Reliability-based economic model predictive control for generalized flow-based networks including actuators' health-aware capabilities

This paper proposes a reliability-based economic model predictive control (MPC) strategy for the management of generalized flow-based networks, integrating some ideas on network service reliability, dynamic safety stock planning, and degradation of equipment health. The proposed strategy is based on a single-layer economic optimisation problem with dynamic constraints, which includes two enhancements with respect to existing approaches. The first enhancement considers chance-constraint programming to compute an optimal inventory replenishment policy based on a desired risk acceptability level, leading to dynamically allocate safety stocks in flow-based networks to satisfy non-stationary flow demands. The second enhancement computes a smart distribution of the control effort and maximises actuators’ availability by estimating their degradation and reliability. The proposed approach is illustrated with an application of water transport networks using the Barcelona network as the considered case study.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Health-aware economic MPC for operational management of flow-based networks using bayesian networks

This paper presents a health-aware economic Model Predictive Control (EMPC) approach for the Prognostics and Health Management (PHM) of generalized flow-based networks. The proposed approach consists of the integration of the network reliability model obtained from a Bayesian network in the control model. The controller is then able to optimally manage the supply taking into consideration the distribution of the control effort, to extend the life of the actuators by delaying the network reliability decay as much as possible. It also considers an optimal inventory replenishment policy based on a desired risk acceptability level, leading to the availability of safety stocks for unexpected excess demand in networks. The proposed implementation is illustrated with a real case study corresponding to an aggregate model of the Drinking Water transport Network (DWN) of Barcelona.Peer ReviewedPostprint (published version

On model predictive control for economic and robust operation of generalised flow-based networks

