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Contribuciones a la Aplicación de Machine Learning en Escenarios Novedosos de Tiempo Real
No full textEn el ámbito del aprendizaje supervisado, la selección de características es crucial para identifcar las variables más relevantes que infuyen en el rendimiento de un modelo, especialmente en entornos donde se requiere realizar inferencias en tiempo real o el consumo energético del modelo está limitado. Los métodos automáticos de selección de características son útiles para lidiar con la complejidad y el alto número de características en los conjuntos de datos, pero la selección manual de características por expertos del dominio puede generar un conjunto de características que mejoren el rendimiento y la interpretabilidad del modelo.
Esta tesis se enfoca en la aplicación de modelos de Machine Learning, tanto tradicionales como avanzados, para la resolución de problemas en escenarios previamente no abordados con el denominador común de que todos ellos necesitan de un despliegue en tiempo real. El objetivo principal de esta tesis es la investigación de las interrelaciones existentes entre las características seleccionadas de los datos de entrada (features) y los modelos aplicados. En concreto, esta tesis plantea la exploración de diversas formas de seleccionar, transformar o reemplazar características en datasets para mejorar el rendimiento de los modelos de Machine Learning o Deep Learning cuando van a ser desplegados en entornos de tiempo real donde podrían existir restricciones de consumo energético y /o necesidades de inferencia rápida.
Con el fin de desarrollar estos objetivos, la tesis selecciona tres casos de uso provenientes de distintos dominios, pero que comparten la particularidad de requerir despliegues en tiempo real: Industria 4.0, Telecomunicaciones/Ciberseguridad y Medioambiente. En el caso de uso Industria 4.0 la tesis explora como los modelos de Machine Learning basados en técnicas avanzadas de Deep Learning pueden predecir en tiempo real y con sufciente antelación el comportamiento de un AGV (Automated Guided Vehicle) controlado por un PLC (Programmable Logic Controller) virtualizado de forma remota, utilizando la información de guiado del AGV junto con información estadística sobre la conexión de red entre el AGV y el PLC en una red 5G sometida a perturbaciones y errores. En el caso de uso de Telecomunicaciones/Ciberseguridad se investiga como los modelos de Machine Learning pueden identifcar en tiempo real conexiones de criptominado utilizando únicamente información estadística sobre las conexiones de red que en algunos casos pueden estar cifradas. Finalmente, el caso de uso de Medioambiente, la tesis investiga si un soft-sensor (sensor software) basado en modelos de Machine Learning podría sustituir a un sensor real de coste elevado para medir fuorescencia de Chl-a (Clorofla) en una masa de agua. El soft-sensor infere el valor de Chl-a a partir de un conjunto de variables (temperatura, pH, conductividad y nivel de batería) obtenidas de sensores reales de bajo coste.
En el contexto de estos tres casos de uso, la tesis explora los efectos de la selección de características en el rendimiento de modelos Machine Learning tradicionales y modelos Deep Learning. Dentro de estos últimos, la tesis propone dos modelos derivados de la arquitectura Transformers, que ha revolucionado recientemente el área de Procesamiento del Lenguaje Natural.
Los experimentos realizados en esta tesis demuestran que el aprendizaje automático es una herramienta efectiva para abordar problemas relacionados con la predicción, detección o inferencia de eventos complejos en escenarios de tiempo real dentro de las tres áreas de aplicación seleccionadas. Aunque estas áreas de aplicación presentan múltiples diferencias entre si, la tesis presenta un conjunto de conclusiones comunes acerca de la aplicación práctica en ellas de modelos de aprendizaje automático y de las implicaciones de la selección de características en la complejidad y rendimiento de los modelos.
ABSTRACT
In the supervised learning domain, feature selection is crucial to identify the most relevant variables that infuence the performance of a model, especially in environments where real-time inference is required or the model’s energy consumption is limited. Automatic feature selection methods are useful to deal with the complexity and high number of features in datasets, but manual feature selection by domain experts can generate a set of features that improve the performance and interpretability of the model.
This thesis focuses on the application of Machine Learning models, both traditional and advanced, to solve problems in scenarios that have not been previously addressed, with the common denominator that all of them require real-time deployment. The main objective of this thesis is to investigate the interrelationships between the selected input data features and the applied models. Specifcally, this thesis proposes the exploration of various ways of selecting, transforming, or replacing features in datasets to improve the performance of Machine Learning or Deep Learning models when they are deployed in real-time environments where energy consumption constraints and/or the need for fast inference may exist.
To achieve these objectives, the thesis selects three use cases from diferent domains, but they all share the particularity of requiring real-time deployments: Industry 4.0, Telecommunications/ Cybersecurity, and Environment. In the Industry 4.0 use case, the thesis explores how Machine Learning models based on advanced Deep Learning techniques can predict in real-time and with sufcient lead time the behaviour of an Automated Guided Vehicle (AGV) controlled by a remotely virtualized Programmable Logic Controller (PLC), using the AGV’s guidance information along with statistical information about the network connection between the AGV and the PLC in a 5G network subjected to disturbances and errors. In the Telecommunications/ Cybersecurity use case, the thesis investigates how Machine Learning models can identify real-time cryptomining connections using only statistical information about network connections that may be encrypted in some cases. Finally, in the Environment use case, the thesis investigates whether a soft-sensor based on Machine Learning models could replace an expensive real sensor to measure Chl-a (Chlorophyll) fuorescence in a body of water. The soft-sensor infers the value of Chl-a from a set of variables (temperature, pH, conductivity, and battery level) obtained from low-cost real sensors.
