente a este tipo de sistemas, es necesario el uso de herramientas de simulación que permitan llevar a cabo un diseño y análisis óptimos del sistema de distribución de potencia eléctrica completo, para lo que resulta imprescindible disponer de modelos dinámicos de todos los subsistemas que integran una arquitectura de distribución de potencia, desde la pila de combustible hasta el propio vehículo. Por otro lado, tanto el dimensionamiento como la selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para un vehículo es una tarea compleja y con grandes repercusiones sobre la masa, volumen, coste, eficiencia, consumo y autonomía del vehículo. En este ámbito, las propuestas presentadas en esta tesis doctoral están relacionadas con el proceso de dimensionamiento, análisis, y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para una aplicación específica. Se proponen dos modelos de pila de combustible, uno para pilas con respuesta temporal sobreamortiguada, y otro para pilas con respuesta temporal impulsional-sobreamortiguada. Ambos modelos aportan simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y gran precisión en su comportamiento. Por otra parte, se propone un método de dimensionamiento óptimo para un sistema de propulsión completo, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible. Además, se presenta un mapa de soluciones en el que es fácilmente identificable cuál es la configuración del sistema de propulsión más adecuada, desde el punto de vista del coste, masa y volumen global, en función de la máxima potencia que entregue la pila de combustible. Y finalmente se demuestra cómo una adecuada gestión de la energía permite reducir el consumo de hidrógeno de la pila de combustible, habiendo realizado tanto un dimensionamiento óptimo como inadecuado de todos los subsistemas del sistema de propulsión. La descripción en detalle de todas las aportaciones se ofrece a lo largo del documento, que se estructura tal y como se describe a continuación. El primer capítulo ofrece una visión global del papel de la automoción, y más en concreto de los vehículos propulsados por pilas de combustible, baterías y supercondensadores, en el empeño y necesidad de migrar hacia el uso de energías respetuosas con el medio ambiente. En el segundo capítulo se hace una revisión del estado de la técnica de todos los subsistemas que forman un sistema de distribución de potencia eléctrica. En primer lugar se exploran las diferentes topologías de sistemas de propulsión que se han presentado en la literatura, así como las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. A continuación se estudian los diferentes modelos y técnicas de identificación de parámetros que existen para la pila de combustible, baterías y supercondensadores. En cuanto a los convertidores de potencia, se resumen brevemente las topologías más adecuadas para este tipo de arquitecturas de distribución de potencia, sus ventajas e inconvenientes. Posteriormente se describe qué tipos de motores de tracción pueden resultar más atractivos para aplicaciones de automoción. Y finalmente se analizan en detalle los procedimientos de dimensionamiento que existen para los diferentes sistemas de propulsión, así como las distintas técnicas que se pueden aplicar para alcanzar una adecuada gestión de la energía. El tercer capítulo detalla, una vez realizada la revisión del estado del arte e identificados los aspectos en los que se pueden ofrecer contribuciones a la técnica, cuáles son los objetivos y principales aportaciones que persigue esta tesis doctoral: dos modelos de pila de combustible para simulación a nivel de sistema, sencillos, fáciles de parametrizar y precisos; un procedimiento sencillo de dimensionamiento óptimo de sistemas de distribución de potencia eléctrica en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo mapa de soluciones en cuanto a qué sistema de distribución de potencia eléctrica resulta más adecuado implementar en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo análisis de los principales factores que influyen directamente sobre el dimensionamiento y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica óptimo; y finalmente el análisis y comprobación de la necesidad de aplicar estrategias de gestión de la energía con el propósito de minimizar el consumo de hidrógeno de la pila de combustible. En el cuarto capítulo se describe el marco de aplicación de los sistemas de propulsión. En primer lugar se concretan las características básicas de los convertidores de potencia, sistemas acumuladores de energía, y pila de combustible. Además, se describen los perfiles de conducción que se van a aplicar al vehículo. Por último, se presentan las diez arquitecturas de distribución de potencia sobre las que se aplica el procedimiento de dimensionamiento óptimo propuesto. El capítulo quinto se dedica por completo a la descripción detallada del procedimiento de dimensionamiento óptimo que se aplica a los sistemas de distribución de potencia eléctrica basados en pilas de combustible, baterías y supercondensadores, y constituye una de las aportaciones originales de esta tesis doctoral. Mediante la aplicación de este método de dimensionamiento se ha podido identificar en qué rangos de la potencia máxima entregada por la pila de combustible resulta más adecuado el uso de baterías, supercondensadores, o ambos a la vez. No sólo se han establecido tres rangos diferentes de potencia, sino que además se han identificado cuáles son los valores limítrofes de potencia que minimizan la masa, volumen y coste globales