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Multivariate time-series modelling and forecasting with high-order dynamic Bayesian networks applied in industrial settings
No full textWith the proliferation in recent years of industrial systems monitored by sensors, there has been a drastic increase in the volume of data recovered that characterizes these systems. Specifically, the continuous recovery of data generates multivariate time series, which have specific characteristics and require special treatment. Additionally, industrial systems usually entail complex underlying processes, and these recovered time series offer valuable information about these processes and about the relationships between the variables in our system.
One model that allows us to work with time series data and that is able to offer us insights about the underlying process is dynamic Bayesian networks. However, the dynamic Bayesian network architecture is very restrictive, and cannot be freely applied to a wide range of industrial processes. Time series do not necessarily follow autoregressive order 1 and the relationships between their variables can come from non-linear physical processes. As opposed to this, dynamic Bayesian networks for continuous data usually assume normality and autoregressive order 1. On top of that, they are inherently lineal models in the case of linear Gaussian networks. These restrictions cause that dynamic Bayesian networks incur in severe inaccuracies when applied directly to industrial problems. In this dissertation, we focus on extending the dynamic Bayesian network model so that it can be applied as a general purpose model in industrial problems.
As our first contribution, we explore higher autoregressive orders of dynamic Bayesian networks to apply them for long-term forecasting of the temperature inside an industrial furnace. We create several dynamic Bayesian network models that are able to assimilate the tendency of the time series better as we increase the Markovian order of the networks up to a certain point. Thus, we are able to create a dynamic Bayesian network model that accurately forecasts the temperature inside an industrial furnace over spans of thousands of hours.
To fix the issue of increasing complexity when learning higher order networks, we propose a particle swarm algorithm to move through the space of possible structures. Firstly, we restrict the search to transition networks, which are graphs that only allow arcs to the most recent instant. Secondly, we define a natural number encoding and operators that are invariant to the Markovian order of the network in terms of particle size. Regardless of the desired Markovian order of the network, the size of the vectors that encode the graphs remains constant, increasing the efficiency of the algorithm for higher orders.
To make dynamic Bayesian network models more flexible in the presence of non-linear systems, we propose a hybrid model between model trees and dynamic Bayesian networks. This hybrid approach fits a classification and regression tree to some dataset and then fits a dynamic Bayesian network model in each of its leaf nodes. With this structure, we can use the tree to classify each new instance into one of the leaf dynamic Bayesian network models and use the most appropriate one to forecast the next instant. Afterwards, the forecasted values are processed again with the tree and a new dynamic Bayesian network model is selected, dynamically choosing the most fitting network for each instant over time. This allows us to perform non-linear inference via this piecewise regression mechanism.
As a last application of dynamic Bayesian networks, we have used them to forecast future states in a classification problem through time of the state of patients infected by the COVID-19, using neural networks as the classifier model.
Finally, we compiled and distributed the dynamic Bayesian network framework and all of our contributions inside an open source R package that allows a streamlined application of dynamic Bayesian networks in any industrial and real world settings.
RESUMEN
Con la proliferación en estos últimos años de sistemas industriales monitorizados por sensores, ha habido un incremento drástico en el volumen de datos recuperados que caracterizan estos sistemas. En particular, el guardado continuo de datos genera series temporales multivariantes, las cuales tienen características específicas y requieren un tratamiento especial. Además, los sistemas industriales normalmente contienen procesos complejos subyacentes, y estas series temporales ofrecen información valiosa sobre estos procesos y sobre cómo se relacionan las variables de nuestro sistema entre ellas.
Un modelo que nos permite tratar datos de series temporales y que es capaz de ofrecernos información sobre el proceso subyacente son las redes bayesianas dinámicas. Sin embargo, la arquitectura de estas redes es muy restrictiva, y no puede ser aplicada directamente a muchos procesos industriales. Las series temporales no necesariamente siguen un orden autorregresivo unitario y pueden tener variables cuyas relaciones vienen definidas por procesos físicos no lineales. Sin embargo, las redes bayesianas dinámicas para datos continuos suelen asumir normalidad en los datos y orden autorregresivo 1, siendo modelos lineales por definición en el caso de las redes lineales gaussianas. Estas restricciones provocan que la precisión de las redes bayesianas dinámicas disminuya cuando se aplican directamente a problemas industriales. En esta tesis vamos a extender el modelo de redes bayesianas dinámicas para que pueda usarse como un modelo de propósito general en problemas industriales.