In the context of these three use cases, the thesis explores the efects of feature selection on the performance of traditional Machine Learning models and Deep Learning models. Within the latter, the thesis proposes two models derived from the Transformers architecture, which has recently revolutionized the Natural Language Processing area.
The experiments conducted in this thesis demonstrate that machine learning is an efective tool to address problems related to the prediction, detection, or inference of complex events in real-time scenarios within the three selected application areas. Although these application areas present multiple diferences among them, the thesis presents a set of common conclusions about the practical application of machine learning models and the implications of feature selection on the complexity and performance of the models
Key factors for becoming an entrepreneurial university. Analysis of the spanish case
No full textLas universidades se han convertido, en las últimas décadas, en elementos clave de los ecosistemas innovadores, por su capacidad para generar resultados de investigación que puedan dar lugar a nuevos productos o servicios, o la mejora de los existentes, posibilitando la creación de nuevos puestos de trabajo y riqueza.
Así, la integración de la tercera misión, constituyendo lo que se ha denominado la universidad emprendedora aparecen como ideales a alcanzar para contribuir a lograr un mejor desarrollo económico de la región o país.
En el contexto europeo, tanto la Comisión Europea como los estados miembros, han impulsado numerosas acciones y programas que pretenden apoyar e impulsar la transformación de las universidades en entidades más emprendedoras. Se espera que las universidades colaboren más intensamente con empresas, y exploten comercialmente los resultados de la investigación a través de la licencia de patentes a terceros o mediante spin off creadas por los investigadores. Sin embargo, aunque ha habido progresos en estas décadas, estos procesos siguen siendo ineficientes.
El objetivo de esta tesis es analizar los factores que intervienen en el proceso de creación y transformación de una universidad emprendedora, para tratar de entender dónde residen las principales barreras que impiden la transformación, y qué pasos es necesario dar para hacerles frente.
Para ello se ha analizado la literatura para caracterizar qué es una universidad emprendedora, los principales factores que intervienen en su creación, y los modelos que han sido propuestos para explicar su evolución. Esta revisión indica que la universidad emprendedora se concibe como una entidad autónoma, que interactúe con el estado y la industria, pero que sea independiente de ambas esferas. Internamente, es necesario que haya un equilibrio entre el modelo colegiado y el ejecutivo, en un contexto en el que todos los integrantes de la universidad, más aún sus líderes, estén comprometidos con la transformación hacia un modelo emprendedor.
Algunos autores han señalado que, en el contexto europeo, la dependencia de las universidades del estado es un factor inhibidor. Sin embargo, un análisis de la situación en España tomando como marco de análisis los factores identificados como relevantes, refleja que el gobierno, con sus políticas y leyes, ha creado unas condiciones favorables para la transformación de las universidades. Además, aplicando un estudio de casos, se observó que el progreso en unas universidades españolas frente a otras se debe a razones internas relacionadas con su grado de compromiso para avanzar en la transformación. Este compromiso es observable, a través de la puesta en marcha de medidas estratégicas, acciones y presupuestos concretos relacionados con la tercera misión.
Además, el análisis de reparto de poder en el sistema español refleja una alta fragmentación del mismo dentro de las universidades, que no sería tan preocupante, si existiera un grado de compromiso elevado por parte de los líderes de la universidad en la transformación de la universidad en una organización emprendedora. Sin embargo, una encuesta realizada a los dirigentes universitarios encargados de implementar políticas relacionadas con la tercera misión ha constatado la escasa colaboración que encuentran entre el resto de dirigentes de la propia universidad para llevar a cabo su trabajo.
Las conclusiones de esta tesis han permitido proponer medidas encaminadas a lograr un cambio progresivo mediante un modelo en fases en la universidad española: algunas de las medidas se dirigen a los gobiernos nacionales y regionales, otras a las propias universidades, responsables últimas de sus decisiones, aciertos y errores.
ABSTRACT
In recent decades, universities have become key elements in innovative ecosystems, due to their capacity to generate research results that can lead to new products or services or the improvement of existing ones, making it possible to create new jobs and wealth.
Thus, the integration of the third mission, constituting what has been called the entrepreneurial university, appear as ideals to be achieved in order to contribute to achieving a better economic development of the region or country.
In the European context, both the European Commission and member states have promoted numerous actions and programmes that aim to support and promote the transformation of universities into more entrepreneurial entities. Universities are expected to collaborate more intensively with companies and to commercially exploit research results through the licencing of patents to third parties or through spin-offs created by researchers. However, although there has been progress in these decades, these processes remain inefficient.
The aim of this thesis is to analyse the factors involved in the process of creating and transforming an entrepreneurial university, in order to try to understand where the main barriers to transformation lie and what steps need to be taken to address them.
To this end, the literature has been analysed to characterise what an entrepreneurial university is, the main factors involved in its creation, and the models that have been proposed to explain its evolution. This review indicates that the entrepreneurial university is conceived as an autonomous entity, interacting with the state and industry, but independent of both spheres. Internally, a balance between the collegiate and the executive model is necessary, in a context where all members of the university, and even more university leaders, are committed to the transformation towards an entrepreneurial model.