de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Atendiendo a los límites de potencia de diseño, todos los sistemas de distribución de potencia eléctrica analizados se han clasificado de forma natural atendiendo al tipo de sistema acumulador de energía que implementan. Finalmente, el resultado final del proceso de dimensionamiento es un mapa de soluciones en el que se puede identificar qué tipo de sistema de distribución de potencia eléctrica es el más adecuado, junto con qué tecnología de sistema de acumulación de energía, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible, desde el punto de vista de la masa, volumen y coste global del sistema de propulsión. El capítulo sexto estudia detenidamente cuáles son las repercusiones, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, de aplicar diferentes perfiles de conducción sobre el vehículo: urbano, inter-urbano y de carretera. También se analiza la influencia de utilizar diferentes tecnologías de baterías, así como el impacto de extraer mayor o menor cantidad de energía de los sistemas acumuladores, tanto de las baterías como de los supercondensadores. Del mismo modo, se ha estudiado el efecto que ejerce sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, los diferentes valores de potencia mínima que deba entregar la pila de combustible. También se ha evaluado de qué manera afecta la máxima energía que deben suministrar las fuentes de energía secundarias en cada ciclo de conducción, respetando la especificación de tensión del bus de corriente continua, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Finalmente, se ha analizado la repercusión sobre la masa, volumen y coste, así como sobre el mapa de soluciones, de que los sistemas acumuladores entreguen, ciclo a ciclo, una energía neta negativa, es decir, que la energía que entregan durante cada ciclo sea menor que la recibida del frenado regenerativo en dicho ciclo. En todos estos análisis, no sólo se han considerado las repercusiones sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, sino que también se ha analizado cómo se ven modificados los rangos de potencia en los que se recomienda diseñar cada grupo de arquitecturas. El capítulo se cierra con un breve análisis de sensibilidad de costes. Con objeto de validar mediante simulación el procedimiento de dimensionamiento óptimo descrito, en el capítulo séptimo se describe el modelado de cada uno de los subsistemas que forman el tren de potencia de un vehículo propulsado por pilas de combustible, baterías y supercondensadores. Los dos modelos que se proponen de la pila de combustible son aportación original de este trabajo. Cada modelo reproduce uno de los dos tipos de respuesta transitoria específica que presentan las pilas de combustible. Sendos modelos se caracterizan por su simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y precisión en su comportamiento. También destaca la descripción detallada que se efectúa sobre el modelado del conjunto driver-motor-vehículo, desde las ecuaciones eléctricas y mecánicas que describen su comportamiento, hasta la obtención del modelo de pequeña señal para diseñar los lazos de control, y el modelo de simulación eléctrica implementado en la herramienta de simulación. Una vez desarrollados los modelos de todos y cada uno de los subsistemas que forman las arquitecturas de distribución de potencia, el capítulo octavo se centra en el análisis mediante simulación eléctrica del comportamiento de un total de cuatro sistemas de distribución de potencia eléctrica, gobernados con lazos de control en modo corriente y en modo tensión. Cada sistema de distribución de potencia eléctrica se ha dimensionado de acuerdo al rango de potencia óptimo en el que se sugiere su diseño. Las simulaciones con lazos de control en modo corriente y en modo tensión se muestran para un único ciclo de conducción. Además, con el objetivo de verificar que el dimensionamiento de los sistemas de distribución de potencia eléctrica llevado a cabo es correcto, se presentan simulaciones de una jornada de funcionamiento del vehículo de ocho horas de duración. La validación experimental de los sistemas de distribución de potencia eléctrica se aborda en el capítulo noveno. En primer lugar se describe el diseño e implementación física de los convertidores de potencia y de los circuitos de control, que junto a las baterías y supercondensadores constituyen cada uno de los sistemas de distribución de potencia eléctrica que se implementan. A continuación, se presentan el conjunto de pruebas y medidas experimentales que se han llevado a cabo, y que dan veracidad al método de dimensionamiento presentado. En el capítulo décimo se analiza la repercusión de aplicar estrategias de gestión de la energía sobre los sistemas de propulsión. Para ello, se analiza y compara el comportamiento de las fuentes de energía (pila de combustible y batería) de un sistema de distribución de potencia eléctrica cuando está sujeto o no a la acción de este tipo de técnicas. Las conclusiones que se extraen de este capítulo se centran en el consumo de combustible (hidrógeno) a lo largo de una jornada laboral, y por tanto en el coste diario del hidrógeno consumido, y en el coste diario de la electricidad necesaria para recargar las baterías al final del día. El capítulo undécimo resume las conclusiones obtenidas a lo largo del documento, así como las aportaciones originales de este trabajo, y propone un conjunto de posibles trabajos futuros.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Gabriel Garcerá Sanfelíu.- Vocal: Pedro Alou Cerver

