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Study of brain complexity using information theory tools

  • Bonmatí Coll, Ester
The human brain is a complex network that shares and processes information by using the structural paths between areas in order to perform a function. The connectome models the brain as a graph where nodes correspond to brain regions and edges to structural or functional connections. In this thesis, we investigate and provide new methods to study the brain complexity and improve the understanding of the brain functioning by using information theory. Firstly, we focus on brain parcellation, which is a key step to perform brain studies since determines the regions to be analyzed. Secondly, we focus on the definition of measures to characterize the complexity of the brain networks. Finally, the consistency of the results across healthy subjects using functional or structural connectivity data, demonstrates the flexibility and robustness of the proposed methods, El cervell humà és una xarxa complexa que comparteix i processa la informació mitjançant els camins estructurals per tal de realitzar una funció. El connectoma és una representació del cervell en forma de graf, on els nodes corresponen a regions del cervell i les arestes a connexions estructurals o funcionals. En aquesta tesi, s'investiga i es proporcionen nous mètodes per estudiar la complexitat del cervell i millorar la comprensió del seu funcionament mitjançant l'ús de la teoria de la informació. En primer lloc, ens centrem en mètodes de parcel.lació del cervell, el qual és un pas clau per realitzar estudis de complexitat ja que determina les regions a analitzar. En segon lloc, ens centrem en la definició de mesures per a caracteritzar la complexitat de les xarxes cerebrals. Finalment, la consistència dels resultats entre els subjectes sans a partir de dades de connectivitat funcional o estructural, demostra la flexibilitat i robustesa dels mètodes proposats

Proyecto:

Sopravvivere alla città : valutare il neoecosistema resiliente nella relazione tra l’acqua e la forma urbana

  • Saporiti, Giovanna
The research aims to define a theoretical model of a resilient neoecosystem analyzing the relationship between water and urban form. The hypothesis is to understand the characteristics of a resilient model for the evaluation of the city, regarding the two crises which determined the transition from the traditional model to the industrial model and finally to the current one. The relationship between the unsustainability of urban contexts and their size, exponentially increased with the industrial revolution can be evaluated. This approach introduces the idea of ¿¿system limit. It puts in contrast the efficiency required in the city-machine model with the sufficiency of the living organism. In fact, the concept of adequacy implies the "right measure" (Sachs & Santarius, 2007), that means that each urban ecosystem has to be able to organize and manage the interaction between its elements, so it does not creates an excessive burden on the environment. We realize the historical development of urban planning and the importance of the concept of sustainability while the need to consider the past as a source for thinking about a new concept of resilience. Therefore, the evaluation and the planning of a resilient model city needs a self-assessment model, we have located in the traditional city. The methodology consists in the evaluation of the relationship between urban form and water during the two aforementioned crisis. We consider water in its four fundamental relationships with the city: drinking water, water runoff, water and energy and water and agriculture. That interpretation has the advantage of being an instrument of the project. More than a verification system, it is a tool for urban project proposals. The thesis is divided in three parts: the reference context, the definition of the methodology and guidelines for the resilient model. In the initial part we have the state of the art regarding issues related to resilience and neo-urban ecosystem. The lines of the debate on the definition of the city, from the systemic model to the ecological one, and urban development since the 90s until today become evident. In parallel, it has deepened the concept of resilience and those related ones: urban quality, urban form, self-sufficiency and dimensional capacity. A key element of this part is also the definition of the scale of action required by this paradigm shift to move from a sustainable urban model to a resilient model: the local level. Then it goes on to develop the definition of the methodology used for the development of a resilient model through a comparison between a quantitative and a qualitative approach. It was also necessary to contextualize the problem of the water cycle in its relationship with the evolution of the shape of the city. All these related with their moments of crisis that match with the industrial revolution and the contemporary problems of unsustainability. In the third and last part we introduced the guidelines for a resilient