Some authors have pointed out that, in the European context, the dependence of universities on the state is an inhibiting factor. However, an analysis of the situation in Spain, taking the factors identified as relevant as a framework for analysis, shows that the government, with its policies and laws, has created favourable conditions for the transformation of universities. Furthermore, by applying a case study, it was observed that progress in some Spanish universities compared to others is due to internal reasons related to their degree of commitment to progress in transformation. This commitment is observable through the implementation of strategic measures, actions, and specific budgets related to the third mission.
Furthermore, the analysis of the distribution of power in the Spanish system reflects a high fragmentation of power within the universities, which would not be so worrying if there were a high degree of commitment on the part of university leaders to transforming the university into an entrepreneurial organisation. However, a survey of university leaders in charge of implementing policies related to the third mission has shown that there is little collaboration among other university leaders to carry out their work.
The conclusions of this thesis have made it possible to propose measures aimed at achieving progressive change through a phased model in the Spanish university: some of the measures are aimed at national and regional governments, others at the universities themselves, who are ultimately responsible for their decisions, successes, and mistakes
A Quantitative Analysis of an Automatic Code Generation Tool for Space Software Applications
No full textModel-driven engineering (MDE) has become a leading methodology for the design and development of Real-Time Embedded Systems (RTES). It makes use of automatic code generation tools to reduce time, cost and effort associated with writing and maintaining software. However, automatic code generators tend to produce poor quality and inefficient code, which is unacceptable for safety critical systems. The verification and validation of such systems are crucial activities that require high-level code quality and coverage enforced by standards such as DO-178C/ED-12C for airborne software or ECSS in the European space domain. Simulink is a modelling tool offered by MathWorks widely used in the aerospace sector to develop and simulate models. The QGen tool-suite offers a C and Ada code generator appropriate for Simulink and Stateflow models. In this paper, we evaluate QGen aiming to demonstrate its applicability in embedded software products, its integrability in other modelling tools, and the quality of the autogenerated software. To that end, a set of Key Performance Indicators (KPI) have been defined to measure quantitative values mostly obtained with open-source tools. The evaluation adopts the Attitude Control System from the UPMSat-2 satellite as the technology demonstrator and its simulation and control Simulink models serve as evaluation models for this analysis. The contribution of this study has been to establish a quantitative methodology for the evaluation of the QGen tool-suite based on software metrics at varying granularity levels such as model and source code. This methodology should help the researchers to identify further metrics and use them to analyze not only automatic code generators, but also to establish a criterion to assess the technology readiness of other software products and tools
Rem before Koolhaas. Arquitectura oral
No full textPodemos practicar la arquitectura como una abeja de miel o como un avispón. Casi todos los arquitectos somos abejas de miel, pero Koolhaas es un avispón: te pica donde normalmente nadie lo hace(1). Y es que Rem Koolhaas es, ante todo, un entrevistador. Sus entrevistas contribuyen a su producción arquitectónica como manera de trabajar, de pensar y de especular. Además, forman parte de la historia oral de la arquitectura, una disciplina poco teorizada y en la que, sin embargo, se basa su arquitectura de las conversaciones. Su inicio se sitúa entre 1963 y 1968, cuando hacía entrevistas para el periódico holandés Haagse Post. Más allá de lo biográfico, la entrevista constituye uno de sus formatos de trabajo más frecuentes, y él empezó en una época de explosión de publicaciones y otros medios que establecieron el canon arquitectónico moderno ilustrando el «medio es el mensaje». Lo que nos enseña Koolhaas a través de sus entrevistas es una forma de descifrar la historia, de interpretar la arquitectura de los demás y de apropiarse de asuntos que no son objeto de la atención de la disciplina. Esta tesis se pregunta por la condición desoída de Koolhaas como entrevistador. Para realizarla ha sido necesario completar un archivo oral donde ciertas voces y relatos estaban ausentes en el registro histórico arquitectónico pese a ser producto o consecuencia de su trabajo. Asimismo, es conveniente poner en valor sus preguntas y las respuestas de otros al igual que ocurre con la atención prestada por los medios cuando él es el entrevistado. No se trata de extraer de unas técnicas periodísticas lecciones lingüísticas aplicables en la práctica arquitectónica, sino de mostrar que la labor entrevistadora de Koolhaas es un vehículo de producción de pensamiento crítico. El objetivo es exponer cómo utiliza sus entrevistas con una función práctica, teórica y crítica; y con ello contribuir a la comprensión del valor ensayístico, instrumental y especulativo de la transmisión oral como estrategia proyectual en sí misma. La primera parte trata el género de la entrevista como forma epistemológica y el contexto de una poco conceptualizada entrevista arquitectónica como lugar fértil de avance en el estudio de la disciplina. La segunda parte dará cuenta de detalles específicos sobre las entrevistas hechas por Rem Koolhaas: lo que se produce, su categorización y sus modos de funcionamiento en la cultura. Estos proyectos hablados, alejados del fetichismo, suponen la clasificación teórica de una arquitectura que aplica la oralidad como método de trabajo, de diseño, de pensamiento y de exploración. Al igual que algunos historiadores y escritores de arquitectura han abogado y se han esforzado por escribir historias arquitectónicas alternativas y más inclusivas, Rem before Koolhaas añade la de una arquitectura oral, polivocal, de un polifacético arquitecto entrevistador. -------(1) KOOLHAAS, Rem; FLOTHUIS, Trinoy MULISCH, Harry: Abejas de miel y avispones. Haagse Post habla con Harry Mulisch. En: Haagse Post (Politiek/Literatuur). Ámsterdam: Bonaventura, 24 de septiembre, 1966, p. 8