Arquitectura e inteligencia computacional embebida para la supervisión de procesos: Aplicación a un proceso de microfabricación

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Informática. Fecha de lectura: 25 de mayo de 201

Memoria 2002

Memorias de CSIC 2002 (Tomo I y II)N

Estudio del mercado para determinar la creación de un Programa de Doctorado de Ingeniería Industrial en la Universidad Tecnológica de Pereira

Corresponde al momento de culminar estudios, desde el pregrado hasta los postgrados como: Especializaciones, maestrías y doctorados, elaborar proyectos de grado o tesis que permitan optar los títulos que se otorgan por haber cursado y aprendido satisfactoriamente los conocimientos y saberes que corresponden al currículo diseñado como parte del proceso de formación del nivel correspondiente, por medio del cual se evalúan los logros y competencias adquiridos y proyectan positivamente el trabajo del egresado en el futuro, por esta razón se realizó y se presenta el proyecto ¿ESTUDIO DEL MERCADO PARA DETERMINAR LA CREACIÓN DE UN PROGRAMA DE DOCTORADO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL EN LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA.¿ Para la comprensión y entendimiento del mismo es importante considerar que, como se parte del desarrollo del método científico aplicado, en la presente investigación se inicia con el planteamiento del problema, se realiza la justificación, se plantean los objetivos, general y específicos, se elabora el diseño metodológico, se procede a la obtención y análisis de la información y se corrobora el alcance de los resultados que deben estar estrechamente relacionados con los objetivos específicos y que permiten al final, confirmar si el objetivo general tiene posibilidad de cumplirse o no, como se puede observar en las conclusiones, recomendaciones y limitaciones.The realized marketing study looks forward the possibility to create a DOCTORATE PROGRAM IN INDUSTRIAL ENGINEERING for the TECHNOLOGICAL UNIVERSITY OF PEREIRA as a result of inferring and describing the findings in the specific Objectives development, about we refer next; First the program looks to analyze the offer in existing DOCTORATE PROGRAMS IN INDUSTRIAL ENGINEERING with those ones made by systematic organized consulting, working as modes to suggest part of all curriculum and contents for a flexible programs in Colombian cases. Second the program looks to analyze the demand of this kind with existing specific enabling programs, that way they can infer as possible to create a DOCTORATE PROGRAM IN INDUSTRIAL ENGINEERING to satisfy the necessities of a selected population. Third the study suggests the conformation of a sufficient and adequate administrative structure to allow advancing the managing process of the program with effective efficiency for a better mobility of educational, students and other actors in the program. Fourth the study made a financial proposal model for the initial budget and the projection in monthly discharging as simulation of an economic operation of the project to establish the minimum balance required. Fifth the last objective in the study is to establish which could be the possible impact into society with the formation and graduation of a new generation of DOCTORS IN INDUSTRIAL ENGINEERING. As a conclusions and recommendations to the understanding a consequence of the information obtained by the results at the end of the study we also present the possible limitations to make the initial proposal a reality. We expect that the project to create a DOCORATE PROGRAM IN INDUSTRIAL ENGINEERING FOR THE TECHNOLOGICAL UNIVERSITY OF PEREIRA came to be a reality and it takes the step into a real an effective way to be part of a knowledge society