En primer lugar, relajamos la restricción del orden autorregresivo de las redes bayesianas dinámicas para aplicarlas a la predicción a largo plazo de la temperatura dentro de un horno industrial. Para ello, creamos varios modelos de redes bayesianas dinámicas que son capaces de modelar mejor la tendencia de las series temporales según aumentamos el orden markoviano de las redes hasta un cierto punto. Con esto, generamos un modelo de redes bayesianas dinámicas que puede hacer predicciones precisas de la temperatura dentro del horno industrial a lo largo de periodos de miles de horas.
Para solucionar el aumento de complejidad del aprendizaje de estructuras de alto orden, proponemos un algoritmo de enjambre de partículas para movernos en el espacio de posibles grafos. Primero, restringimos la búsqueda a grafos que únicamente permiten arcos dirigidos al instante más reciente. Después, definimos unos operadores y una codificación por medio de vectores de números naturales que son independientes del orden markoviano de la red en términos de tamaño de las partículas. Así, el tamaño de los vectores que codifican las estructuras se mantiene constante sin importar el orden markoviano, mejorando la eficiencia del algoritmo para órdenes altos.
Para hacer los modelos de redes bayesinas dinámicas más flexibles en presencia de sistemas no lineales, proponemos un híbrido entre model trees y redes bayesianas dinámicas. Este híbrido ajusta un árbol de clasificación y regresión a un conjunto de datos y después ajusta un modelo de red bayesiana dinámica en cada una de las hojas del árbol. Con esta estructura, podemos utilizar el árbol para asignar cada nueva instancia a un modelo de una hoja del mismo y así usar el modelo de red bayesiana dinámica apropiado para predecir el siguiente instante. Esto nos permite realizar inferencia no lineal utilizando este mecanismo de regresión a trozos.
Como último caso de uso, hemos aplicado las redes bayesianas dinámicas a un problema de clasificación a lo largo del tiempo del estado de pacientes que sufren infecciones de COVID-19, usando redes neuronales combinadas como modelo clasificador.
Finalmente, hemos compilado y distribuido el modelo base de red bayesiana dinámica y todas nuestras contribuciones en un paquete de código abierto en R que permite una aplicación directa de las redes bayesianas dinámicas en casos industriales
Advancements in Data Processing Firmware: The RTL and HLS Development for TOSCA 2B Platform
No full textResumen:
El proyecto "Avances en Firmware de Procesamiento de Datos: Desarrollo RTL y HLS para la Plataforma TOSCA IIb" tiene como objetivo principal estudiar y comprender el alcance de la arquitectura TOSCA IIb. Esta arquitectura está integrada en la tarjeta IFC1410, diseñada para la adquisición y procesamiento de datos a alta velocidad. Combinada con el ADC3111 pueden alcanzar velocidades de adquisición de hasta 4 GB/s. Para facilitar la transmisión de los datos, la arquitectura TOSCA IIb incorpora un sistema de comunicación conocido como NoC (Network on Chip), capaz de interconectar los elementos del sistema a altas velocidades. Todos estos dispositivos están desarrollados por IOxOS, una empresa especializada en la creación de sistemas físicos, del espacio y de telecomunicaciones.
La IFC1410 está diseñada para ser utilizada en plataformas basadas en el estándar MTCA.4 (Micro Telecommunications Computing Architecture). Dicho estándar fue creado por el consorcio PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), una agrupación de empresas que se unieron con el objetivo de crear especificaciones para facilitar la interoperabilidad entre sus dispositivos.
El proyecto se desarrolla en el grupo de investigación en Instrumentación y Acústica Aplicada (I2A2), reconocido por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Este grupo se dedica a la investigación en diversas áreas como la creación o implementación de equipos electrónicos, sistemas embebidos, sistemas de adquisición de datos, etc.
Con el fin de facilitar la comprensión y el estudio de la arquitectura, se propone la integración de un filtro FIR (Finite Impulse Response) dentro de este diseño. Durante la implementación de este filtro se espera generar un bloque que permita, de forma sencilla, la incorporación de otros bloques de procesamiento. Posteriormente, se estudiará la posibilidad de incorporar en este bloque una IP (Intellectual Property) generada a partir de un código en HLS (High Synthesis Language).
Sin embargo, el proyecto enfrenta varios desafíos, siendo el principal la documentación que existe sobre la arquitectura. Los manuales no ofrecen una comprensión adecuada de las funciones de los bloques del diseño ni como utilizarlos correctamente. En ocasiones, la documentación está desactualizada o incompleta. El proyecto tiene como objetivo abordar esta arquitectura de forma fácil y sencilla, para que cualquier diseñador deFPGA(Field Programmable Gate Array) pueda incorporar su lógica de procesamiento con la menor dependencia posible de la documentación ofrecida por el fabricante. Adicionalmente, la falta de documentación provoca que sea necesario buscar directamente en el código o en los ejemplos de casos de uso para comprender cómo utilizar la arquitectura.
