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Optimal trajectory management for aircraft descent operations subject to time constraints

  • Dalmau Codina, Ramon
The growth in traffic increased the pressure on the environmental sustainability of air transport. In this context, many research effort has been devoted to minimise the environmental impact in the different phases of flight. Continuous descent operations, ideally performed with the engines at idle from the cruise altitude to right before landing, have shown to reduce fuel, noise nuisance and gaseous emissions if compared to conventional descents. However, this type of operations suffer from a well known drawback: the loss of predictability from the air traffic control point of view in terms of overfly times at the different waypoints of the route. Due to this loss of predictability, air traffic controllers require large separation buffers, thus reducing the capacity of the airport. Previous works investigating this issue showed that the ability to meet a controlled time of arrival at a metering fix could enable continuous descent operations while simultaneously maintaining airport throughput. In this context, the planning and guidance functions of state-of-the-art flight management systems need to be modernised. On-board trajectory planners capable to generate an optimal trajectory plan satisfying time constraints introduced during the flight are seldom, mainly because the real-time optimisation of aircraft trajectories is still elusive. Furthermore, the time scale and spatial resolution of the wind forecasts used by these trajectory planners are far from being adequate to generate accurate flight time predictions. Finally, there exist guidance strategies capable to accurately comply with time constraints enforced at a certain fix in the trajectory plan, yet they are not specifically designed to minimise the environmental impact. This PhD thesis aims at investigating fast optimisation techniques to enable real-time updates of the optimal trajectory plan subject to time constraints during the descent; wind networking concepts to generate more accurate and up-to-date wind forecasts and, consequently, time predictions; and more robust an efficient guidance strategies to reduce the environmental impact at the maximum extent while complying with the time constraints of the trajectory plan. First, the feasible time window at a metering fix that could be achieved during a descent requiring neither thrust nor speed brakes usage is quantified as a function of the aircraft states (altitude, distance to the metering fix and airspeed), aiming to assess the feasibility of guidance strategies that take advantage of time and energy management concepts. Then, the performance of four of these guidance strategies is compared in terms of environmental impact mitigation and ability to satisfy operational constraints. Results from the comparison reveal that model predictive control, a strategy based on a frequent re-calculation of the optimal trajectory plan during the execution of the descent, is the most robust in terms of energy and time deviation at the metering fix, providing at the same time excellent environmental impact mitigation figures. However, the execution time required to solve a rigorous trajectory optimisation problem at each re-calculation instant remains a critical limitation for practical applications. In order to address this issue, a variant of the model predictive control strategy that allows for fast updates of the optimal trajectory plan based on parametric sensitivities is proposed, which shows analogous results yet halving the time needed to update the optimal trajectory plan. Finally, the potential benefits of using wind observations broadcast by nearby aircraft to reconstruct the wind profile downstream right before updating the optimal trajectory plan when using model predictive control is also investigated. Promising results show that the combination of model predictive control with wind networking concepts could enable optimal descents without degrading the capacity of the airport., El creixement del trànsit ha augmentat la pressió sobre la sostenibilitat ambiental del transport aeri. En aquest àmbit s'han dedicat molts esforços en recerca per reduir l'impacte ambiental en les diferents fases del vol. Les operacions de descens continu, en les quals l'aeronau descendeix amb els motors a ralentí des de l'altitud de creuer fins just abans d'aterrar, han demostrat ser una solució atractiva per reduir el combustible, el soroll i les emissions en la fase de descens. Desafortunadament, aquest tipus d'operacions tenen un inconvenient molt important: la pèrdua de predictibilitat des del punt de vista dels controladors de trànsit aeri, en termes de temps de sobrevol als diferents punts de pas de la ruta. Per aquesta raó, els controladors necessiten aplicar més separació entre aeronaus, reduint així la capacitat de l'aeroport. Treballs anteriors han demostrat que si les aeronaus fossin capaces de satisfer restriccions de temps de sobrevol a un o més punts de pas, seria possible implementar operacions de descens continu sense degradar la capacitat de l'aeroport. Malauradament, avui en dia existeixen pocs sistemes de gestió de vol capaços de generar trajectòries òptimes que satisfacin restriccions de temps, principalment perquè l’optimització de trajectòries en temps real continua sent una tasca difícil. A més, la resolució espacial i temporal dels models de vent utilitzades per els planificadors de trajectòria no son suficients per generar prediccions de temps de sobrevol prou fiables. Finalment, les estratègies de guiatge que fins i tot avui en dia permetrien satisfer amb exactitud restriccions de temps de sobrevol, no estan dissenyades específicament per minimitzar l’impacte ambiental. Aquesta tesi té com a objectiu explorar algoritmes de d'optimització ràpids i robustos que permetin actualitzar la trajectòria òptima en temps real durant l'execució del descens, satisfent al mateix temps restriccions de temps de sobrevol; també s'investigaran nous conceptes de que permetin generar models de vent molt exactes a partir d'observacions emeses per aeronaus veïnes; i estratègies de guiatge més intel·ligents que minimitzin l'impacte ambiental de les operacions de descens continu subjectes a restriccions de temps de sobrevol. En primer lloc, es quantifica la finestra de temps disponible al punt on s'aplica la restricció de temps de sobrevol, en funció dels estats de l'aeronau (altitud, velocitat i distància al punt) i assumint que els motors es mantenen ralentí i que no s'utilitzen aerofrens durant tot el descens. Els resultats de l'experiment indiquen que es podrien utilitzar estratègies de guiatge que gestionessin l'energia cinètica i potencial de l'aeronau per satisfer restriccions de temps sense necessitat de gastar més combustible. A continuació, es compararen quatre d'aquestes estratègies. Els resultats d'aquests segon experiment indiquen que el control predictiu, una estratègia que contínuament actualitza la trajectòria òptima durant el descens, es molt robusta en termes d'errors de temps i energia, i que també redueix l'impacte ambiental. Malauradament, es tarda massa a actualitzar la trajectòria òptima cada cop que s’actualitza, fet que limita la implementació d'aquesta estratègia. Per tal d'afrontar aquesta limitació, es proposa una variant que utilitza sensitivitats paramètriques per reduir el temps d'execució a l'hora d'actualitzar la trajectòria òptima, sense degradar significativament la seva exactitud. Finalment, s'investiguen els possibles beneficis d'aprofitar observacions de vent enviades per les aeronaus del volant per millorar el model de vent i, conseqüentment, l'exactitud de la trajectòria calculada. Resultats prometedors demostren que si s’implementés model predictiu com a estratègia de guiatge i les aeronaus cooperessin per compartir observacions de vent, es reduiria l'impacte ambiental sense degradar la capacitat de l'aeroport.
Proyecto:


Guía de financiación para start-ups de la UPC

  • García Solé, Santiago
Cada vez son más las personas que se aventuran a crear su propia empresa. Las instituciones universitarias son fuentes constantes de innovación, de las cuales surgen numerosos proyectos innovadores. La UPC es una universidad formado por un amplio colectivo del cual nacen continuamente proyectos. Sin embargo, muchos de esos proyectos no llegan a desarrollarse debido a la falta de financiación. En este proyecto se dan a conocer los diferentes tipos de financiación a través de los cuales se puede conseguir financiación para una empresa, habiendo tres tipos de financiación principales: la financiación pública cuyos fondos provienen de entidades públicas europeas, estatales o autonómicas; la financiación bancaria proveniente de entidades financieras privadas, y la financiación privada que proviene de inversores privados. Posteriormente se realiza un análisis especifico de aquellos productos financieros, de cada uno de los diferentes tipos de financiación, que podrían utilizar los emprendedores del ámbito académico de la UPC para financiar su start-up, resaltando las características de cada uno y recomendaciones para su obtención. Dentro de la financiación pública se distinguen tres tipos diferentes de financiación. En primer lugar, las subvenciones, en las cuales no se ha de devolver el dinero. En segundo lugar, los préstamos que requiere la devolución de la cantidad prestada en un periodo de amortización establecido. Por último, las financiaciones mixtas, que están formadas por una parte de subvención y otra parte de préstamo. La financiación bancaria es difícil de conseguir en las primeras etapas de vida de una empresa. Dentro de esta categoría existen los siguientes productos: los préstamos, las pólizas de crédito, el descuento comercial, el factoring, el confirming y el renting. Estos productos sirven para financiar diferentes actividades de la empresa, y no se deben utilizarse para financiar otras actividades para los que no están destinados. Dentro de la financiación privada existen la siguiente tipología de inversores: Equipo emprendedor, 3Fs (Family, Friends & Fools), Business Angels, Venture Capital, Incubadoras, Aceleradoras, Crowdfunding, Empresas privadas. Los inversores privados además de financiación te pueden aportar su conocimiento, el cual puede ayudarte ha hacer crecer tu empresa. Este proyecto trata de crear un guía para la financiación de start-ups que puedan surgir dentro del colectivo de la UPC, y que puedan utilizar los emprendedores durante el desarrollo de su proyecto empresarial. No existe una formula de financiación perfecta, pero en esta guía se ofrece información sobre las características de los distintos productos financieros para que puedas saber cuando utilizar cada uno de ellos.
Proyecto:


Disseny i implementació d'una aplicació web per a gestionar inscripcions d'una entitat de lleure