urban model in the relationship between water and urban form. The comparison between the study cases of Barcelona and Milan shows how this relationship changes in the evolution of the same city. We can see how they go from the traditional model to post-industrial one with the industrial crisis and how they reach the current crisis of sustainability. This is the mirror of unlimited development, and, therefore, the unsustainable nature that has characterized the modern and contemporary city. In fact, the resilience of an urban ecosystem, a typical system capacity, depends on the trauma occurring. Therefore, analysis of the two crises is essential for evaluation of a resilient model. Defined the theoretical reference model, the individuation of intervention guidelines in the city and in the territory as an expression of urban resilience and its possible use for the transformation of urban metabolism., La investigación se propone definir un modelo teórico de neoecosistema resiliente, analizando la relación entre el agua y la forma urbana. La hipótesis es comprender las características de un modelo resiliente en la evaluación de la ciudad respecto a las dos crisis que le han caracterizado, en el pasaje del modelo tradicional al modelo industrial y, finalmente, al modelo actual. Se podrá evaluar entonces la relación entre la insostenibilidad de los contextos urbanos y su dimensión, exponencialmente aumentada después de la revolución industrial. Este planteamiento introduce la idea de límite del sistema, contraponiendo a la eficiencia requerida en el modelo de la ciudad/ máquina la suficiencia típica del organismo viviente. De hecho, el concepto de suficiencia implica la «justa medida» (Sachs&Santarius, 2007), es decir, que cada ecosistema urbano tiene que ser capaz de organizar y gestionar la interacción entre sus elementos para no crear un peso excesivo sobre el ambiente. Se da cuenta, así, del desarrollo histórico del urbanismo y de la importancia del concepto de sustentabilidad al mismo tiempo que se plantea la necesidad de considerar el pasado como fuente para pensar un concepto a futuro: la resiliencia. Por lo tanto, la evaluación y la planeación de un modelo de ciudad resiliente necesita la evaluación de un modelo autosuficiente, que hemos ubicado en la ciudad tradicional. La metodología aplicada consiste en la evaluación del la relación entre la forma urbana y el agua, durante las dos crisis citadas. Eso considerando el agua en sus cuatro relaciones fundamentales con la ciudad: el agua de boca, el agua de escorrentía, agua y energía y agua y agricultura. Esa interpretación tiene la ventaja de resultar en un instrumento de proyecto. Más que un sistema de verificación, una herramienta para proyectar propuestas urbanas. La tesis se desarrolla en tres partes: el contexto de referencia, la definición de la metodología utilizada y las líneas guía para el modelo resiliente. En la parte inicial se propone el estado del arte respecto a las problemáticas relacionadas con la resiliencia y el neo-ecosistema urbano. Se ponen en evidencia las líneas del debate sobre la definición de la ciudad, desde el modelo sistémico al modelo ecológico, y sobre el desarrollo urbano desde los años 90 hasta nuestros días. Paralelamente, se ha profundizado el concepto de resiliencia y aquellos relacionados: la calidad urbana, la forma urbana, la auto-suficiencia y la capacidad dimensional. Un elemento fundamental de esta parte es también la definición de la escala de acción que requiere este cambio de paradigma para pasar de un modelo urbano sostenible a un modelo resiliente: la escala local. A continuación, se pasa a desarrollar la definición de la metodología utilizada para la evolución del modelo resiliente, a través de una comparación entre el enfoque cuantitativo y cualitativo. También ha sido necesario contextualizar el problema del ciclo del agua en su relación con la evolución de la forma de la ciudad, respecto a sus momentos de crisis que coinciden, el primero, con la revolución industrial y, el segundo, con las problemáticas contemporáneas de insostenibilidad. En la tercera y ultima parte se presentan las líneas guía para el modelo urbano resiliente en la relación entre el agua y la forma urbana. En la comparación entre el caso de Barcelona y el de Milán se muestra cómo se modifica dicha relación en la evolución de la misma ciudad, pasando del modelo tradicional al modelo post-industrial con la crisis industrial y llegando hasta la crisis actual de sostenibilidad, que es el espejo del desarrollo ilimitado, y, por lo tanto, con el carácter insostenible que ha caracterizado a la ciudad moderna y contemporánea. De hecho, la resiliencia de un ecosistema urbano, siendo una capacidad típica del sistema, depende del trauma que ocurre. Por lo tanto, el análisis de las dos crisis es fundamental para la evaluación del modelo resiliente. Definido el modelo teórico de referencia sigue la individuación de las líneas guía de intervención en la ciudad y en el territorito como expresión de la resiliencia urbana, así como su uso para la trasformación del metabolismo urbano