----------ABSTRACT----------
We can practice architecture like a honeybee or a hornet. Most architects are honey bees, but Rem Koolhaas is a hornet: he stings you where no one else does (1). Koolhaas is, above all, an interviewer. His interviews contribute to his architectural production as a way of working, thinking and speculating. Moreover, they are a part of the oral history of architecture, a discipline that remains largely unexamined and on which, nevertheless, Koolhaas’ architecture of conversations is based. He began this work between 1963 and 1968, when he did interviews for the Dutch newspaper Haagse Post. Beyond the biographical, the interview is one of his most frequent working formats, and he began in an era of explosion of publications and other media that established the modern architectural canon by illustrating McLuhan’s proposition that “the medium is the message”. What Koolhaas demonstrates through his interviews is how to decipher history, to interpret the architecture of others and to include issues that have previously been left outside of the discipline. This thesis attempts to rectify the omission of Koolhaas’ role as an interviewer. In order to accomplish this task, it was necessary to review an entire oral archive from which certain voices and stories were absent in the architectural history record, despite being the product or consequence of his work. This can be done by analysing both his questions and the answers he obtained, as well as the focus of attention of the media when Koolhaas himself was interviewed. The aim of this work is not to draw linguistic lessons from journalistic techniques that can be applied in architectural practice, but to show that Koolhaas’ interviewing technique is a vehicle for the production of critical thinking. The aim is to show that his interviews perform a practical, theoretical, and critical function, and to thus contribute to the understanding of the essayistic, instrumental, and speculative value of oral transmission as a design tool in itself. The first part of this thesis deals with the literary form of the interview as an epistemological form and the context of a little researched architectural interview as a fertile ground for the study of the discipline. The second part will provide specific details of the interviews conducted by Koolhaas: what is the product, its categorisation and, finally, its significance in culture. These spoken resources, far from being a fetish, represent the theoretical classification of an architecture that applies orality as a method of work, design, thought, and exploration. Just as some architectural historians and writers have advocated and endeavoured to write alternative and more inclusive architectural stories, Rem before Koolhaas adds that of an oral architecture, of a multifaceted architect who is at the same time an interviewer. ------ (1) KOOLHAAS, Rem; FLOTHUIS, Trinoy MULISCH, Harry: Abejas de miel y avispones. Haagse Post habla con Harry Mulisch. En: Haagse Post (Politiek/Literatuur). Ámsterdam: Bonaventura, 24 de septiembre, 1966, p.
Estudio de viabilidad técnica de un proyecto fotovoltaico en Castilla la Mancha
No full textAnte la crisis climática global, las energías renovables deben avanzar para contrarrestar los efectos irrevocables del cambio climático. La oportunidad surge para tecnologías rentables, como la solar fotovoltaica.
En este proyecto se realiza un estudio de viabilidad técnica de una instalación fotovoltaica ubicada en Castilla La Mancha.
Dadas las necesidades del cliente, se realiza una evaluación del emplazamiento, analizando las posibles restricciones o características del terreno que puedan afectar a la planta.
Así mismo se realiza un estudio ambiental con el fin de detectar y mitigar posibles impactos medioambientales, todo ello gracias al software Qgis.
Se utilizará también el software PVsyst, introduciendo determinados parámetros y perdidas que puedan surgir en la planta, para realizar simulaciones de la instalación.
Con estas simulaciones comprobaremos si se alcanzan las necesidades descritas por el cliente y por tanto si es técnicamente viable el proyecto.
ABSTRACT
In the face of the global climate crisis, renewable energies must advance to counteract the irreversible effects of climate change. An opportunity arises for cost-effective technologies, such as photovoltaic solar power.
In this project, a technical feasibility study is carried out for a photovoltaic installation located in Castilla-La Mancha. Addressing the client's needs, a site evaluation is conducted, analyzing potential restrictions or terrain characteristics that could impact the plant.
Likewise, an environmental study is undertaken to identify and mitigate potential environmental impacts, all thanks to Qgissoftware.
The PVsystsoftware will also be utilized, incorporating specific parameters and potential losses that might occur in the plant, in order to conduct simulations of the installation.
Through these simulations, we will verify whether the needs described by the client are met, and consequently, whether the project is technically viable
Uso del simulador de transitorios PCTran-NuScale para la realización de prácticas en la asignatura de Tecnologías Avanzadas en Reactores Nucleares
No full textAnte la incipiente aparición de los reactores SMR en la industria nuclear, la preparación y el entendimiento en esta tecnología comienzan a cobrar especial relevancia en la formación de los futuros profesionales de dicha industria.
Concretamente, el reactor NuScale es uno de los que más expectativas está generando en el mercado gracias a su avanzado estado en diferentes áreas de desarrollo y
licenciamiento.
