Repositorio USM (Universidad Técnica Federico Santa María)
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Modelo de localización de sensores para la agricultura de precisión.
No full textLa agricultura de precisión es una disciplina que ha logrado aumentar la eficiencia, calidad y productividad de los cultivos agrícolas, así como también, disminuir el impacto ambiental de los mismos a través de la aplicación de tecnologías y análisis de datos. Por esta razón, la recopilación de la data es un paso clave en la implementación de estas tecnologías. Para ello, en el mercado existe una amplia variedad de sensores tanto fijos como móviles, cada uno con objetivos específicos y un amplio rango de precios.
Usualmente, los datos se recopilan de manera puntual y se utilizan técnicas de interpolación para poder tener una muestra en términos continuos del ´índice de interés, es por ello, que en este trabajo se busca determinar dónde localizar un número limitado de sensores de manera de aumentar la representatividad de la muestra obtenida.
A través de dos modelos de optimización lineal y en variables enteras binarias se busca encontrar las ubicaciones ´optimas para un número limitado de sensores y además determinar cuántos de ellos es necesario instalar para obtener un muestreo eficiente.
Ambos modelos son comparados en un caso de estudio resuelto a través del Solver Gurobi Optimizer en Julia JuMP.Due to the benefits of using precision agriculture, many farmers want to install sensors in their fields. However, the high cost that a sensor could achieve limit the number of these to be acquired and to interpolate the information obtained to the whole extension of the field. For this reason it is interesting to determine where to locate a limited number of sensors, increasing the representativeness of the sample and, consequently, the reliability of the interpolation.
Therefore, this paper addresses an optimization–based approach that integrates the management zone problem and a discrete location problem. The input data of the proposed model assumes a set of sample points of a soil or crop property to find an optimal location of a given number of sensors to obtain many others soil or crop properties in the resulting locations, and by interpolating the information obtained, reliable data about new or future properties can be obtained.
The proposed model is solved using the integer programming solver Gurobi Optimizer in Julia JuMP and computational results from a set of instances are presented to show the impact of the adopted methodology.Magíster en Ciencias de la Ingeniería IndustrialTesis para optar al título de Ingeniería Civil industrial y Magister en ciencias de la Ingeniería
Identificación de las propiedades dinámicas de sistemas estructura-amortiguador de masa sintonizada a partir de la respuesta sísmica del sistema acoplado
No full textEl diseño de un amortiguador de masa sintonizada (AMS) requiere conocer a priori el periodo natural, la masa modal y la fracción de amortiguamiento crítico del modo a sintonizar de la estructura primaria, es decir, la estructura sin que el AMS se encuentre instalado en ella. Tal como su nombre lo indica, un AMS se diseña para tener un comportamiento sintonizado al movimiento de la estructura primaria, sin embargo, su efectividad puede verse diezmada si el sistema no está correctamente sintonizado a las propiedades dinámicas reales de dicha estructura. A pesar de que es habitual prediseñar el AMS durante las etapas de diseño o construcción del edificio, en base a las propiedades modales determinadas a partir de modelos de elementos finitos de la estructura (que se suele suponer elástico-lineal), las propiedades dinámicas computadas no necesariamente coincidirán con las propiedades dinámicas que presenta el edificio una vez construido. En consecuencia, resulta fundamental rediseñar el AMS conforme a las propiedades dinámicas que posee la estructura una vez construida; de esta forma se garantizará un sistema sintonizado a las propiedades dinámicas de la estructura real. Si bien es posible identificar las propiedades dinámicas modales de la estructura primaria mediante técnicas tradicionales de identificación de sistemas antes de la instalación del AMS, en ocasiones en las que el AMS se instala de forma simultánea con la construcción de la estructura primaria o debido a efectos de desintonización del AMS en servicio debido a cambios en los parámetros dinámicos tanto del AMS como de la estructura primaria, es necesario estimar las propiedades modales de la estructura primaria a partir de la respuesta registrada del sistema acoplado estructura-AMS, en lugar de hacerlo únicamente a partir de la respuesta registrada de la estructura primaria. Desde la identificación de sistemas, este es un problema complejo ya que la presencia de dos modos de frecuencias estrechamente espaciadas, inherentes de los sistemas estructura-AMS, y una cantidad relativamente grande de amortiguamiento en dichos modos, dificulta el proceso de identificación.