Proyecto:

Shrinkage corrections of sample linear estimators in the small sample size regime

  • Serra Puertas, Jorge
We are living in a data deluge era where the dimensionality of the data gathered by inexpensive sensors is growing at a fast pace, whereas the availability of independent samples of the observed data is limited. Thus, classical statistical inference methods relying on the assumption that the sample size is large, compared to the observation dimension, are suffering a severe performance degradation. Within this context, this thesis focus on a popular problem in signal processing, the estimation of a parameter, observed through a linear model. This inference is commonly based on a linear filtering of the data. For instance, beamforming in array signal processing, where a spatial filter steers the beampattern of the antenna array towards a direction to obtain the signal of interest (SOI). In signal processing the design of the optimal filters relies on the optimization of performance measures such as the Mean Square Error (MSE) and the Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR). When the first two moments of the SOI are known, the optimization of the MSE leads to the Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE). When such statistical information is not available one may force a no distortion constraint towards the SOI in the optimization of the MSE, which is equivalent to maximize the SINR. This leads to the Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) method. The LMMSE and MVDR are optimal, though unrealizable in general, since they depend on the inverse of the data correlation, which is not known. The common approach to circumvent this problem is to substitute it for the inverse of the sample correlation matrix (SCM), leading to the sample LMMSE and sample MVDR. This approach is optimal when the number of available statistical samples tends to infinity for a fixed observation dimension. This large sample size scenario hardly holds in practice and the sample methods undergo large performance degradations in the small sample size regime, which may be due to short stationarity constraints or to a system with a high observation dimension. The aim of this thesis is to propose corrections of sample estimators, such as the sample LMMSE and MVDR, to circumvent their performance degradation in the small sample size regime. To this end, two powerful tools are used, shrinkage estimation and random matrix theory (RMT). Shrinkage estimation introduces a structure on the filters that forces some corrections in small sample size situations. They improve sample based estimators by optimizing a bias variance tradeoff. As direct optimization of these shrinkage methods leads to unrealizable estimators, then a consistent estimate of these optimal shrinkage estimators is obtained, within the general asymptotics where both the observation dimension and the sample size tend to infinity, but at a fixed rate. That is, RMT is used to obtain consistent estimates within an asymptotic regime that deals naturally with the small sample size. This RMT approach does not require any assumptions about the distribution of the observations. The proposed filters deal directly with the estimation of the SOI, which leads to performance gains compared to related work methods based on optimizing a metric related to the data covariance estimate or proposing rather ad-hoc regularizations of the SCM. Compared to related work methods which also treat directly the estimation of the SOI and which are based on a shrinkage of the SCM, the proposed filter structure is more general. It contemplates corrections of the inverse of the SCM and considers the related work methods as particular cases. This leads to performance gains which are notable when there is a mismatch in the signature vector of the SOI. This mismatch and the small sample size are the main sources of degradation of the sample LMMSE and MVDR. Thus, in the last part of this thesis, unlike the previous proposed filters and the related work, we propose a filter which treats directly both sources of degradation., Estamos viviendo en una era en la que la dimensión de los datos, recogidos por sensores de bajo precio, está creciendo a un ritmo elevado, pero la disponibilidad de muestras estadísticamente independientes de los datos es limitada. Así, los métodos clásicos de inferencia estadística sufren una degradación importante, ya que asumen un tamaño muestral grande comparado con la dimensión de los datos. En este contexto, esta tesis se centra en un problema popular en procesado de señal, la estimación lineal de un parámetro observado mediante un modelo lineal. Por ejemplo, la conformación de haz en procesado de agrupaciones de antenas, donde un filtro enfoca el haz hacia una dirección para obtener la señal asociada a una fuente de interés (SOI). El diseño de los filtros óptimos se basa en optimizar una medida de prestación como el error cuadrático medio (MSE) o la relación señal a ruido más interferente (SINR). Cuando hay información sobre los momentos de segundo orden de la SOI, la optimización del MSE lleva a obtener el estimador lineal de mínimo error cuadrático medio (LMMSE). Cuando esa información no está disponible, se puede forzar la restricción de no distorsión de la SOI en la optimización del MSE, que es equivalente a maximizar la SINR. Esto conduce al estimador de Capon (MVDR). El LMMSE y MVDR son óptimos, pero no son realizables, ya que dependen de la inversa de la matriz de correlación de los datos, que no es conocida. El procedimiento habitual para solventar este problema es sustituirla por la inversa de la correlación muestral (SCM), esto lleva al LMMSE y MVDR muestral. Este procedimiento es óptimo cuando el tamaño muestral tiende a infinito y la dimensión de los datos es fija. En la práctica este tamaño muestral elevado no suele producirse y los métodos LMMSE y MVDR muestrales sufren una degradación importante en este régimen de tamaño muestral pequeño. Éste se puede deber a periodos cortos de estacionariedad estadística o a sistemas cuya dimensión sea elevada. El objetivo de esta tesis es proponer correcciones de los estimadores LMMSE y MVDR muestrales que permitan combatir su degradación en el régimen de tamaño muestral pequeño. Para ello se usan dos herramientas potentes, la estimación shrinkage y la teoría de matrices aleatorias (RMT). La estimación shrinkage introduce una estructura de los estimadores que mejora los estimadores muestrales mediante la optimización del compromiso entre media y varianza del estimador. La optimización directa de los métodos shrinkage lleva a métodos no realizables. Por eso luego se propone obtener una estimación consistente de ellos en el régimen asintótico en el que tanto la dimensión de los datos como el tamaño muestral tienden a infinito, pero manteniendo un ratio constante. Es decir RMT se usa para obtener estimaciones consistentes en un régimen asintótico que trata naturalmente las situaciones de tamaño muestral pequeño. Esta metodología basada en RMT no requiere suposiciones sobre el tipo de distribución de los datos. Los filtros propuestos tratan directamente la estimación de la SOI, esto lleva a ganancias de prestaciones en comparación a otros métodos basados en optimizar una métrica relacionada con la estimación de la covarianza de los datos o regularizaciones ad hoc de la SCM. La estructura de filtro propuesta es más general que otros métodos que también tratan directamente la estimación de la SOI y que se basan en un shrinkage de la SCM. Contemplamos correcciones de la inversa de la SCM y los métodos del estado del arte son casos particulares. Esto lleva a ganancias de prestaciones que son notables cuando hay una incertidumbre en el vector de firma asociado a la SOI. Esa incertidumbre y el tamaño muestral pequeño son las fuentes de degradación de los LMMSE y MVDR muestrales. Así, en la última parte de la tesis, a diferencia de métodos propuestos previamente en la tesis y en la literatura, se propone un filtro que trata de forma directa ambas fuentes de degradación.

Proyecto:

Energy-aware service provisioning in P2P-assisted cloud ecosystems

  • Sharifi, Leila
Energy has been emerged as a first-class computing resource in modern systems. The trend has primarily led to the strong focus on reducing the energy consumption of data centers, coupled with the growing awareness of the adverse impact on the environment due to data centers. This has led to a strong focus on energy management for server class systems. In this work, we intend to address the energy-aware service provisioning in P2P-assisted cloud ecosystems, leveraging economics-inspired mechanisms. Toward this goal, we addressed a number of challenges. To frame an energy aware service provisioning mechanism in the P2P-assisted cloud, first, we need to compare the energy consumption of each individual service in P2P-cloud and data centers. However, in the procedure of decreasing the energy consumption of cloud services, we may be trapped with the performance violation. Therefore, we need to formulate a performance aware energy analysis metric, conceptualized across the service provisioning stack. We leverage this metric to derive energy analysis framework. Then, we sketch a framework to analyze the energy effectiveness in P2P-cloud and data center platforms to choose the right service platform, according to the performance and energy characteristics. This framework maps energy from the hardware oblivious, top level to the particular hardware setting in the bottom layer of the stack. Afterwards, we introduce an economics-inspired mechanism to increase the energy effectiveness in the P2P-assisted cloud platform as well as moving toward a greener ICT for ICT for a greener ecosystem., La energía se ha convertido en un recurso de computación de primera clase en los sistemas modernos. La tendencia ha dado lugar principalmente a un fuerte enfoque hacia la reducción del consumo de energía de los centros de datos, así como una creciente conciencia sobre los efectos ambientales negativos, producidos por los centros de datos. Esto ha llevado a un fuerte enfoque en la gestión de energía de los sistemas de tipo servidor. En este trabajo, se pretende hacer frente a la provisión de servicios de bajo consumo energético en los ecosistemas de la nube asistida por P2P, haciendo uso de mecanismos basados en economía. Con este objetivo, hemos abordado una serie de desafíos. Para instrumentar un mecanismo de servicio de aprovisionamiento de energía consciente en la nube asistida por P2P, en primer lugar, tenemos que comparar el consumo energético de cada servicio en la nube P2P y en los centros de datos. Sin embargo, en el procedimiento de disminuir el consumo de energía de los servicios en la nube, podemos quedar atrapados en el incumplimiento del rendimiento. Por lo tanto, tenemos que formular una métrica, sobre el rendimiento energético, a través de la pila de servicio de aprovisionamiento. Nos aprovechamos de esta métrica para derivar un marco de análisis de energía. Luego, se esboza un marco para analizar la eficacia energética en la nube asistida por P2P y en la plataforma de centros de datos para elegir la plataforma de servicios adecuada, de acuerdo con las características de rendimiento y energía. Este marco mapea la energía desde el alto nivel independiente del hardware a la configuración de hardware particular en la capa inferior de la pila. Posteriormente, se introduce un mecanismo basado en economía para aumentar la eficacia energética en la plataforma en la nube asistida por P2P, así como avanzar hacia unas TIC más verdes, para las TIC en un ecosistema más verde.

Proyecto:

Frecuencia y factores de riesgo de enfermedad cerebrovascular en esquizofrenia y trastornos relacionados

  • Berrocal Izquierdo, Núria
La salud física de los pacientes con trastorno mental grave es un campo de interés creciente en medicina. En concreto, la enfermedad cerebrovascular es la causa más frecuente de muerte natural prematura en los pacientes con trastornos relacionados con la esquizofrenia, por lo que debería incluirse en toda estrategia de salud que incluya a dicha población. La tesis presentada nace de la percepción de los neurólogos del Parc Sanitari Sant Joan de Déu de que los pacientes con trastornos relacionados con la esquizofrenia presentan una frecuencia de enfermedad cerebrovascular mayor de la esperada por edad y comorbilidad vascular. Se han realizado 3 estudios (una serie de casos, un estudio de casos y controles y un estudio de cohortes retrospectivas) en los que se explora la relación entre salud cardiovascular, enfermedad cerebrovascular, uso de antipsicóticos, trastorno mental grave y trastornos relacionados con la esquizofrenia. El concepto de “enfermedad cerebrovascular” no se limita al clásico de “ictus” o “accidente isquémico transitorio” sinó que se extiende al de “enfermedad cerebrovascular silente”. Ésta última es una entidad controvertida, en continua evaluación y sobre la que se realiza una extensa revisión en la tesis. La carga vascular global se ha medido con el Framingham Risk Score. Las conclusiones finales de la valoración conjunta de los tres estudios son: - Los hechos aislados de presentar algún tipo de trastorno mental grave y de tomar antipsicóticos no aumentan el riesgo de enfermedad cerebrovascular. - Los pacientes con trastornos relacionados con la esquizofrenia sí presentan una mayor comorbilidad cerebrovascular, comparados con pacientes con otros trastornos mentales severos e independientemente de la carga vascular global. - El uso prolongado de politerapia antipsicótica se relaciona con la presencia de enfermedad cerebrovascular en población con trastornos relacionados con la esquizofrenia, también de forma independiente de la carga vascular global., This thesis is based on the perception of Parc Sanitari Sant Joan de Deu neurologists that patients with schizophrenia-related disorders present a higher frequency of cerebrovascular disease than expected for their age and vascular comorbidity. We present 3 studies in which the relationship among vascular health, cerebrovascular disease, antipsychotic drugs, severe mental illness and psychotic disorders is explored in middle-aged and elderly adults. After the evaluation of these studies we conclude that neither the isolated events of presenting any type of serious mental illness nor taking antipsychotics drugs increase the risk of cerebrovascular morbidity. Nevertheless, we found that patients with schizophrenia-related disorders do have greater risk of cerebrovascular pathology, regardless of global vascular load. In addition, prolonged use of antipsychotic polytherapy is related to the presence of cerebrovascular comorbidity in the population with schizophrenia-related disorders. We conclude that the relationship between chronic schizophrenia-related disorders and cerebrovascular disease may be beyond the classic cardiovascular risk factors and may also be related to certain medications.