Desde el punto de vista académico, resulta de especial interés su estudio en profundidad y por eso en el siguiente trabajo se explican y desarrollan una serie de prácticas académicas mediante el simulador PCTran sobre diferentes tipos de transitorios que pudieran tener lugar en NuScale, las cuales servirán a los alumnos de la asignatura “Tecnologías Avanzadas en Reactores Nucleares” para conocer más a fondo el funcionamiento de dicho reactor y su comportamiento ante diferentes situaciones operacionales.
Abstract
Given the incipient outbreak of SMR reactors in the nuclear industry, the training in this technology and its understanding begins to gain special relevance in the formation of future professionals of this industry.
Specifically, NuScale reactor is one of those generating most expectation in the market due to its advanced state of development and licensing.
From an academic point of view, it is of particular interest its in-depth study and that is why the following paper explains and develops a series of academic and practical exercises by using the PCTran simulator on different types of transients that could take place in NuScale, which will help students of “Nuclear Reactors Advanced Technologies” subject to learn more about the operation of this reactor and its behavior in different operational situations
Análisis y mejora de la seguridad y la privacidad de los dispositivos conectados en el hogar digital
No full textOver the last few decades, the Internet of Things has become so quintessentially relevant in our daily lives, that it would be difficult, if not impossible, to conceive the thought of conducting routine tasks without yielding to the benefits that this paradigm has to offer. Far from being considered a consolidated and regulated paradigm, the Internet of Things has multiple unaddressed challenges that perilously leads to unresolved security and privacy issues.
This dissertation particularly focuses on a specific and extremely vulnerable category of private environments, that of, smart homes. Due to the exposure of this space to multiple security and privacy threats, an individual’s intimate native environment, on innumerable occasions, is compromised. The reality is that just as technology is as uninterruptedly evolving, so have attacks on devices, which in turn, are becoming increasingly sophisticated and complex to detect and prevent.
Despite the existence of security tools and countermeasures, or regulations that promise to protect data privacy, the smart home continues to be an extremely susceptible target for elaborate attacks on connected devices. Therefore, the aim of this Doctoral Thesis is to contribute to the improvement of the security and privacy of connected devices within smart homes. To this end, an evolutionary line of research is proposed by addressing the issue, introducing three contributions to the main framework.
Based on the literature review carried out, a glossary of seven security and three privacy vulnerabilities is proposed, which are conducive to the materialisation of attacks and threatening situations. In order to corroborate the adverse circumstances affecting the smart home, a set of commercial devices has been selected to simulate attacks and test the devices’ response to them. Undoubtably, the results of this partial contribution reveal serious vulnerabilities affecting data integrity, availability and confidentiality.
As a result of the tests carried out, a methodology for vulnerability assessment of connected devices in the smart home is proposed. The main objective is to provide a set of guidelines to assess the security and privacy status of a device by analysing its response in an attack simulation scenario.
The second contribution addresses the still existing security and privacy issues surrounding the smart home, which show a severe lack of protection mechanisms to protect itself from these vulnerabilities. With respect to this situation, a system in charge of managing the security and privacy of connected devices is proposed. This system, which is integrated in the router, is made up of a set of components that address the problem through the tasks of monitoring and data acquisition, information storage, data analysis, event processing, and data visualisation.
As a solution to the aforementioned problems, a set of mechanisms is proposed to further automate the secure integration and continuous monitoring of devices in the smart home. Thus, these mechanisms, which can be integrated into the proposed system, provide the home with real-time management capabilities of the devices and notification of alerts detected in the home network.
In short, this Doctoral Thesis proposes three contributions to the framework of security and privacy of digital home devices focused on the detection, prevention and resolution of problems derived from the vulnerabilities of the devices. To this end, different lines of research have been presented that address the unquestionable adaptation and development of new protective strategies which shields and safeguards the security and privacy of smart home assets
Assessing the water-energy-food nexus : A novel participatory framework that combines System Dynamics and Cross-Impact Analysis to address cross-sectoral challenges in Andalusia
No full textIn today's world, ensuring water, energy and food security, as well as conserving ecosystems are some of the most pressing sustainability challenges. Our current systems of food production, energy use, and water management often operate in silos. However, these sectors are, by nature, interconnected, food production requires both water and energy, while pumping, treating, and transporting water require energy, and energy production requires water, among many other interrelationships. This siloed approach to management leads to a lack of coordination and significant trade-offs across systems. Moreover, this lack of coordination across sectors and socioeconomic activities has negative consequences for ecosystem conservation, which is vital for ensuring natural resource security. To tackle these issues, it is imperative to design policies or solutions that can effectively address sectoral and cross-sectoral challenges.
The water-energy-food (WEF) nexus approach is a systemic and integrated approach designed to manage resources and coordinate sectors comprehensively. By increasing efficiency, reducing trade-offs, building synergies, and improving governance across sectors and resources, the nexus approach has the potential to enhance water, energy, and food security. These characteristics make the WEF nexus an effective approach for supporting policy making. Consequently, the nexus approach has gained considerable attention in the last decade, leading the scientific community to develop new methodologies and adapt existing tools to address cross-sectoral challenges, and guide policy making efforts. Despite the advancements and ongoing efforts, some of these methodologies are too theoretical, conceptual, or complex to put into practice. Achieving effective governance of the WEF nexus remains elusive, making it difficult to address water-energy-food security and ecosystem conservation.