Es por esto, por lo que en este trabajo se desarrolla una técnica paramétrica de identificación de sistemas en el dominio del tiempo que intenta resolver este problema. Para ello, el método representa la estructura primaria mediante un modelo simplificado de vigas de corte y flexión, acopladas de modo de que experimenten la misma deformación lateral. Debido a la naturaleza no clásica del amortiguamiento del sistema acoplado estructura-AMS, la identificación se realiza estimando la respuesta sísmica estructural mediante un análisis modal generalizado. La técnica de identificación es primero validada numéricamente mediante la simulación computacional de dos estructuras y luego de forma experimental, mediante la identificación de las propiedades modales de un marco de laboratorio equipado con un AMS. Finalmente, se presenta un caso de estudio de un edificio real de 23 pisos equipado con un AMS no lineal. Se muestra que el método propuesto identifica con éxito las propiedades dinámicas tanto del modo controlado de la estructura primaria, como las del AMS.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Civi
Control robusto de alto ancho de banda para plantas de tiempo continuo
No full textPara el diseño de sistemas de control es usual utilizar modelos simplificados de la planta
que representen sus características esenciales. Con el objetivo de entender el efecto que
tiene la presencia de polos y ceros con incertidumbre en el modelo de la planta es que en
esta Tesis se propone un modelo nominal de alta frecuencia. Este modelo nominal permitir ‘a
desacoplar el diseño del controlador con el del análisis de estabilidad robusta de la planta
verdadera.
En esta Tesis se obtiene una ley de control estabilizante para plantas con incertidumbre
en la posición de sus polos que quede determinada por el ancho de banda del lazo cerrado
nominal. Se considera el caso en que se utiliza el modelo de tiempo continuo y el caso en que
se utiliza el modelo de tiempo discreto equivalente. En ambos casos se obtienen cotas ínfimas
para el ancho de banda nominal que aseguran la estabilidad de lazo cerrado verdadero.
En el presente trabajo se propone abordar el control de plantas continuas con
incertidumbre, utilizando un modelo nominal basado en su respuesta a alta frecuencia.
Para el diseño del controlador se propone utilizar asignación de polos lo que permite
parametrizarlo en términos del ancho de banda del lazo cerrado nominal. Además, se
utilizaran técnicas de control robusto para asegurar la estabilidad del polinomio de lazo
cerrado verdadero que corresponde a una familia de polinomios con incertidumbre. Se
trabaja en base a la hipótesis de que al utilizar el modelo nominal y el controlador
propuesto, se conseguirá la estabilidad del lazo cerrado al fijar el ancho de banda nominal
lo suficientemente rápido.
En la Tesis se obtienen cotas ínfimas para la relación entre el ancho de banda nominal y la
cota de los polos con incertidumbre. También se obtienen cotas ínfimas para una variante del
controlador en el que se incorporan polos en el origen con el fin de solucionar los problemas
que aparecen al considerar ceros inciertos en el modelo de la planta verdadera.