Identificación Robusta de Sistemas no Lineales mediante Algoritmos Evolutivos

[EN] The identification process of the parameters of a nominal model and its uncertainty, when it is used for Robust Control, is known as Parametric Robust Identification (RI). A possible approach to RI, which is appropriate when noise statistical properties unknown and/or model error invalidate statistical approaches, is the deterministic one (Set Membership Estimation). This deterministic approach assumes that identification error (IE), differences between the simulated outputs of the model and the measured outputs of the process, although unknown, will be bounded. Therefore, the objective is to estimate the parameters set of a model which keeps the identification error bounded by a certain norm and bound. This set is known as the feasible parameter set (FPS). For linear in their parameters models, the FPS is, if it exists, a convex polytope. In nonlinear models, the polytope can be non-convex even disjoint. In this thesis a RI methodology, which permits to estimate any kind of FPS in nonlinear models when IE is bounded by several norms simultaneously, is presented. This methodology converts the RI problem into a multimodal optimization problem with optimal global infinities, which constitute the FPS. For its optimization a specific evolutionary algorithm e-GA has been developed, to characterize the FPS by means of a discrete set of models FPS^* adequately distributed along the FPS. The methodology comes accompanied by a procedure that makes easy the determination of bounds, associated to the norms of the IE, in order to guarantee an FPS\neq\emptyset. For that, the Pareto Front information, which is obtained by means of minimization norms of the IE in a multobjective context is used. To solve the multobjective problem an evolutionary algorithm e-MOGA has been developed. In addition, a nominal model of restricted interpolated projection which belongs to the FPS is proposed. It is optimal in both identification and estimation errors in the parameter space. The RI of three nonlinear models, with real data, is presented as application examples of the proposed methodology: a thermal process, a model which shows the blockage that produces a given drug on the ionic currents of a cardiac cell and a greenhouse climate model (temperature and humidity) with roses hydroponic crop.[ES] Al proceso de identificación de los parámetros de un modelo nominal y su incertidumbre para su utilización en Control Robusto se le conoce como Identificación Robusta Paramétrica (IR). Un posible enfoque para abordar la IR, que resulta apropiado cuando el desconocimiento de las propiedades estadísticas del ruido y/o la dinámica no modelada invalidan los enfoques estocásticos, es el determinístico (Set Membership Estimation). Este enfoque asume que el error de identificación (EI), diferencia entre las salidas medidas de proceso y las simuladas del modelo, aunque es desconocido, está acotado. De ahí que, bajo este enfoque, se persiga la determinación del conjunto de parámetros que consiguen mantener el EI acotado para una determinada norma y cota. Dicho conjunto es conocido como el conjunto de parámetros factibles (FPS). Cuando el modelo es lineal respecto de sus parámetros, el FPS, si existe, es un politopo convexo. En modelos no lineales dicho politopo puede ser no convexo e incluso inconexo. En esta tesis se presenta una metodología de IR que permite determinar FPS, de cualquier tipo, en modelos no lineales cualesquiera, acotando el EI simultáneamente mediante varias normas. La metodología transforma el problema de IR en un problema de optimización multimodal con infinitos óptimos globales, los cuales constituyen el FPS. Para su optimización se ha desarrollado un algoritmo evolutivo (EA) específico e-GA, que caracteriza el FPS mediante un conjunto discreto de modelos FPS* adecuadamente distribuido a lo largo del FPS. La metodología viene acompañada de un procedimiento que facilita la determinación de las cotas, asociadas a las normas que acotan el EI, para asegurar que FPS no se aun conjutno vacío. Para ello, se utiliza la información que genera el frente de Pareto resultante de la minimización simultánea de las normas mediante una optimización multiobjetivo.Para resolver este problema de optimización se ha desarrollado el algoritmo evolutivo e-MOGA. Adicionalmente, se propone como modelo nominal un modelo de proyección interpolada restringida que, pertenenciendo al FPS, resulta óptimo respecto del error de identificación y respecto del error de estimación en el espacio de parámetros. Como ejemplos de aplicación de la metodología propuesta se presenta la IR, con datos reales, de los parámetros de tres modelos no lineales: un sistema térmico, un modelo que refleja el bloqueo que produce un determinado fármaco sobre las corrientes iónicas de una célula cardíaca y el modelo climático de un invernadero (temperatura y humedad) con cultivo hidropónico de rosas.[CA] Al procés d'identificació dels paràmetres d'un model nominal i la seua incertesa per a la seua utilització en Control Robust se'l coneix com a Identificació Robusta Paramètrica (IR). Un possible enfocament per a abordar l'IR, que resulta apropiat quan el desconeixement de les propietats estadístiques del soroll i/o la dinàmica no modelada invaliden els enfocaments estocàstics, és el determinístic (Set Membership Estimation). Aquest enfocament assumeix que l'error d'identificació (EI), diferència entre les eixides mesurades del procés i les simulades del model, encara que és desconegut, està acotat. Davall aquest enfocament, es persegueix la determinació del conjunt de paràmetres que aconsegueixen mantenir l'EI acotat per a una determinada norma i cota. Dit conjunt és conegut com el conjunt de paràmetres factibles (FPS). Quan el model és lineal respecte dels seus paràmetres, el FPS, si existeix, és un politop convex. En models no lineals dit politop pot ser no convex i fins i tot inconnex. En aquesta tesi es presenta una metodologia d'IR que permet determinar FPS, de qualsevol tipus, en models no lineals qualsevol, acotant l'EI simultàniament mitjançant diverses normes. La metodologia transforma el problema d'IR en un problema d'optimització multimodal amb infinits òptims globals, els quals constitueixen el FPS. Per a la seua optimització s'ha desenvolupat un algoritme evolutiu (EA) específic e-GA, que caracteritza el FPS mitjançant un conjunt discret de models FPS^* adequadament distribuït al llarg del FPS. La metodologia ve acompanyada d'un procediment que facilita la determinació de les cotes, associades a les normes que acoten l'EI, per a assegurar que FPS\neq\emptyset. Per a això, s'utilitza la informació que genera el front de Pareto resultant de la minimització simultània de les normes mitjançant una optimització multiobjetiu. Per a la resoldre, el problema multiobjectiu s'ha desenvolupat l'algoritme evolutiu e-MOGA. Addicionalment, es proposa com a model nominal un model de projecció interpolada restringida que, pertanyent al FPS, resulta òptim respecte de l'error d'identificació i respecte de l'error de estimació en l'espai de paràmetres. Com a exemples d'aplicació de la metodologia proposada es presenta l'IR, amb dades reals, dels paràmetres de tres models no lineals: un sistema tèrmic, un model que reflecteix el bloqueig que produeix un determinat fàrmac sobre els corrents iònics d'una cèl·lula cardíaca i el model climàtic d'un hivernacle (temperatura i humitat) amb cultiu hidropònic de roses.Herrero Durá, JM. (2006). Identificación Robusta de Sistemas no Lineales mediante Algoritmos Evolutivos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/13139