This thesis is devoted to design Model Predictive Control (MPC) strategies aiming to enhance the management of constrained generalised flow-based networks, with special attention to the economic optimisation and robust performance of such systems. Several control schemes are developed in this thesis to exploit the available economic information of the system operation and the disturbance information obtained from measurements and forecasting models. Dynamic network flows theory is used to develop control-oriented models that serve to design MPC controllers specialised for flow networks with additive disturbances and periodically time-varying dynamics and costs. The control strategies developed in this thesis can be classified in two categories: centralised MPC strategies and non-centralised MPC strategies. Such strategies are assessed through simulations of a real case study: the Barcelona drinking water network (DWN). Regarding the centralised strategies, different economic MPC formulations are first studied to guarantee recursive feasibility and stability under nominal periodic flow demands and possibly time-varying economic parameters and multi-objective cost functions. Additionally, reliability-based MPC, chance-constrained MPC and tree-based MPC strategies are proposed to address the reliability of both the flow storage and the flow transportation tasks in the network. Such strategies allow to satisfy a customer service level under future flow demand uncertainty and to efficiently distribute overall control effort under the presence of actuators degradation. Moreover, soft-control techniques such as artificial neural networks and fuzzy logic are used to incorporate self-tuning capabilities to an economic certainty-equivalent MPC controller. Since there are objections to the use of centralised controllers in large-scale networks, two non-centralised strategies are also proposed. First, a multi-layer distributed economic MPC strategy of low computational complexity is designed with a control topology structured in two layers. In a lower layer, a set of local MPC agents are in charge of controlling partitions of the overall network by exchanging limited information on shared resources and solving their local problems in a hierarchical-like fashion. Moreover, to counteract the loss of global economic information due to the decomposition of the overall control task, a coordination layer is designed to influence non-iteratively the decision of local controllers towards the improvement of the overall economic performance. Finally, a cooperative distributed economic MPC formulation based on a periodic terminal cost/region is proposed. Such strategy guarantees convergence to a Nash equilibrium without the need of a coordinator and relies on an iterative and global communication of local controllers, which optimise in parallel their control actions but using a centralised model of the network.Esta tesis se enfoca en el diseño de estrategias de control predictivo basado en modelos (MPC, por sus siglas en inglés) con la meta de mejorar la gestión de sistemas que pueden ser descritos por redes generalizadas de flujo y que están sujetos a restricciones, enfatizando especialmente en la optimización económica y el desempeño robusto de tales sistemas. De esta manera, varios esquemas de control se desarrollan en esta tesis para explotar tanto la información económica disponible de la operación del sistema como la información de perturbaciones obtenida de datos medibles y de modelos de predicción. La teoría de redes dinámicas de flujo es utilizada en esta tesis para desarrollar modelos orientados a control que sirven para diseñar controladores MPC especializados para la gestión de redes de flujo que presentan tanto perturbaciones aditivas como dinámicas y costos periódicamente variables en el tiempo. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se pueden clasificar en dos categorías: estrategias de control MPC centralizado y estrategias de control MPC no-centralizado. Dichas estrategias son evaluadas mediante simulaciones de un caso de estudio real: la red de transporte de agua potable de Barcelona en España. En cuanto a las estrategias de control MPC centralizado, diferentes formulaciones de controladores MPC económicos son primero estudiadas para garantizar factibilidad recursiva y estabilidad del sistema cuya operación responde a demandas nominales de flujo periódico, a parámetros económicos posiblemente variantes en el tiempo y a funciones de costo multi-objetivo. Adicionalmente, estrategias de control MPC basado en fiabilidad, MPC con restricciones probabilísticas y MPC basado en árboles de escenarios son propuestas para garantizar la fiabilidad tanto de tareas de almacenamiento como de transporte de flujo en la red. Tales estrategias permiten satisfacer un nivel de servicio al cliente bajo incertidumbre en la demanda futura, así como distribuir eficientemente el esfuerzo global de control bajo la presencia de degradación en los actuadores del sistema. Por otra parte, técnicas de computación suave como redes neuronales artificiales y lógica difusa se utilizan para incorporar capacidades de auto-sintonía en un controlador MPC económico de certeza-equivalente. Dado que hay objeciones al uso de control centralizado en redes de gran escala, dos estrategias de control no-centralizado son propuestas en esta tesis. Primero, un controlador MPC económico distribuido de baja complejidad computacional es diseñado con una topología estructurada en dos capas. En una capa inferior, un conjunto de controladores MPC locales se encargan de controlar particiones de la red mediante el intercambio de información limitada de los recursos físicos compartidos y resolviendo sus problemas locales de optimización de forma similar a una secuencia jerárquica de solución. Para contrarrestar la pérdida de información económica global que ocurra tras la descomposición de la tarea de control global, una capa de coordinación es diseñada para influenciar no-iterativamente la decisión de los controles locales con el fin de lograr una mejora global del desempeño económico. La segunda estrategia no-centralizada propuesta en esta tesis es una formulación de control MPC económico distribuido cooperativo basado en una restricción terminal periódica. Tal estrategia garantiza convergencia a un equilibrio de Nash sin la necesidad de una capa de coordinación pero requiere una comunicación iterativa de información global entre todos los controladores locales, los cuales optimizan en paralelo sus acciones de control utilizando un modelo centralizado de la red