Proyecto:

Development of high-capacity substation connectors compatible with HTLS technology

  • Capelli, Francesca
The advent of HTLS (High Temperature, Low Sag) conductors imposes more severe operating conditions on devices such as substation connectors intended for transmission and distribution systems, which are subjected to higher loads and have to operate at higher temperatures. The main objective of this thesis is the development of a new family of high-capacity substation connectors compatible with the HTLS technology. The first aspect that has been analyzed is the selection of the base material. At present, substation connectors are manufactured by using A356 cast aluminum alloy due to its good castability and physical properties. However, due to the new operating conditions introduced by the HTLS technology, A356 alloy needs to be further improved. A chemical treatment (modification) has been proposed to fulfill the requirements of high-capacity substation connectors' material. Experimental measurements of electrical, thermal and mechanical properties have been carried out to characterize and compare properties of both un-modified and modified alloys. Moreover, their electrical resistivity has been evaluated from cryogenic up to 200ºC, to find out the temperature coefficient of resistivity. Experimental measurements prove that chemical modification improves mechanical, electrical and thermal properties of A356.0 alloy. Moreover, to design the new family of connectors it is necessary to take into account the contact resistance. The contact resistance defines the energy-efficiency, the stable performance and the long-term service of an electrical connection. To reduce the contact resistance a new installation procedure has been proposed in this thesis. Thermal behavior of connectors installed with the new procedure has been compared with the traditional one, through standardized temperature rise, thermal cycle and short-circuit tests. Results show a lower operating temperature and degradation rate for connectors installed with the new procedure. Moreover, the temperature coefficient of contact resistance has been determined through an experimental test. To accurately predict the thermal behavior of substation connectors, it is important to estimate the electrical constriction resistance (ECR). Different ECR models have been compared with experimental measurements. The fractal model for rough surfaces shows closer agreement with experimental data, however, they are based on several parameters dependent on the surfaces' roughness, whose values need to be tuned for each application. A software tool based on a genetic algorithm approach has been developed to obtain an accurate prediction of the contact resistance. Furthermore, advanced 3D-FEM modelling tools to perform realistic simulations of the short-time and peak withstand current and temperature rise tests have been developed. Substation connectors must pass these compulsory tests, which require high-power laboratory facilities, are very power-consuming and thus very expensive. The development of a realistic simulation tool is essential for anticipating the results of the mandatory laboratory tests in a fast and inexpensive way. In this thesis electromagnetic-thermal multiphysics 3D-FEM tools to simulate the transient thermal behavior of substation connectors during the standard short-circuit and temperature rise tests have been developed. Finally the thesis deals with the loop inductance. The estimation of the loop inductance is very important as it determines voltage drop in conductors. Inductance estimation provided by formulas has been compared with FEM simulations and experimental measurements. Furthermore, a simple setup to reduce the reactive power consumption when conducting short-circuit tests, based on placing a conductor forming a closed inner loop concentric with the testing loop, has been proposed and optimized trough 3D-FEM simulations., La tecnología de conductores HTLS (alta temperatura, baja flecha) impone condiciones operativas muy severas en los dispositivos eléctricos, como los conectores subestación para sistemas de transmisión y distribución, los cuales están sometidos a corrientes más altas y tienen que operar a temperaturas más elevadas. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una nueva familia de conectores de subestación de alta capacidad compatibles con la tecnología HTLS. El primer aspecto que se ha analizado es la selección del material de base. En la actualidad, los conectores de subestación se fabrican con la aleación de aluminio de fundición A356, debido a sus buenas propiedades físicas. Sin embargo, debido a las condiciones operativas más estrictas introducidas por la tecnología HTLS, la aleación estándar se debe mejorar. Para cumplir con los requisitos de la aplicación, se ha propuesto un tratamiento químico (modificación). Se han caracterizado las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de la aleación estándar y modificada, además la resistividad eléctrica se ha evaluado desde temperaturas criogénicas hasta 200 ºC, para determinar el coeficiente de temperatura de resistividad. Las medidas experimentales han demostrado que la modificación química mejora las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas de la aleación A356. Por otra parte, para el diseño de la nueva familia de conectores, se debe tener en cuenta la resistencia de contacto, la cual define la eficiencia energética y la vida útil de una conexión eléctrica. Para reducir la resistencia de contacto se ha propuesto un nuevo procedimiento de instalación para conectores. El comportamiento térmico de los conectores instalados con el nuevo procedimiento se ha comparado con el tradicional, a través de ensayos de calentamiento, de ciclos térmicos y de cortocircuito. Los resultados muestran una menor temperatura de funcionamiento y degradación de los conectores instalados con el nuevo procedimiento. Además, el coeficiente de temperatura de la resistencia de contacto se ha determinado a través de una medida experimental. Para predecir el comportamiento térmico de los conectores de subestación, es importante poder estimar la resistencia eléctrica de constricción (ECR). Diferentes modelos ECR se han comparado con medidas experimentales. Los modelos fractales muestran una mejor correspondencia con los datos experimentales; sin embargo, estos modelos se basan en varios parámetros que dependen de la rugosidad de las superficies, cuyos valores necesitan ser calibrados para cada aplicación. Se ha desarrollado un programa basado en un algoritmo genético para obtener una predicción precisa de la resistencia de contacto en conectores de subestación. Además, se han desarrollado herramientas avanzadas de modelado 3D-FEM para realizar simulaciones de ensayos de cortocircuito y de calentamiento para conectores eléctricos. El desarrollo de herramientas de simulación es esencial para anticipar los resultados de los ensayos estándar, de una manera rápida y barata. En esta tesis se han desarrollado herramientas 3D-FEM multifísicas electromagnéticas-térmicas para simular el comportamiento térmico transitorio de los conectores en los ensayos estandarizados de cortocircuito y de calentamiento. Por último, la tesis trata de la inductancia del bucle de ensayo. La estimación de la inductancia del bucle es muy importante, ya que determina la caída de tensión en los conductores. La estimación de la inductancia proporcionada por las fórmulas ha sido comparada con simulaciones FEM y medidas experimentales. Por otra parte, se ha propuesto y optimizado una configuración sencilla para reducir el consumo de energía reactiva durante los ensayos de cortocircuito, basada en la adición de un conductor que forma un bucle cerrado concéntrico interno al bucle de ensayo.