  • Carbonell Vives, Pau
El món de la informàtica i de l'educació en el lleure acostumen a anar cadascú pel seu costat i no barrejar-se gaire, però amb aquest projecte intentaré unir les dues realitats. Ho faré portant a terme un disseny i implementació del sistema d'inscripcions d'una entitat de lleure i oferint eines als organitzadors de l'entitat per tal de poder gestionar les dades dels infants recollides. El principal objectiu del projecte és que el sistema permeti a les famílies que volen participar de l'entitat realitzar una inscripció de forma remota i senzilla, i alhora, que els organitzadors de l'entitat puguin consultar aquestes dades i fer gestions habituals del dia a dia de l'entitat també de forma remota i senzilla. He posat un èmfasi especial en fer que el sistema sigui segur i intuïtiu. Per tal d'aconseguir-ho he fet un estudi en profunditat del funcionament actual de l'entitat de lleure. També he tingut en compte les normatives existents sobre protecció de dades. El sistema resultat d'aquest treball final de grau és una aplicació web realitzada amb el framework Django allotjada a la plataforma Heroku., The world of computer science and free time education usually goes each one by their side and does not mix much, but with this project I will try to unite the two realities. I will carry out a design and implementation of the registration system of a free time entity and offer tools to the organizers of the entity in order to be able to manage the data of the collected children. The main objective of the project is that the system allows families that want to participate in the entity to make a registration remotely and simple, and at the same time, that the organizers of the entity can consult this data and carry out daily arrangements of the day to The day of the entity also remotely and easily. I have put a special emphasis on making the system safe and intuitive. In order to achieve this, I have done an in-depth study of the current functioning of the free time entity. I have also taken into account the existing regulations on data protection. The system resulting from this final degree project is a web application made with the Django framework hosted on the Heroku platform.
Proyecto:


Modelación numérica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el Método de Partículas y Elementos Finitos (PFEM), Numerical modelling of landslides in reservoirs via the Particle Finite Element Method (PFEM)

  • Salazar González, Fernando
  • Oñate Ibáñez de Navarra, Eugenio
  • Morán Moya, Rafael
The paper presents the results of the application of the Particle Finite Element Method (PFEM) to the analysis of landslides in reservoirs. This is a complex phenomenon, because of the interaction between the landslide, the still water in the reservoir and the dam. PFEM combines a Lagrangian approach with the solution of the governing equations of the problem using the FEM. A mesh connecting the initial set of particles (nodes) is re-generated in every time step. Some validation cases are presented, in which PFEM results are compared with experimental data. More complex calculations have been made over the actual geometry of reservoirs taken from the cartographic information of the sites. In these cases the wave generation, its propagation and dam overtopping are reproduced. Finally, Lituya bay rock slide in which 90 × 106 tons of rocks fell on the bay, generating a huge wave that caused a maximum run-up of 524 m on the opposite shore, has been simulated in 3D. The results show that PFEM is a useful tool in risk assessment related with landslides in reservoirs as it gives a good approximation to the potential affections, thus allowing the appropriate design of protection measures., Peer Reviewed
Proyecto:


Swimming modes of self-assembled magnetic micropropeller

  • Calero, Carles
  • García Torres, José Manuel
  • Sagués Mestres, Francesc
  • Pagonabarraga, I.
  • Tierno, Prieto
Proyecto:


Diseño y construcción de una maqueta de remolcador para simulación de operaciones

  • Abaijón Remacha, Pedro Alejandro
Como la historia y usos de los remolcadores, los materiales compuestos y sistemas de control, y por el otro lado, la parte más práctica donde se lleva a cabo el diseño usando software 3d, la construcción de una embarcación, su motorización, puesta a punto y sus pruebas para el estudio en diferentes condiciones del estado de la mar. se empieza con un pequeño marco histórico, así como la necesidad de los buques remolcadores, los tipos y los usos a los que van destinados. posteriormente se habla sobre materiales compuestos, haciendo hincapié en las resinas de poliéster y algunos de los métodos usados hoy en día para la construcción y elaboración tanto sea de piezas como de embarcaciones. para acabar, se detalla en profundidad el proceso de diseño, construcción y ensayo de la embarcación de 1,10 m de eslora.
Proyecto:


De la isla al archipiélago: el sitio eriazo: un nuevo espacio público permanente y atomizado para Santiago, From the island to archipelago: Terrain Vague, a new permanent and atomized public space for Santiago