Deep Landmarking: Reconocimiento automático de estructuras anatómicas por medio de morfometría geométrica

La adquisición de información fenotípica es un aspecto clave en diversos contextos, incluyendo análisis biométricos, estudios bioantropológicos, investigaciones biomédicas, y ciencia forense por citar algunos.Para ello se requiere la identificación automática de estructuras anatómicas de interés biométrico, como por ejemplo huellas dactilares, patrones en el iris, o rasgos faciales.Estas estructuras son utilizadas masivamente, pero poseen la desventaja de requerir intrusión para adquirir la información a ser analizada.En esta tesis presentamos un nuevo método, basado en la Morfometría Geométrica, para la detección y extacción automática de datos anatómicos característicos (features) en la forma de hitos (landmarks) en 2D o 3D.Para ello se entrenó una red neuronal con conjuntos de datos obtenidos en forma supervisada por medio de expertos antropólogos y biólogos. El sistema resultante posee la capacidad de realizar landmarking en forma automática en imágenes y video sin preparación previa, obteniéndose parámetros de calidad equivalente o superiores a los adquiridos por expertos humanos.Estos resultados abren la posibilidad de generar en forma automática y confiable vectores de atributos basados en propiedades fenotípicas.Se exploran algunas aplicaciones en diversos contextos incluyendo biometría, videojuegos, interfases naturales y otras aplicaciones.Accurate gathering of phenotypic information is a key aspect in several subject matters, including biometric identification, biomedical analysis, bioanthropology studies, forensics, and many other. Automatic identification of anatomical structures of biometric interest, such as fingerprints, iris patterns, or facial traits, are extensively used in applications like access control, anthropological research, and surveillance, all having in common the drawback of requiring intrusive means for acquiring the required information. In this thesis we present a new method, based on two well established methodologies, Geometric Morphometrics and Deep Learning algorithms, for automatic phenotype detection and feature extraction in the form of 2D and 3D landmarks. A convolutional neural network was trained with a set of manually landmarked examples. The trained network is able to provide morphometric landmarks on images automatically, with a performance that matches human assisted landmarking. The ability to perform in the open (i.e., in images or video taken with no specific acquisition preparation). The feasibility of using landmarks as feature vectors for different classifications tasks is explored in a novel spectrum of biometrics, video games, and natural user interfaces applications.Fil: Cintas, Celia. Universidad Nacional del Sur; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Centro Nacional Patagónico. Instituto Patagónico de Ciencias Sociales y Humanas; Argentina. Autor