Health-aware predictive control schemes based on industrial processes

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el dia 30 de desembre de 2021The research is motivated by real applications, such as pasteurization plant, water networks and autonomous system, which each of them require a specific control system to provide proper management able to take into account their particular features and operating limits in presence of uncertainties related to their operation and failures from component breakdowns. According to that most of the real systems have nonlinear behaviors, it can be approximated them by polytopic linear uncertain models such as Linear Parameter Varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) models. Therefore, a new economic Model Predictive Control (MPC) approach based on LPV/TS models is proposed and the stability of the proposed approach is certified by using a region constraint on the terminal state. Besides, the MPC-LPV strategy is extended based on the system with varying delays affecting states and inputs. The control approach allows the controller to accommodate the scheduling parameters and delay change. By computing the prediction of the state variables and delay along a prediction time horizon, the system model can be modified according to the evaluation of the estimated state and delay at each time instant. To increase the system reliability, anticipate the appearance of faults and reduce the operational costs, actuator health monitoring should be considered. Regarding several types of system failures, different strategies are studied for obtaining system failures. First, the damage is assessed with the rainflow-counting algorithm that allows estimating the component’s fatigue and control objective is modified by adding an extra criterion that takes into account the accumulated damage. Besides, two different health-aware economic predictive control strategies that aim to minimize the damage of components are presented. Then, economic health-aware MPC controller is developed to compute the components and system reliability in the MPC model using an LPV modeling approach and maximizes the availability of the system by estimating system reliability. Additionally, another improvement considers chance-constraint programming to compute an optimal list replenishment policy based on a desired risk acceptability level, managing to dynamically designate safety stocks in flowbased networks to satisfy non-stationary flow demands. Finally, an innovative health-aware control approach for autonomous racing vehicles to simultaneously control it to the driving limits and to follow the desired path based on maximization of the battery RUL. The proposed approach is formulated as an optimal on-line robust LMI based MPC driven from Lyapunov stability and controller gain synthesis solved by LPV-LQR problem in LMI formulation with integral action for tracking the trajectory.Esta tesis pretende proporcionar contribuciones teóricas y prácticas sobre seguridad y control de sistemas industriales, especialmente en la forma maten ática de sistemas inciertos. La investigación está motivada por aplicaciones reales, como la planta de pasteurización, las redes de agua y el sistema autónomo, cada uno de los cuales requiere un sistema de control específico para proporcionar una gestión adecuada capaz de tener en cuenta sus características particulares y limites o de operación en presencia de incertidumbres relacionadas con su operación y fallas de averías de componentes. De acuerdo con que la mayoría de los sistemas reales tienen comportamientos no lineales, puede aproximarse a ellos mediante modelos inciertos lineales politopicos como los modelos de Lineal Variación de Parámetros (LPV) y Takagi-Sugeno (TS). Por lo tanto, se propone un nuevo enfoque de Control Predictivo del Modelo (MPC) económico basado en modelos LPV/TS y la estabilidad del enfoque propuesto se certifica mediante el uso de una restricción de región en el estado terminal. Además, la estrategia MPC-LPV se extiende en función del sistema con diferentes demoras que afectan los estados y las entradas. El enfoque de control permite al controlador acomodar los parámetros de programación y retrasar el cambio. Al calcular la predicción de las variables de estado y el retraso a lo largo de un horizonte de tiempo de predicción, el modelo del sistema se puede modificar de acuerdo con la evaluación del estado estimado y el retraso en cada instante de tiempo. Para aumentar la confiabilidad del sistema, anticipar la aparición de fallas y reducir los costos operativos, se debe considerar el monitoreo del estado del actuador. Con respecto a varios tipos de fallas del sistema, se estudian diferentes estrategias para obtener fallas del sistema. Primero, el daño se evalúa con el algoritmo de conteo de flujo de lluvia que permite estimar la fatiga del componente y el objetivo de control se modifica agregando un criterio adicional que tiene en cuenta el daño acumulado. Además, se presentan dos estrategias diferentes de control predictivo económico que tienen en cuenta la salud y tienen como objetivo minimizar el daño de los componentes. Luego, se desarrolla un controlador MPC económico con conciencia de salud para calcular los componentes y la confiabilidad del sistema en el modelo MPC utilizando un enfoque de modelado LPV y maximiza la disponibilidad del sistema mediante la estimación de la confiabilidad del sistema. Además, otra mejora considera la programación de restricción de posibilidades para calcular una política ´optima de reposición de listas basada en un nivel de aceptabilidad de riesgo deseado, logrando designar dinámicamente existencias de seguridad en redes basadas en flujo para satisfacer demandas de flujo no estacionarias. Finalmente, un enfoque innovador de control consciente de la salud para vehículos de carreras autónomos para controlarlo simultáneamente hasta los límites de conducción y seguir el camino deseado basado en la maximización de la bacteria RUL. El diseño del control se divide en dos capas con diferentes escalas de tiempo, planificador de ruta y controlador. El enfoque propuesto está formulado como un MPC robusto en línea optimo basado en LMI impulsado por la estabilidad de Lyapunov y la síntesis de ganancia del controlador resuelta por el problema LPV-LQR en la formulación de LMI con acción integral para el seguimiento de la trayectoria.Postprint (published version