  • López Jeldes, Sebastián
  • Carvajal Fernández, Ángela
El sitio eriazo como oportunidad de espacio público es la premisa con la que esta investigación se desarrolla. El presente texto busca establecer la relación del sistema de sitios eriazos –archipiélago- y su unidad –isla-, para formular y redefinir la importancia actual de los sitios eriazos en ciudades consolidadas: a través de su distribución espacial atomizada surge una oportunidad de diseño urbano para proyectarlos como espacios públicos permanentes que se sumen a la red existente y se garantice una mayor equidad y accesibilidad a estos. El caso de estudio se desarrolla en la Comuna de Santiago, ya que es la comuna con mayor aumento de densidad poblacional en Chile, lo cual ha hecho que haya una disminución de dotación de espacios públicos al no tener como expandir su área y crear nuevos grandes espacios públicos. Se propone en el presente texto una aproximación urbana para proyectar un plan maestro bajo una directriz general de sitios eriazos y a su vez, pueda desde la especificidad de cada sector, responder a su orden programático., The terrain vague as an opportunity for public space is the premise with which this research is developed. The present text seeks to establish the relation of the system of terrains vague -archipelago- and its unit -island-, to formulate and redefine the current importance of empty sites in consolidated cities: through its atomized spatial distribution emerges an opportunity for urban design to project them as permanent public spaces that add to the existing network of green areas of the city and ensure greater equity and accessibility to them. The case of study is developed in the Commune of Santiago, it is the commune with the largest increase in population density in Chile, which has led to a decrease in the endowment of public spaces to not have how to expand their area and create new large spaces public. An urban approach is proposed in this text to project a master plan in a general direction of the terrain vague and, in turn, based on the specificity of each sector, response to its programmatic order., Peer Reviewed
Proyecto:


Health history pattern extraction from textual medical records

  • Quintero Vallejos, Natacha Andrea
Extracting patterns from medical records using temporal data mining techniques.
Proyecto:


Disseny i implementació d'un sistema d'EIS basat en FPGA programada des de LabView, Design and implementatiton of an EIS system based on FPGA pragrammed form LabView, Diseño e implementación de un sistema de EIS basado en FPGA programada desde LabView

  • Palet Brandi, Marcel
El proyecto realizado describe des de la implementación hasta la validación, a partir de medidas experimentales, del software necesario para realizar un analizador de impedancia basado en FPGA programada des de LabView con el objetivo final de medir espectros de impedancia eléctrica en tiempo real. Para realizar dichas medidas, se ha implementado un sistema cerrado encargado tanto de la generación de las señales como de la medida y el procesado de estas. Además se ha incluido un software de control para poder modificar los parámetros del sistema a gusto del usuario. Finalmente se ha procedido a la realización de medidas experimentales para asegurar y demostrar el buen funcionamiento del sistema., This project describes from the implementation to the validation, from experimental measurements, of the necessary software to implement an impedance analyzer based on FPGA programmed from LabView with the final objective of measuring the electrical impedance spectrum in real time. To obtain those measurements, a closed system in charge of the signal generation, signal measurement and processing has been implemented. Moreover, it has been included a control software to modify the system parameters. Finally, I’ve proceeded to experimentally make measurements to ensure and demonstrate the good behaviour of the whole system., El projecte realitzat descriu des de la implementació fins a la validació, a partir de mesures experimentals, del software necessari per a realitzar un analitzador de impedància basat en FPGA programada des de LabView amb el objectiu final de mesurar espectres d’impedància elèctrica en temps real. Per tal de realitzar dites mesures, s’ha implementat un sistema tancat encarregat tant de la generació de les senyals com de la mesura i processament d’aquestes. A més s’ha inclòs un software de control per poder modificar els paràmetres del sistema a gust de l’usuari. Finalment s’ha procedit a la realització de mesures experimentals per assegurar i demostrar el bon funcionament del sistema.
Proyecto:


Numerical simulation of water and water emulsion droplets evaporation in flames with different temperatures

  • Strizhak, Pavel A.
  • Volkov, Roman S.
  • Zhdanova, Alena O.
The models of heat and mass transfer and phase transition for “water droplet – flame” system have been developed using non-stationary nonlinear partial differential equations. The system of differential equations was solved by the finite-difference method. The locally one-dimensional method was used to solve the difference analogous of differential equations. One-dimensional differential equations were solved using an implicit four-point difference scheme. Nonlinear equations were solved by the iteration method. The evaporation rates of water droplets (with sizes from 0.05 mm to 5 mm) in the flame zone (at the temperatures from 500 K to 1200 K) were determined. Theoretical analysis established essentially nonlinear (close to exponential) form of dependence of the water droplet evaporation rate on the temperature of the external gas area and the temperature of a droplet surface. In particular, the water droplet evaporation rate varies from 0.25 to 0.29 kg/(m2s), when the temperature of external gas area is about 1100 K. On the other hand, the water droplet evaporation rate does not exceed 0.01 kg/(m2s) when the temperature of external gas area is about 350 K. Besides, it has been found out that droplets warm up at different rates depending on their initial temperature and velocity. As a result, the integral characteristics of droplet evaporation can increase substantially, when droplets move through the external gas area at the same temperature. We performed a similar investigation or droplet streams with droplet concentration 0.001–0.005 m3 in 1 m3 of gas area (typical parameters for modern spray extinguishing systems).
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