Resistirse al presente: Diseño por exploraciones sintéticas

El documento se dividió en tres capítulos: Capítulo I:. Antecedentes y fundamentación conceptual. Capítulo II: Presentación de la metodología. Filosofía y fundamentación del método. Capítulo III: Casos y aplicación tecnológica. Conclusiones. La noción de artefacto es pieza clave para situar la producción de objetos generativos bifurcados entre arte-ciencia y diseño-ingeniería permitiendo desarrollar nuevas hipótesis, modelos y accidentes que pueden verificarse computacionalmente. Los agentes de software representan uno de los sub-dominios más activos de la Inteligencia Artificial. Muchos intentan modelar y reproducir aspectos de la naturaleza humana, aprendizaje y razonamiento en entidades autónomas para la toma de decisiones. Otros realizan exploraciones artísticas para provocar experiencias. El modelado basado en agentes se presenta como una posibilidad para comprender fenómenos emergentes cuyo resultado se posibilita debido a la interacción entre individuos de un sistema. Para evaluar artefactos generativos, se propone sustituir el concepto tradicional de verificación con el concepto de exploración. La idea de confiabilidad sin conseguir resultados óptimos implica un cambio de perspectiva. Sin duda, las herramientas plantean procesos de producción situados. Esto, se deriva de un fuerte dominio sobre los mecanismos técnicos que permiten intensificar sensaciones, y paralelamente, se hace necesario reflexionar sobre los medios que nos rodean. El diseño y su capacidad organizativa hace posible la búsqueda de nuevos modos de hacer las cosas, formas distintas de relacionarse con el mundo.El diseño por exploraciones sintéticas es un espacio que posibilita la producción de artefactos generativos. Ya sea como material físico o conceptual sobre el que actúa la poiesis, aparece una libertad subjetiva para elegir desde lo intencional hasta esferas conceptuales computacionales permitiendo identificar objetos cuyas articulaciones requieren la estructuración de distintas interpretaciones tecnocientíficas. Se asume que los artefactos, con los que se trabaja, dan como resultado la producción de una teoría bifurcada entre arte-ciencia y diseño-ingeniería. Con base en una investigación cualitativa a través de observación y participación, se trabajaron 19 casos de estudios con personalidades del arte digital en México basados en sus trayectorias en diferentes ámbitos de conocimiento y un proceso producido susceptible de ser analizado como modelo formal o digital. El periodo de observación fue de año y medio, de manera continua en conferencias, talleres y salones de clase. A través de la participación se pudieron entender perspectivas individuales y las relaciones que establecen en sus procesos bajo contextos o necesidades específicas. Se propone un mapa de navegación conceptual que sitúa maneras de producir soportados en la fuerza fenomenológica, teoría computacional e inteligencia artificial generativa. En todo caso, se lleva a la práctica el desarrollo de un algoritmo genético cuyo resultado es esfuerzo del marco teórico propuesto en la investigación. Así como, un método para diseñar sistemas dinámicos

Caracterización de arquitecturas de circuitos genéticos desde modelos analíticos y estocásticos

Diseñar un nuevo circuito genético requiere determinar no solo la respuesta de cada una de sus partes, sino también la escogencia de una implementación biológica. En este trabajo analizamos tres de las más simples y comunes arquitecturas de regulación genética en términos de sus tiempos de estabilización, rangos de producción y ruido intrínseco a partir de descripciones analíticas y simulaciones estocásticas. Planteamos un marco de trabajo para la comparación de los modelos y los ilustramos para un rango posible de parámetros para los diferentes circuitos. Proponemos una nueva forma para comprobar soluciones deterministas de los sistemas basada en álgebra de convoluciones, y un acercamiento analítico a la solución completa del comportamiento estocástico de los mismos. Este estudio sirve como base, e ilustra algunas consideraciones necesarias, para la escogencia de la arquitectura más viable de acuerdo a requerimientos específicos de un circuito genético.Designing a new genetic circuit requires determining not only the response of each of its parts, but also the choice of a biological implementation. In this paper we analyze three of the simplest and most common genetic regulation architectures in terms of their stabilization times, production ranges and intrinsic noise from analytical descriptions and stochastic simulations. We propose a framework for comparing the models and illustrate them for a possible range of parameters for the different circuits. We propose a new way to check deterministic solutions of systems based on convolution algebra, and an analytical approach to the complete solution of the stochastic behavior of them. This study serves as the basis, and illustrates some necessary considerations, for the choice of the most viable architecture according to specific requirements of a genetic circuit.Magíster en FísicaMaestrí

Modelizado para la planeación de la producción y la logística directa e inversa de una cadena de suministro cuyo abastecimiento depende parcialmente de los materiales de retorno