Within the scope of this PhD thesis, we have conducted a literature review and identified up to eleven main features in methodologies and tools that are necessary to effectively evaluate the WEF nexus. Based on these features and our knowledge, we selected four criteria that are crucial to operationalize the nexus: (1) tools that integrate quantitative and qualitative information, (2) tools capable of analysing cross-sectoral policies, (3) tools capable of assessing at different spatial scales, and (4) tools capable of simulating future scenarios at different temporal scales. After evaluating various methodologies and tools that address the nexus, we have found no methodology or tool that meets all four criteria. Therefore, the overarching objective of this thesis is to fill this gap in nexus studies by developing a novel participatory WEF nexus framework for co-designing and evaluating nexus solutions, encompassing these four criteria.
The Solution Evaluation Framework (SEF) consists of five main phases: (1) identifying nexus solutions, (2) nexus dialogues, (3) nexus modelling, (4) nexus evidence, and (5) nexus-coherence assessment. Throughout the evaluation process, the framework integrates various methodologies. In the nexus dialogues phase, we engage stakeholders and experts from different nexus sectors to identify challenges, co-design solutions and understand the cross-sectoral interlinkages using Fuzzy Cognitive Mapping (FCM). In the nexus modelling phase, we apply system dynamics models (SDM) to simulate different solution scenarios and quantify cross-sectoral interlinkages. Finally, in the nexus-coherence assessment phase, we utilize cross-impact analysis (CIA) and network theory to integrate quantitative and qualitative methodologies and measure the synergies and trade-offs of implementing a nexus solution.
The other objective of this thesis is to test the usefulness and applicability of the developed framework. To achieve this, the framework was applied to a practical case study involving an increase in irrigation water prices in Andalusia, Spain for the horizon of 2030. Following the methodology of the SEF, we worked with a panel of experts representing various sectors in Andalusia. Additionally, a system dynamics model was developed to simulate the WEF nexus system in the region. Finally, cross-impact analysis (CIA) and network theory were used to evaluate the solution. The results of the case study revealed that there is a sensitive relationship between water availability, irrigation costs and agricultural production, mainly due to the high level of technology in agricultural irrigation systems in the region. An increase in water price could generate synergies by promoting water security and ecosystem conservation. However, trade-offs were observed, particularly impacting the food sector in the region. The main challenges encountered in applying the framework were the integration of qualitative and quantitative information and the reconciliation of spatial and temporal scales across sectors.
Beyond the obtained results, the evaluation of this case study allowed us to demonstrate the capability of the SEF to evaluate nexus solutions by uncovering hidden properties, identifying leverage points, and highlighting key aspects of the complex cross-sectoral system. The framework can be adapted to accommodate different case studies, considering their unique challenges and spatial and temporal scales. Furthermore, it facilitates the evaluation and coordination of multiple policies simultaneously, thereby contributing to nexus-coherence policy making, which gives it a competitive advantage over other methodologies focused on nexus analysis. To conclude, participatory approaches that combine qualitative and quantitative methods prove suitable for identifying and evaluating solutions aimed at improving WEF nexus governance.
RESUMEN
Garantizar la seguridad hídrica, energética y de alimentos, y lograr la conservación de los ecosistemas, son algunos de los desafíos de sostenibilidad más apremiantes de nuestros tiempos. Nuestros sistemas de producción de alimentos, uso de energía y gestión del agua a menudo funcionan por separado. Sin embargo, estos sectores estar intrínsecamente conectados, la producción de alimentos requiere agua y energía, mientras que el bombeo, tratamiento y transporte de agua requieren energía, a la vez, la producción de energía requiere agua, entre muchas otras interrelaciones. La gestión sectorial aislada genera una falta de coordinación y perjuicios significativos entre los distintos sistemas. Además, esta falta de coordinación entre sectores y actividades socioeconómicas tiene consecuencias negativas para la conservación de los ecosistemas, que son fundamentales para garantizar la seguridad de los recursos naturales. Para abordar esta problemática, es imperativo diseñar políticas o soluciones que puedan abordar de manera efectiva los retos sectoriales e intersectoriales.
El enfoque de nexo agua-energía-alimentación (WEF por sus siglas en inglés) es un enfoque sistémico e integrado diseñado para gestionar recursos y coordinar los sectores de manera holística. Permite aumentar la eficiencia, reducir los perjuicios, crear sinergias y mejorar la gobernanza en todos los sectores y recursos, en ese sentido el enfoque del nexo tiene el potencial de mejorar la seguridad hídrica, energética y alimentaria. Además, estas características hacen que sea un enfoque eficaz para guiar la formulación de políticas. Es por esto por lo que el enfoque nexo WEF ha ganado considerable atención en la comunidad científica. Ha habido un impulso por desarrollar nuevas metodologías y adaptar herramientas existentes que permitan abordar los desafíos intersectoriales y guiar la formulación de políticas. Sin embargo, a pesar de los avances y los esfuerzos en curso, algunas de estas metodologías son demasiado teóricas, conceptuales o complejas para ponerlas en práctica. Todavía no se ha logrado alcanzar la gobernanza efectiva del nexo WEF, lo que dificulta garantizar la seguridad del agua, la energía y los alimentos, y lograr la conservación del ecosistema.