Proyecto:

A novel optimization methodology of modular wiring harnesses in modern vehicles : weight reduction and safe operation

  • Rius Rueda, Armand
The weight of electric and electronic components of cars has been uninterruptedly increasing through the last decades, and thus the weight of their wiring harnesses. This fact has awakened the interest of car manufacturers on the weight and cost optimization of automotive wiring harnesses . For this reason, this dissertation discusses and develops approaches to reduce the amount of copper for the purpose of current conduction, i.e. the cross-sections of all of the wires of the car, without endangering safety. On the one hand, harnesses must withstand continuous operation currents. On account of this, it is necessary to know the characteristic flow of current of the in-vehicle electrical network. Nevertheless. the huge quantity of available combinations of equipment of the car produces a proportional variety of customer-specific wiring hamesses, and makes it unfeasible to simulate all of them. This thesis points attention on specific segments of the wiring harnesses. Sorne of them can have many possible compositions, which are related to the customer's car settings. Since computation time is a limiting factor here, it is proposed to predict the bundle heating behaviors by means of response surfaces, obtained from a set of finite element simulation results and the least squares method. On the other hand, the correct wire sizes must ensure that they are protected by their associated melting fuses, so that their maximum acceptable temperature is not exceeded after short circuits. Since many wires in cars are connected to other wires with splices, or may suffer short-circuits in their electric loads, these short-circuits can flow across different wires. In modular wiring harnesses, each of the wires can have different lengths and different installation ratios, their cross-section affects the cost of the wire harness with different importance, as well as the short circuit and the final temperature of the wire. The finite volume method is used to simulate the short circuit of series-connected wires. Finally, non-linear optimization is used to find the mínimum cross­ sections of wires respecting the constraints of maximum temperature and mínimum short-circuit current. Finally, these two different criteria for optima! wire dimensioning are combined in the analysis of the on-board network of the vehicle in order to make a complete weight and cost minimization of the cable harnesses in a particular vehicle, considering also its modularity of loads., El pes dels components elèctrics i electrònics deis automòbils ha crescut ininterrompudament al llarg de les darreres dècades, i conseqüentment ho han fet també els seus feixos de cables. Aquest fet ha despertat entre els fabricants de turismes un elevat interès en la minimització del pes i dels costos del cablejat del vehicle. Per aquest motiu, aquesta tesi desenvolupa mètodes per reduir la quantitat de coure destinat a la conducció de corrent, és a dir, les seccions de tots els fils elèctrics dins el cotxe, sense posar en risc la seguretat. Per una banda, els feixos han de resistir els corrents d'operació continuada. Per a aquest propòsit, cal conèixer el flux de corrents característic de la xarxa de bord del vehicle. No obstant, la immensa quantitat de combinacions de diferents equipaments del vehicle produeix proporcionalment una enorme varietat de feixos personalitzats per als clients, fet que fa inviable simular totes aquestes combinacions . El primer dels mètodes d'optimització que es proposen en aquesta tesi estudia segments dels feixos de cables per separat un a un. Alguns d'ells poden tenir diferents composicions de fils en funció de la configuració aplicada pel client. Com que el temps de calcul és un factor limitant, es proposa predir el comportament tèrmic dels segments per mitja de superfícies resposta, que s'obtenen a través del mètode deis mínims quadrats i un conjunt de resultats de simulació de feixos pel mètode dels elements finits. Per altra banda, les correctes seccions dels fils han de ser tals que els curtcircuits i les sobrecarregues no puguin malmetre'ls, gracies a la correcta coordinació amb els fusibles destinats a protegir-los. Atès que molts fils estan connectats amb altres fils per mitja d'unions soldades i que molts curtcircuits són provocats directament en bornes de les carregues elèctriques, els curtcircuits poden fluir a través de fils diferenciats connectats en serie. Als feixos modulars, cadascun deis fils té diferents longituds i ratis d'instal·lació. És per aquest darrer motiu que llur secció afecta de diferent manera al cost total del conjunt deis feixos de cables deis cotxes venuts . De la mateixa manera, les seves longituds diferents fan que les variacions en les seccions alterin els curtcircuits resultants amb diferent sensibilitat. És per això que es fa servir optimització no lineal per trobar les seccions separades de cadascun dels fils connectats en serie a través dels quals poden passar curtcircuits. Per a aquesta fi es fan simulacions en volums finits i models energètics dels fusibles integrades dins de l'optimització no lineal. Finalment, aquestes dues vies de dimensionament es combinen dins una anàlisi íntegra de la xarxa de bord per dimensionar de forma òptima cadascun dels fils del vehicle, tenint en compte les interconnexions entre feixos i totes les combinacions d'equipament.