También se analiza el efecto de los polos con incertidumbre en sistemas de tiempo
discreto, por lo que primero se plantea el modelo de la planta discreta para sistemas de bajo
orden sin polos y se utiliza el modelo nominal de alta frecuencia el cual tiene el beneficio de
que su modelo discreto exacto se obtiene de forma directa por medio de los polinomios
de Euler-Frobenius. En este modelo nominal discreto aparecen explícitamente los ceros
asintóticos de muestreo, los que se consideran al momento del diseño del controlador y para
ilustrar su importancia al operar en alta frecuencia es que se considera un segundo modelo
nominal el cual no cuenta con los ceros de muestreo asintóticos. Ya con el modelo discreto
verdadero y los dos modelos nominales discretos es que se plantea utilizar un controlador
bipropio y el diseño del controlador se hace en función del ancho de banda nominal, bajo la
misma hipótesis que en el caso de tiempo continuo, en que se asegura la estabilidad del lazo
cerrado verdadero si el ancho de banda nominal es lo suficientemente rápido.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Electrónic
Trie-compressed intersectable sets
No full textEn esta tesis, se presentan algoritmos y estructuras de datos eficientes en espacio y tiempo para el problema offline set intersection. Mostramos que un conjunto de enteros ordenados s c [0..u) de n elementos se puede representar usando espacio comprimido, mientras se soportan intersecciones de k conjuntos en tiempo adaptativo O(k&log(u/&)), siendo & la medida de alternancia introducida por Barbay y Kenyon. De esta manera, se mostrará que el desempeño adaptativo de algoritmos como el de Demaine, López-Ortiz y Munro [SODA, 2000], y el de Barbay y Kenyon [TALG, 2008] se puede lograr usando espacio comprimido, introduciendo nuevos conocimientos sobre este problema algorítmico fundamental. Los resultados experimentales sugieren que nuestros enfoques son competitivos en la práctica, superando las alternativas más eficientes (Partioned Elias-Fano, Roaring Bitmaps, y Recursive Universe Partitioning (RUP)) en varios escenarios, ofreciendo en general trade-offs espacio-tiempo relevantes.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Informátic
Pronóstico probabilístico basado en redes neuronales profundas para series de tiempo de energía
No full textMuchas actividades dependen del pronóstico fiable de valores futuros. Para hacerlo, se han concebido modelos de redes neuronales que toman valores previamente observados, y proveen una descripción de la distribución de probabilidad de los valores futuros, en vez de solo un valor esperado. Esta tarea, llamada pronóstico probabilístico, permite prepararse para diferentes situaciones potenciales con distinta probabilidad de ocurrencia, en vez de prepararse solo para una situación primedio que podría no ocurrir en la realidad. Estos modelos consideran la incertidumbre de los valores futuros usando diferentes representaciones, que incluyen intervalos de pronóstico, cuantiles, o supuestos distribucionales. En todas ellas, dos fuentes de incertidumbre deben ser consideradas: incertidumbre aleatoria, asociada a la elección del modelo, incluyendo la no consideración de otras variables que podrían otorgar más información sobre la variable pronosticada, e incertidumbre epistémica, relacionada a la falta de suficientes datos de entrenamiento para ajustar los parámetros del modelo. Esta última no es considerada por muchos trabajos, aún siendo especialmente importante para modelos de pronóstico basados en redes neuronales, ya que éstos tienen una gran cantidad de parámetros y los datos de entrenamiento son usualmente escasos para pronóstico de series de tiempo. En este trabajo, se propone un modelo de pronóstico probabilístico de aprendizaje profundo que considera ambas fuentes de incertidumbre. Para la primera, se considera un supuesto distribucional, que permite elegir entre distintas familias de distribuciones, y para la segunda, se usa Monte Carlo Dropout, una técnica que muestrea valores distintos para los parámetros cada vez que se evalua la red neuronal. Este modelo es validado para pronóstico a múltiples pasos de velocidad del viento, potencia eólica y demanda eléctrica, importantes tareas para el sector eléctrico, donde la penetración de fuentes de energía renovables no convencionales ha incrementado la incertidumbre presente en los sistemas eléctricos. Se concluye que el modelo maneja ambas fuentes de incertidumbre para el pronóstico de series de tiempo, y que la elección de la distribución de salida permite mejorar el desempeño para algunas series de tiempo, al usar una distribución diferente a la normal.Doctorado en Ingeniería Informátic
Linear generator drive based on modular multilevel converter for wave energy applications
No full textSi no se aplican medidas políticas contundentes, se prevé que en pocas décadas el mundo se enfrente simultáneamente a una escasez de energía y a una crisis climática, ambas derivadas de nuestra fuerte dependencia de los combustibles fósiles. La extracción sostenible de fuentes de energía renovables y el avance de las tecnologías para aprovecharlas son componentes esenciales de las estrategias de reducción de emisiones y de la garantía de
un suministro energético estable.