Dentro del marco de esta tesis doctoral, hemos realizado una revisión de la literatura e identificado hasta once características principales en metodologías y herramientas que son necesarias para abordar de manera efectiva el nexo WEF. Basándonos en estas características y nuestro conocimiento, hemos seleccionamos cuatro criterios que son cruciales para operacionalizar el nexo, estos son: (1) herramientas que integren información cuantitativa y cualitativa, (2) herramientas capaces de analizar políticas intersectoriales, (3) herramientas capaces de evaluar a diferentes escalas espaciales, y (4) herramientas capaces de simular escenarios futuros a diferentes escalas temporales. Después de hacer una evaluación de las metodologías y herramientas existentes, no hemos encontrado ninguna que cumpla con estos cuatro criterios. Por lo tanto, el objetivo general de esta tesis es cubrir el vacío en los estudios de nexo mediante el desarrollo de un novedoso marco participativo para co-diseñar y evaluar soluciones de nexo, abarcando estos cuatro criterios.
El Marco de Evaluación de Soluciones (SEF por sus siglas en inglés) consta de cinco fases principales: (1) identificación de soluciones de nexo, (2) diálogos de nexo, (3) modelado de nexo, (4) evidencia de nexo y (5) evaluación de coherencia de nexo. A lo largo del proceso de evaluación, el marco integra varias metodologías. En la fase de diálogos de nexo, involucramos a un panel de expertos de los diferentes sectores para identificar desafíos, co-diseñar soluciones y comprender las relaciones intersectoriales utilizando mapas cognitivos difusos (FCM). En la fase de modelado de nexos, aplicamos modelos de dinámica de sistemas (SDM) para simular diferentes escenarios de solución y cuantificar las relaciones intersectoriales. Finalmente, en la fase de evaluación de la coherencia del nexo, utilizamos análisis de impacto cruzado (CIA) y teoría de redes para integrar metodologías cuantitativas y cualitativas y medir las sinergias y perjuicios de implementar una solución de nexo.
El siguiente objetivo de esta tesis es probar la utilidad y aplicabilidad del marco de evaluación de soluciones desarrollado. Para esto, se estudió el aumento del precio del agua de riego en Andalucía - España en el horizonte 2030 como caso de estudio práctico. Siguiendo el marco metodológico SEF, se trabajó con un panel de expertos de varios sectores de Andalucía. Adicionalmente, se desarrolló un modelo de dinámica de sistemas para simular el nexo WEF en la región. Finalmente, se utilizó el análisis de impacto cruzado (CIA) y la teoría de redes para evaluar la solución. Los resultados del estudio revelaron que existe una relación sensible entre la disponibilidad de agua, los costos de riego y la producción agrícola. Esto principalmente por el alto grado de tecnificación de los sistemas de riego agrícola de la región. El incremento en los precios del agua podría promover la seguridad hídrica y la conservación de los ecosistemas. Sin embargo, podría generar perjuicios que afectan particularmente al sector alimentario de la región. Los principales desafíos encontrados al aplicar el marco fueron la integración de información cualitativa y cuantitativa, y la reconciliación de escalas espaciales y temporales entre sectores.
Más allá de los resultados obtenidos, la evaluación de este caso de estudio nos permitió demostrar la capacidad del marco SEF para evaluar soluciones de nexo al descubrir propiedades ocultas, identificar puntos de apalancamiento y resaltar aspectos clave en el complejo sistema intersectorial. Además, facilita la evaluación y coordinación de múltiples políticas simultáneamente, contribuyendo así a la formulación de políticas coherentes para el nexo. Todo esto otorga una ventaja competitiva sobre otras metodologías centradas en el análisis de nexo. Como conclusión final, los enfoques participativos que combinan métodos cualitativos y cuantitativos apuntan a ser los adecuados para identificar y evaluar soluciones destinadas a mejorar la gobernanza del nexo WEF
Photonic transducers based on industrially scalable resonant micro-nano structures = Transductores fotónicos basados en micro-nano estructuras resonantes escalables industrialmente
No full textHoy en día, los sensores están presentes en la vida cotidiana de millones de personas, gracias a su implementación en diferentes herramientas y su uso en diversos ámbitos. Entre ellos, los sensores biológicos basados en transductores ópticos se han vuelto fundamentales en el campo de la investigación sanitaria. Sin embargo, la industrialización de dichos sensores es a menudo complicada, ya que la producción de grandes cantidades para el mercado suele necesitar procesos diferentes de los empleados en la investigación. Esta tesis intenta dar una solución al problema de la fabricación de sensores de interrogación vertical basados en redes de nanopilares resonantes (RNPs), un tipo de transductor prometedor mostrado en varias publicaciones científicas.
Los dos objetivos principales de este trabajo son los siguientes: primero, el desarrollo de un protocolo fiable para la fabricación a nivel industrial de redes de RNPs; segundo, el diseño y la caracterización de sensores novedosos basados en RNPs.
Aunque se hayan fabricado anteriormente sensores basados en RNPs, los métodos empleados (como la litografía por haz de electrones o por interferencia láser) no son aptos para poder fabricar las cantidades requeridas en la industria, bien por su coste elevado, bien por el tiempo necesitado para el proceso de fabricación o bien por su bajo rendimiento. Por esta razón, el primer objetivo de la tesis presente se centra en la técnica de alto rendimiento conocida como litografía por nanoimpresión (NIL), en específico en su variante llamada soft UV-NIL. Además, aparte de la litografía, se estudiaron y optimizaron todos los otros pasos necesarios en el proceso de fabricación para obtener RNPs en diferentes sustratos como, por ejemplo, modificaciones superficiales, depósito de metal y técnicas de grabado en húmedo y en seco.