Proyecto:

Teoria transcendental de la consciència i filosofia de la ment

  • Forn i Argimon, Francesc
El tema d’aquesta tesi doctoral és l’actualitat d’un model filosòfic inspirat en la filosofia transcendental de Kant. En el capítol 1 identifico dos macro- models hegemònics en la discussió contemporània, realisme cientista i construccionisme social, i apunto com el debat entre ells es manifesta com a conflicte improductiu, en particular en la ciència cognitiva i en l’ètica. Plantejo l’oportunitat d’un model transcendental, alternatiu als esmentats, com a eina conceptual vàlida per a enfrontar els reptes contemporanis (societat tecnològica, crisi ecològica i globalització). En el capítol 2 aprofundeixo en el concepte de model, que relaciono amb la nostra representació del món i de nosaltres mateixos. D’aquí la necessitat de la filosofia com a un tipus peculiar de treball amb models, atent a llur naturalesa representativa, que qüestiona i modifica supòsits bàsics dels models intuïtius i científics. A partir d’un cert grau de generalitat i abstracció, un macro-model filosòfic equival a un paradigma en el sentit de Kuhn. En aquest context, defineixo la filosofia transcendental com a emfasitzant la relació especial del macro-model filosòfic de la realitat amb el model filosòfic de la ment. El capítol 3 és un recorregut per l’evolució del pensament de Kant en el seu context dialògic, des de les primeres obres fins la KrV. Ressegueixo sobretot dues qüestions centrals, íntimament relacionades, en aquesta evolució: 1) la superació del dilema entre metafísica escolar i empirisme, que culminarà en la deducció transcendental de les categories i el Sistema dels principis, i 2) l’elucidació de la relació de lògica i experiència, lògica formal i transcendental, en la deducció metafísica. Situo el desenvolupament d’aquestes qüestions en dos marcs interpretatius més generals. 1) Entendre l’evolució de Kant com el pas d’un projecte precrític, l’intent de compatibilitzar una metafísica leibnitziana modificada amb la ciència newtoniana, a l’abandonament d’aquest projecte, que el condueix a la filosofia transcendental. 2) Concebre aquest gir crític com un modelatge filosòfic de ment i món, del qual en resulta una profunda transformació de les concepcions de la representació i la consciència hegemòniques. En el capítol 4 descric el model de la ment de Kant a la KrV com a un model epigenètic, pel qual el coneixement és fruit de la interacció de dues facultats bàsiques, sensibilitat i enteniment. L’enteniment és una facultat de jutjar, que inclou la formació i ús conceptes, subsumir objectes de la intuïció sota aquests conceptes (Judici), i combinar-los en sil·logismes (raó). La sensibilitat és la capacitat (receptivitat) de rebre impressions sensibles, que estimulen l’activitat unificadora de l’enteniment, i de ser afectada per aital activitat. La imaginació transcendental, la facultat mitjancera entre enteniment i sensibilitat, és l’efecte de l’activitat de l’enteniment en la sensibilitat. Així, fa possible que les formes lògiques que adopta l’activitat de l’enteniment i que li permeten relacionar-se amb objectes, guiïn la síntesi de la multiplicitat sensible de manera que pugui ser analitzada en conceptes, i aquests conceptes subordinats a d’altres conceptes, combinats en judicis i sil·logismes en un sistema del coneixement. La modelització recolza en el caràcter sui generis del Jo de l’apercepció transcendental, entre fenomen i noümen, que permet fer-ne l’objecte d’una reflexió sobre condicions de possibilitat de l’experiència en la subjectivitat (un model filosòfic de la ment), però no incloure’l en un model materialista o funcionalista en el sentit de la IA contemporània. En el capítol 5 comparo el model transcendental proposat al Capítol 4 amb el neokantisme d’Ernst Cassirer, alhora com a proposta filosòfica i com a interpretació de Kant. Argumento que l’avantatge del primer model és que manté l’equilibri de Kant entre sensibilitat i enteniment, receptivitat i activitat, i la seva distinció igualment fonamental entre lògica i experiència, lògica formal i transcendental. Situo aquesta comparació en relació al debat contemporani sobre l’existència de contingut mental no-conceptual, i la interpretació de la posició de Kant sobre aquesta qüestió., The subject of this doctoral thesis is the contemporary relevance of a philosophical model inspired in Kant’s transcendental philosophy. In Chapter 1 I identify two dominant models in the current theoretical landscape, scientific realism and social constructionism, and describe the conflict between them as sterile, in particular in cognitive science and ethics. I then argue for the opportunity of a transcendental model, as an alternative to both and a sound conceptual device for dealing with contemporary issues (technological divide, ecological crisis and globalization). In Chapter 2 I examine the concept of a model, with respect to our representation of the world and of ourselves. I point out the need for philosophy as a peculiar kind of work with models, focused in their representative nature and that challenges basic assumptions of intuitive and scientific models. From a certain level of generality and abstraction on, a philosophical macromodel is a paradigm in Thomas S. Kuhn’s sense. Then I define transcendental philosophy by its emphasis on the crucial link between the philosophical macromodel of reality and the philosophical model of the mind. Chapter 3 summarizes the evolution of Kant’s thought in its dialogical context, from his early works up to the Critique of Pure Reason. My discussion focuses on two crucial and closely related themes in that evolution: 1) the overcoming of the dilemma between Leibniz-Wolff metaphysics on the one hand and Empiricism on the other, that culminates in the Transcendental Deduction of the Categories and the System of Principles of the first Critique, and 2) the attempt to clarify the relation of logic and experience, of formal and transcendental logic, in the Metaphysical Deduction. I place the analysis of both questions in the wider context of two interpretative frameworks: 1) the construal of Kant’s development as the maturation of a Pre-critical Project, an attempt to combine a modified Leibnizian metaphysics with Newtonian science in a coherent worldview, and the departure from that Project leading to critical philosophy; 2) the conception of this critical turn as a philosophical modeling of mind and world, one that resulted in a radical revision of the dominant views on representation and consciousness. In Chapter 4 I describe Kant’s model of the mind in the first Critique as an epigenetic model, according to which cognition emerges from the interplay of two basic faculties, sensibility and understanding. Understanding is a capacity to judge, and includes concept formation and use, subsuming the objects of intuition under those concepts (Judgment) and combining the resulting judgements in syllogisms (Reason). Sensibility is the capacity of receiving sense impressions, which stimulate the understanding’s unifying activity, and of being affected by that activity. Transcendental imagination, the mediating faculty between understanding and sensibility, is the effect of the understanding’s activity on sensibility. It enables the logical forms adopted by this activity to guide the synthesis of the sensible manifold in a way that it can be further analyzed in concepts, and those concepts connected to other concepts in judgements and syllogisms in a system of knowledge. The modeling itself rests on the unique nature of the I of Transcendental Apperception, between phenomenon and noumenon, construed as a suitable object of a reflection on the conditions for the possibility of experience in subjectivity (a philosophical model of the mind), but not a materialist or functionalist model in the sense of contemporary AI. Finally, in Chapter 5 I compare the transcendental model of Chapter 4 with Ernst Cassirer’s Neokantianism, both as a philosophical proposition and an interpretation of Kant’s thought. I argue that the main advantage of the former in both counts is that it preserves Kant’s critical balance between sensibility and understanding, receptivity and activity, and his equally fundamental distinction of logic and experience, formal and transcendental logic. I present this argument against the background of recent discussions about the existence of non-conceptual mental content, and interpretative issues regarding Kant’s position on that matter.