La energía de las olas es una valiosa fuente de energía con una concentración de potencia relativamente alta y fácilmente accesible en las regiones costeras. Este recurso es lo suficientemente importante como para contribuir a la cartera energética global en determinadas zonas. Aunque la tecnología para aprovechar la energía de las olas del mar sigue en fase de investigación y desarrollo, el principal obstáculo reside en el diseño de sistemas cuyos costes están asociados a la inversión, el funcionamiento y el mantenimiento.
Esta tesis propone un convertidor multinivel modular (MMC) para controlar un generador lineal tubular de imanes permanentes (TPMLG) para un sistema de conversión de energía undimotriz (WEC). Se aplica un método de parámetros globales para analizar la amplitud de la tensión inducida y el campo magnético del TPMLG. Se emplea un análisis de elementos finitos en el software de simulación para obtener el comportamiento dinámico de estas variables. El MMC propuesto controla cada devanado del TPMLG de forma independiente; el MMC permite diseñar un MPPT que controlará el par en función de la altura de ola y tendrá un alto voltaje para mejorar la eficiencia de transmisión de energía a la costa. Los resultados experimentales y de simulación se validarán con un prototipo de laboratorio diseñado con las limitaciones y restricciones analizadas matemáticamente. El objetivo principal del trabajo de tesis propuesto es la mejora de la eficiencia de captación de energía, maximizando la energía transmitida desde los sistemas WEC a la estación costera.If robust political measures are not implemented, it is projected that in a few decades, the world will confront a simultaneous shortage of energy and a climate crisis, both of which stem from our heavy reliance on fossil fuels.
The sustainable extraction of renewable energy sources and the advancement of technologies to harness them are essential components of emission reduction strategies and ensuring a stable energy supply.
Wave energy is a valuable energy source with a relatively high power concentration and is easily accessible in coastal regions. This resource is substantial enough to contribute to the overall energy portfolio in certain areas. Although the technology for harnessing the power of ocean waves is still under research and development, the main obstacle lies in designing systems where the costs are associated with investment, operation, and maintenance.
This thesis proposes a modular multilevel converter (MMC) to control a tubular permanent magnet linear generator (TPMLG) for a wave energy conversion (WEC) system. A lumped parameter method is applied to analyze the amplitude of induced voltage and the magnetic field of the TPMLG. A finite element analysis is employed in the simulation software to obtain the dynamical behavior of these variables. The proposed MMC controls each winding of the TPMLG independently; the MMC permits designing an MPPT that will control the torque in function to the wave height and have a high voltage to improve the energy transmission efficiency to the coast. The simulation and experimental results will be validated with a laboratory prototype designed with the limitations and constraints analyzed mathematically. The main focus of the proposed thesis work is the improvement of energy harvesting efficiency, maximizing the energy transmitted from the WEC systems to the coast station.Doctorado en Ingeniería Electrónic
Resource-constrained multi-project scheduling problem: taxonomy, variants, and approaches
No full text.Doctorado en Ingeniería Informátic
Vidrio nanoestructurado como superficie autolimpiante hidrofóbica para módulos fotovoltaicos
No full textEn este trabajo se busca nanoestructurar la superficie del vidrio para modificar las propiedades de wetting (mojamiento) con el fin de obtener una superficie hidrofóbica y que esto funcione como superficie autolimpiante en los módulos fotovoltaicos del Desierto de Atacama.