Tras muchas pruebas variando diferentes parámetros y la incorporación, optimización y modificación de los pasos considerados, se desarrolló un protocolo fiable de soft UV-NIL con moldes de UV-PDMS (KER 4690). El patrón original se modeló usando la técnica de litografía por haz de electrones en una oblea de Si (llamada master template), y el sello se fabricó por replica directa, echando el polímero encima del patrón. Las muestras fabricadas con este molde presentaron redes periódicas de agujeros nanométricos, que se usaron para la creación de máscaras metálicas tras la eliminación de la capa residual, el depósito del metal y el lift-off (o eliminación de la resina restante). Tras esto, técnicas de grabado por iones reactivos (RIE) se emplearon para la fabricación de RNPs en varios sustratos.
El segundo objetivo, por otro lado, trata de diseñar nuevas configuraciones para sensores basados en RNPs, e incluye tanto la simulación teórica de la respuesta óptica de diferentes sustratos multicapas para la fabricación de nuevas nanoestructuras, como el estudio de un sensor original basado en RNPs cubiertos por una capa de óxido de indio y estaño (ITO). Este material transparente y conductor permite añadir propiedades eléctricas al transductor fotónico considerado, manteniendo intacta su respuesta óptica y abriendo las puertas para una futura doble detección opto-electroquímica. El rendimiento de los sensores fabricados durante la tesis se calculó tras obtener sus espectros usando un espectrómetro de transformada de Fourier en el rango de luz visible e infrarrojo cercano (FT-VIS-NIR), y la sensibilidad de cada uno de ellos se calculó sumergiendo la superficie nanoestructurada en líquidos con diferentes índices de refracción (RIs), empleando el método conocido como bulk sensing.
Finalmente, se realizó un inmunoensayo usando los RNPs cubiertos de ITO para confirmar su idoneidad como biosensor. Para la detección biológica se implementaron en el protocolo nanopartículas de oro biofuncionalizadas (Au-NPs), y su presencia en la muestra objeto (frente su ausencia en el control negativo) fue confirmada utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM).
ABSTRACT
In the present day, sensors permeate the lives of millions of people, thanks to their integration in the most disparate objects and their employment in multiple fields. Among them, biological sensors based on optical transducers have become fundamental in the health research field. However, their industrialization is often a difficult task to achieve, as the production of high number of units for the market usually requires different processes to the ones employed in research. The present thesis tries to solve this issue regarding the fabrication of vertically interrogated sensors based on arrays of resonant nanopillars (RNPs), a type of transducer that has shown promising performances in multiple scientific publications.
This work comprises two main objectives that can be summed up as follows: first, the development of a reliable industrially-scalable protocol for the fabrication of periodic arrays of RNPs; second, the design and characterization of novel RNPs-based sensors.
While sensors based on RNPs have previously been fabricated by means of techniques like electron beam lithography (EBL) and laser interference lithography (LIL), these methods are all either time demanding, very expensive or low throughput, and a higher scale fabrication is discouraged (when not downright impossible) with said procedures. For this reason, the first objective of the present thesis focuses on the high throughput technique known as nanoimprint lithography (NIL), specifically in its variation called soft UV-NIL. Moreover, apart from the lithography, other steps employed in the fabrication process have been studied and optimized for the obtention of RNPs in different substrates, like surface modification, metal deposition, dry and wet etching.
After multiple tests changing different parameters and the inclusion, optimization and modification of various steps, a reliable soft UV-NIL protocol employing molds made of UV-PDMS (KER 4690) was developed. The original pattern was reproduced on a Si wafer (called master template) through EBL and then replicated over the stamp by direct polymer casting. Samples fabricated through imprinting employing said polymeric mold featured periodic arrays of nanometric holes for the fabrication of metal masks through residual layer removal, metal deposition and lift-off of the resist. After that, reactive ion etching (RIE) techniques were employed for top-down fabrication of RNPs in different substrates.
The second objective, on the other hand, delt with the design of novel RNPs configurations. This consisted not only in the theoretical calculation of the optical response of the different multilayered substrates employed for the fabrication of the nanostructured surface, but also in the study of an original RNPs-based sensor covered with indium tin oxide (ITO), a conductive and transparent material. This way, electrical activity can be added to the photonic transducer while maintaining its optical response, opening the gate for dual optical-electrochemical sensing. Performances of the sensors fabricated in the framework of this thesis were obtained employing a FT-VIS-NIR spectrometer, and sensitivity of each configuration was calculated by immersing the nanostructured surface in liquids with different refractive indexes (RIs), a practice commonly known as bulk sensing performance measurement.
Finally, a label-free immunoassay was performed over the ITO-covered RNPs to confirm its suitability as biosensor for future tests. Biological detection was enhanced with gold nanoparticles (Au-NPs) and their presence after incubation was confirmed through scanning electron microscopy (SEM) technique, also corroborating their absence in the negative control
Understanding the Impact of Artificial Intelligence in Academic Writing: Metadata to the Rescue
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