Multi–layer health–aware economic predictive control of a pasteurization pilot plant

This paper proposes two different health-aware economic predictive control strategies that aim at minimizing the damage of components in a pasteurization plant. The damage is assessed with a rainflow-counting algorithm that allows estimating the components’ fatigue. By using the results obtained from this algorithm, a simplified model that characterizes the health of the system is developed and integrated into the predictive controller. The overall control objective is modified by adding an extra criterion that takes into account the accumulated damage. The first strategy is a single-layer predictive controller with an integral action to eliminate the steady-state error that appears when adding the extra criterion. In order to achieve the best minimal accumulated damage and operational costs, the single-layer approach is improved with a multi-layer control scheme, where the solution of the dynamic optimization problem is obtained from the model in two different time scales. Finally, to achieve the advisable trade-off between minimal accumulated damage and operational costs, both control strategies are compared in simulation over a utility-scale pasteurization plant.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Contribution to reliable control of dynamic systems

This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques

Contribution to reliable control of dynamic systems

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al maig 2020This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques.Postprint (published version

New Waves of IoT Technologies Research – Transcending Intelligence and Senses at the Edge to Create Multi Experience Environments

The next wave of Internet of Things (IoT) and Industrial Internet of Things (IIoT) brings new technological developments that incorporate radical advances in Artificial Intelligence (AI), edge computing processing, new sensing capabilities, more security protection and autonomous functions accelerating progress towards the ability for IoT systems to self-develop, self-maintain and self-optimise. The emergence of hyper autonomous IoT applications with enhanced sensing, distributed intelligence, edge processing and connectivity, combined with human augmentation, has the potential to power the transformation and optimisation of industrial sectors and to change the innovation landscape. This chapter is reviewing the most recent advances in the next wave of the IoT by looking not only at the technology enabling the IoT but also at the platforms and smart data aspects that will bring intelligence, sustainability, dependability, autonomy, and will support human-centric solutions.acceptedVersio

Development of efficient data management and analytics tools for Intelligent sanitation network design.

Williams, Leon - Associate SupervisorAccording to the World Health Organisation, billions of people lack access to basic sanitation facilities and services, resulting in estimated 2.9 million cases of diseases and 95,000 deaths each year. This is because poor planning, design, maintenance, and access in traditional sanitation networks. Nowadays, intelligent sanitation systems leveraging the Internet of Things (IoT) technology can provide efficient and sustainable services, incorporating sensors, hardware, software, and wireless communication. Furthermore, advanced data analytics tools combined with the intelligent sanitation systems can provide a deeper insight into operations, make informed decisions, and enhance user experience, thereby improving sanitation services. The thesis provides a comprehensive review of literature on intelligent sanitation systems from both academic and industrial perspectives, with the objective of identifying recent advances, research gaps, opportunities, and challenges. Existing solutions for intelligent sanitation are fragmented and immature due to a lack of a unified framework and tool. To address these issues, the thesis introduces a generalised Sanitation-IoT (San-IoT) framework to manage sanitation facilities and a standardised Sanitation-IoT-Data Analytics (San-IoT-DA) tool to analyse sanitation data. The framework and tool can serve as a foundation for future research and development in intelligent sanitation systems. The San-IoT framework can enhance the connectivity, operability, and management of IoT-based sanitation networks. The San-IoT-DA tool is designed to standardise the collection, analysis, and management of sanitation data for providing efficient data processing and improving decision making. The feasibility of the proposed framework and tool was evaluated on a case study of the Cranfield intelligent toilet. The San-IoT framework has the potential to enable system monitoring and control, user health monitoring, user behaviour analysis, improve water usage efficiency, reduce energy consumption, and facilitate decision-making among global stakeholders. The San-IoT-DA tool can detect patterns, identify trends, predict outcomes, and detect anomalies. The thesis offers valuable insights to practitioners, academics, engineers, policymakers, and other stakeholders on leveraging IoT and data analytics to improve the efficiency, accessibility, and sustainability of the sanitation industry.PhD in Desig