[EN] In this Thesis, we analyze an industry type that has two basic features: Its products are distributed in a geographic level and it reuses material after that is consumed to made new products. Because of these features, it represents a logistics challenge. This kind of supply chains is characterized also by having various stages that permit to carry the products from facility plants to the final customer. First, it is analyzed the supply chain structure, from production, in facility plants to the final customer by retailers, downstream; and from the customer, when returnable materials are liberated, classification and transport upstream to facility plants , where are prepared and used many times, until the end of their usable life. The attention focus is the integration of two fundamental functions of the supply chain management, in this case, production planning and distribution planning including the collection of reusable materials. It is precise to plan the production to satisfy retailers demand and to the procurement of returnable materials which after being consumed return to the process. It is made a bibliographical review about production planning, reverse logistics and vehicle routing and, it is built mathematical programming models to make decisions in production planning (in facility plants), inventories planning (in all the supply chain), and the deliveries that should be done in both senses in their respective routes. As a result of this research, there are three models of Mixed Integer Linear Programming: -Production planning model: Mathematical model which represents all the facilities in each one of the levels of the supply chain and their geographical localization. It lets to determine production and stock levels and delivery quantities in order to satisfy the demands in a planning horizon of several periods. This model has capacity constraints for both production and storage, constraints of demand, compatibility between products and facilities because not all the products can be in all facilities, and constraints of direct deliveries among determinate nodes in the supply chain (particularly between plants and retailers), especially. -Vehicle routing model: mathematical model that represents products distribution from different source nodes to destine nodes, it use a heterogeneous fleet, in a time period. One of the model assumptions is that a node acts as product emitting or recipient (facility plants or retailers). However, an intermediate node can take one of these roles depending if is the origin or destine of goods. This model has fleet use constraints, volume, and mass capacity vehicle constraints, fluxes in the supply chain. A vehicle can visit several destine nodes after leave from a source node, and a node can be visited by one or more vehicles (because of compatibility conditions between products and nodes or by economical aspects) and there are soft and strong time windows. -Integrated logistics and production management model: It is a model that join the two previous models, because of it, it is possible to plan production, inventories, and vehicle routing for a horizon time of several periods. Three proposed models have the objective of minimizing the total cost and are evaluated with testing instances. The Models were built using Gurobi 6.5.1 optimization model and Python2.7 pro- gramming language. Moreover, it was built a constructive heuristics and a genetic algorithm using Python programming language and Pyevolve software, as an alternative to solving routing vehicles, to reduce execution time.[ES] En esta tesis se analiza un tipo de industria en el que: sus productos son distribuidos ampliamente a nivel geográfico y emplean elementos que una vez usados regresan al proceso de fabricación para hacer parte de nuevos productos. Este tipo de cadena se caracteriza por la presencia de varios eslabones que permiten acercar el producto al consumidor final. Se hace un análisis de la estructura de la cadena de suministros, desde la producción, en las plantas hasta su llegada al cliente final por intermedio de los detallistas, en el sentido "aguas abajo", y desde el consumo del producto y la consecuente liberación de los materiales reutilizables que deben conducirse "aguas arriba" hasta las plantas de producción, donde son preparados y utilizados una y otra vez hasta el final de su vida útil. El foco de atención consiste en la integración de dos funciones fundamentales de la cadena de suministros: la planeación de la producción y la distribución del producto con la consecuente recolección de los materiales de retorno. Se precisa realizar la planeación de la producción de manera que dé satisfacción a la demanda que tiene lugar en los detallistas, y que se abastezca de los materiales de retorno que una vez consumido el producto se reincorporan al proceso. Se hace una revisión bibliográfica sobre planeación de la producción, logística inversa y ruteo de vehículos y; se construyen modelos de programación matemática que soportan la toma de decisiones en la planeación de la producción, de los inventarios (en toda la cadena de suministros), y de los envíos que deben realizarse en uno y otro sentido en las correspondientes rutas. Como resultado de la investigación se presentan tres modelos de programación lineal entera mixta (MILP), así: -Modelo de planeación de la producción: representa la cadena de suministros a partir de las instalaciones de cada uno de los niveles y su ubicación geográfica, y determina los volúmenes a producir, a almacenar y las cantidades que se deben enviar desde cada nodo de la cadena de suministros a los demás, de modo que se satisfaga la demanda en un horizonte de planeación compuesto por varios periodos. Este modelo presenta restricciones de capacidad tanto de producción como de almacenamiento, de