Hemos probado 2 métodos para nanoestructurar la superficie del vidrio con el fin de cambiar sus propiedades de mojamiento. En uno de ellos se generó una nanoestructura desordenada a través de películas metálicas y en el otro se buscó una estructura ordenada por litografía suave. En el primer caso se depositaron distintos espesores nominales de plata, oro y cobre sobre vidrio. Luego la muestra se somete a un proceso térmico (annealing) donde pasan por un mecanismo de maduración de Ostwald [1,2]. Aquí es donde se forman nanopartículas de metal que son utilizadas como nanomáscara para el grabado de vidrio, se realiza con reactive ion etching (RIE, grabado por iones reactivos) y wet chemical etching. Posteriormente se elimina la nanomáscara metálica. El segundo método consistió en generar una estructura ordenada por litografía suave con un DVD como molde en PDMS (polidimetilsiloxano) que se transfirió con PMMA (polimetilmetacrilato) sobre el vidrio y se sometió a RIE.
Tras cada etapa del proceso de nanoestructuración caracterizamos las muestras con espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDS) para verificar que los granos sean del material depositado correspondiente. La morfología de las muestras se observó con microscopio de fuerza atómica (AFM) y con microscopio electrónico de barrido (SEM). Con respecto a las propiedades ópticas, hemos medido como cambia la transmitancia a través del espectrofotómetro. Finalmente, para analizar las propiedades de mojamiento, realizamos mediciones de ángulo de contacto en el goniómetro.
Se logró nanoestructurar de forma desordenada la superficie del vidrio. Las caracterizaciones muestran que la temperatura del annealing, así como también distintos metales, espesores nominales y el tipo de grabado cambia el ángulo de contacto de la superficie del vidrio. Además, al cambiar la mojamiento del vidrio a través de la nanoestructuración no se altera significativamente su transmitancia. El mayor ángulo de contacto (67°, de un vidrio con 35° +- 8° de ángulo de contacto original) se obtuvo a través de una nanomáscara metálica de 20 nm de oro recocida a 300°C durante una hora.Magíster en Ciencias, mención Físic
Tensor Mask R-CNN: a tensor methods and deep learning approach to multi-band morphological segmentation and classification of galaxies
No full textLa clasificación de galaxias en función de su morfología es fundamental para la comprensión de la formación y evolución de estas. Esta clasificación en el contexto del creciente volumen de datos astronómicos ha motivado la aplicación de técnicas avanzadas de visión computacional. Destacan especialmente los resultados de modelos de Deep Learning que han mostrado resultados sobresalientes en la automatización de esta clasificación. Pero a pesar
de los resultados satisfactorios, las arquitecturas utilizadas se han centrado en tareas específicas y no en un pipeline único. Este pipeline debe abordar la complejidad real del problema, por un lado está el hecho que los actuales
modelos trabajan sobre imágenes (RGB) y no han modelado la riqueza de la información presente en las observaciones fotométricas multibanda. Por lo que es necesario enfoques que modelan las estructuras latentes no sólo a nivel de bandas individuales, si no también en la información que está distribuida en la tercera dimensión que puede ser wavelets o las relaciones entre bandas. El otro aspecto que se debe considerar en la implementación de un
único pipeline que aborde las tareas de clasificación, localización y segmentación morfológica es el speed de estos modelos que son parte de él. Esto no solo considerando la velocidad de su procesamiento si no también su eficiencia computacional. Disponer de arquitecturas que consideren en su implementación la eficiencia computacional dado el volumen y dimensionalidad de los datos astronómicos es clave para el logro del objetivo. Para lograr estos desafío, proponemos Tensor Mask R-CNN un pipeline único de clasificación, localización y segmentación morfología de galaxias basado neuronales convolucionales regionales y la aplicación de métodos de álgebra tensorial sobre capas
convolucionales del backbone de la red Mask R-CNN con el fin de acelerar esta arquitectura de Deep Learning.Doctorado en Ingeniería Informátic