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Decision support framework for space-use optimization and arrangement of public services

  • Rusek, Robert
The thesis concentrates particularly on how to enhance space-use in the case of public facilities. This issue has been approached by repurposing existing facilities and introducing additional services, thereby creating multi-service facilities. However, the services to be combined cannot be chosen randomly, but should be selected according to their mutual compatibility. For this reason, a method for service compatibility analysis has been developed. This allows to identify bundles of services that could be combined and offered together, and services whose combination should be avoided. Furthermore, the results of the space-use analysis as well as the service compatibility analysis are visualized in a user-friendly way to facilitate interpretation and to help in decision-making. All these elements constitute the framework for space-use optimization and arrangement of public services in order to enhance space-use and to decrease the consumption of other, related resources such as energy or water, to make the city environment more sustainable and smarter, Aquesta tesis considera com millorar l'ús de l'espai en els equipaments públics mitjançant la reutilització dels equipaments existents i la introducció de serveis addicionals. No obstant això, els serveis que es combinen han de ser seleccionats d'acord amb la seva compatibilitat mútua. Per aquesta raó, s'ha desenvolupat un mètode per a l'anàlisi de compatibilitat de serveis. Això permet identificar conjunts de serveis que s'han de combinar i oferir junts i serveis que la seva combinació ha de ser evitada. A més, els resultats de l'anàlisi de l'ús d'espai i de l'anàlisi de compatibilitat de serveis es visualitzen d'una manera intuïtiva per facilitar la interpretació i ajudar en la presa de decisions. Tots aquests elements constitueixen el marc per a l'optimització de l'ús de l'espai i l'organització dels serveis públics. El marc ha de millorar l'ús d'espai basat en la consciència de la situació i disminuir el consum d'altres recursos relacionats, com l'energia o l'aigua, per fer l'ambient de la ciutat més sostenible

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Análisis de la distribución de presiones en la mano humana durante el agarre

  • Cepriá Bernal, Javier
En esta tesis se presenta un estudio experimental de la dinámica del agarre humano, centrándose en la fuerza durante la manipulación de objetos con el fin de determinar qué fuerza de agarre es necesaria realizar para llevar a cabo ciertas tareas representativas de actividades de la vida diaria, cómo evoluciona dicha fuerza de agarre durante la tarea, cuál es la contribución de las distintas partes de la mano a la misma y cuáles son las presiones desarrolladas en el contacto entre la mano y objeto durante la ejecución de dichas tareas. Los resultados de la tesis contribuyen a un mejor conocimiento de la dinámica del proceso de agarre, con aplicación en campos tan variados como la robótica, la ergonomía y la ingeniería protésica, ya que un conocimiento profundo de estas características del agarre permite mejorar el diseño de prótesis de los elementos terminales de los manipuladores robóticos y de los robots humanoides, el diseño de objetos y mangos para la manipulación de los mismos y el diseño de prótesis de mano humanas. Además, la tesis ha permitido evaluar las posibilidades prácticas y establecer los protocolos de uso para dos tipos de sensores comerciales utilizables para abordar estudios experimentales sobre el proceso de agarre en condiciones similares a las del agarre humano real.

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Buscador avanzado