demanda, de compatibilidad de productos con las instalaciones, y de envíos directos entre determinados nodos de la cadena de suministros. -Modelo de ruteo de vehículos: representa la forma en que se deben distribuir los productos desde los diferentes nodos fuente a los diferentes nodos destino, haciendo uso de una flota heterogénea de vehículos, en un periodo de tiempo. El modelo se hace bajo el supuesto de que los nodos son o emisores o receptores del producto, un nodo intermedio asume uno de estos roles según si es origen o destino de las mercancías. Presenta restricciones asociadas al uso de la flota, a su capacidad tanto en masa como en volumen, los flujos a lo largo de la cadena bajo la premisa de que un vehículo parte de un nodo fuente y puede visitar varios nodos destino antes de regresar, y de que un nodo puede ser visitado por varios vehículos (por condiciones de compatibilidad entre nodos y productos o porque resulta más económico), ante la presencia de ventanas de tiempo tanto rígidas como suaves. -Modelo integrado de gestión de producción y logística: reúne los dos modelos anteriores, es decir, permite la planeación de la producción, la gestión de los inventarios y el ruteo de vehículos para un horizonte de planeación determinado. Los tres modelos se proponen con el objetivo de minimizar los costes totales y son evaluados con instancias de prueba. Los modelos fueron implementados haciendo uso del software de optimización Gurobi y del lenguaje de programación Python. Además, se implementó una heurística constructiva y un algortimo genético utilizando Python y el software Pyevolve, como alternativa a la solución del VRP, para reducir el tiem[CA] Aquesta tesi s'analitza un tipus d'indústria que: els seus productes són distribuïts àmpliament a nivell geogràfic i fan ús d'elements que una vegada usats tornen al procés de fabricació per a fer part dels nous productes. Aquest tipus de cadenes es caracteritza per la presència de diversos eslavons que permeten acostar el producte des de les plantes de producció fins a arribar al consumidor final. Es fa una anàlisi de l'estructura de la cadena de subministraments, des de la producció, en les plantes fins a la seua arribada al client final per mitjà dels detallistes, en el sentit "aigües a baix", i des del consum del producte i el conseqüent alliberament dels materials reutilitzables que han de conduir-se "aigües a dalt" fins a les plantes de producció, on són preparats i utilitzats una vegada i una altra, fins al final de la seua vida útil. El focus d'atenció consisteix en la integració de dues funcions fonamentals de la cadena de subministraments: la planificació de la producció i la distribució del producte amb la conseqüent recol·lecció dels materials de tornada. Sobre aquest tema, es precisa realitzar la planificació de la producció de manera que done satisfacció a la demanda que té lloc en els detallistes, i que es proveïsca dels materials de tornada que, una vegada consumit el producte, es reincorporen al procés. Es fa una revisió bibliogràfica del relacionat amb planificació de la producció, logística inversa i enrutament de vehicles i es construeixen models de programació matemàtica que suporten la presa de decisions en la planificació de la producció, dels inventaris (tota la cadena de subministraments), i dels enviaments que han de realitzar-se en un i un altre sentit en les corresponents rutes. Com a resultat de la recerca es presenten tres models de Programació Lineal Sencera Mixta (MILP), així: -Model de planificació de la producció: representa la cadena de subministraments a partir de les instal·lacions de cadascun dels nivells i la seua ubicació geogràfica, i es determinen els volums a produir, a emmagatzemar i les quantitats que s'han d'enviar des de cada node de la cadena de subministraments als altres, de manera que se satisfaça la demanda en un horitzó de planificació compost per diversos períodes. Aquest model presenta restriccions de capacitat tant de producció com d'emmagatzematge, de demanda, de compatibilitat de productes amb les instal·lacions, i d'enviaments directes entre determinats nodes de la cadena de subministraments, entre altres aspectes. -Model de enrutament de vehicles: representa la forma en què s'han de distribuir els productes des dels diferents nodes font als diferents nodes destine, fent ús d'una flota heterogènia de vehicles, en un període de temps. Els nodes són o emissors o receptors del producte, encara que en la seua utilització un node intermedi pot assumir un d'aquests rols segons si és origen o destinació de les mercaderies. Per a aquest model es tenen en compte les restriccions associades a l'ús de la flota, a la seua capacitat tant en massa com en volum, els fluxos al llarg de la cadena sota la premissa que un vehicle parteix d'un node font i pot visitar diversos nodes destine abans de tornar, i que un node pot ser visitat per diversos vehicles, davant la presència de finestres de temps tant rígides com suaus. -Model integrat de gestió de producció i logística: reuneix els dos models anteriors, és a dir, permet la planificació de la producció, la gestió dels inventaris i el enrutament de vehicles per a un horitzó de planificació determinat. Els tres models es proposen amb l'objectiu de minimitzar els costos totals i són avaluats amb instàncies de prova, apropiades. Els models van ser implementats fent ús del programari d'optimització Gurobi i del llenguatge de programació Python. A més, es va implementar una heurística constructiva i un algortime genètic utilitzant Python i el programari PyeParra Peña, J. (2016). Modelizado para la planeación de la producción y la logística directa e inversa de una cadena de suministro cuyo abastecimiento depende parcialmente de los materiales de retorno [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73726TESI