Una vez se han superados estos desafíos, la implementación del filtro ha sido satisfactoria. Los resultados obtenidos concuerdan con los calculados en MATLAB y en las simulaciones. En cuanto al estudio de la viabilidad de la implementación de un bloque en HLS, se ha concluido que es posible la integración de una IP dentro de esta arquitectura.
Abstract:
The project "Advancements in Data Processing Firmware: The RTL and HLS Development for TOSCA IIb Platform" aims to study and understand the importance of TOSCA IIb architecture. This architecture is embedded in the IFC1410, a board designed for the acquisition and processing of data at a high speed. Combined with the ADC3111, it can achieve a data acquisition of up to 4 GB/s. To facilitate the data transmission, the TOSCA IIb architecture incorporates a communication system known as Network on Chip (NoC) that interconnects the elements of the system at a high speed. All these devices are developed by IOxOS, a company that specializes in creating systems for space and telecommunications.
The IFC1410 is designed to be compatible with platforms based on Micro Telecommunications Computing Architecture (MTCA). This standard was created and maintained by the PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG), a group of companies that got together to create specifications to facilitate interoperability between their devices.
This project is developed in the research group I2A2 (Instrumentación y Acústica Aplicada), recognized by the UPM (Universidad Politécnica de Madrid). This group is dedicated to the study of different areas such as the creation or implementation of electronic equipment, embedded systems, data acquisition systems, etc.
In order to simplify the understanding and study of this architecture, a Finite Impulse Response (FIR) filter is integrated into this design. During the implementation of this filter, it is expected to generate a block that allows the incorporation of other processing blocks. Subsequently, the possibility of incorporating an Intellectual Property (IP) from an High Synthesis Language (HLS) code is studied.
However, the project faces several challenges, the main one being the existing documentation of the architecture. The manuals do not provide an adequate understanding of the function of the design blocks or how to use them effectively. In some cases, the documentation is outdated or incomplete. The project aims to use this architecture from a less complicated point of view so that any Field Programmable Gate Array (FPGA) designer can implement their own processing blocks without needing to rely exclusively on the documentation. Furthermore, the lack of documentation causes the need to understand the code or the use cases manually to understand the implications of architecture.
Once these challenges have been overcome, the implementation of the filter has been successful. The results obtained are consistent with those calculated in MATLAB and the simulations. As for the study of the HLS implementation, it has been concluded that is possible the integration of an IP inside this architecture
Ketone monoester and bicarbonate co-ingestion improves cycling performance of WorldTour Cyclists
No full textThe present randomized study investigated the effect of acute supplementation of 800 mg/kg of ketone monoester ingestion (KE) or placebo (PL) and 210 mg/kg of NaHCO3 co-ingestion on cycling performance of WorldTour cyclists during a road cycling stage simulation. Twenty-eight cyclists participated in the study (27.46 ± 4.32 years; 1.80 ± 0.06 m; 69.74 ± 6.36 kg). Performance, physiological, biochemical, and metabolism outcomes, gut discomfort, and effort perceived were assessed during a road cycling simulation composed of an 8-min time-trial (TT) performance + 30-s TT + 4.5 hr of outdoor cycling + a second 8-min TT + a second 30-s TT. Greater absolute and relative mean power during the first 8-min TT (F = 5.067, p = .033, η2p = .163, F = 5.339, p = .029, η2p = .170, respectively) was observed after KE than after PL (KE: 389 ± 34, PL: 378 ± 44W, p = 002, d = 0.294 and KE: 5.60 ± 0.42, PL: 5.41 ± 0.44 W/kg, p = .001, d = 0.442). Additionally, greater concentration of β-hydroxybutyrate blood concentration (F = 42.195, p < .001, η2p = .619) was observed after KE than after PL during the first steps of the stage (e.g., after warm-up KE: 1.223 ± 0.642, PL: 0.044 ± 0.058 mM, p < .001, d = 2.589), although the concentrations returned to near baseline after 4.5 hr of outdoor cycling. Moreover, higher values of anion gap were observed (F = 2.333, p = .026, η2p = .080) after KE than after PL ingestion, after the warmup and after the first 8-min and 30-s TT. Additionally, lower concentrations of HCO−3 were reported in the KE condition after warm-up and after the first 8-min and 30-s TT. During the initial phase of the stage simulation, acute supplementation with KE + NaHCO3 coingestion nhanced 8-min TT cycling performance (3.1%) in WorldTour cyclists with a concomitant hyperketonaemi
Analysing individuals' use of moped-sharing and their perception about future private car dependency
No full textMoped-scooters are one of the latest services coming into the shared mobility ecosystem, which is why scientific contributions devoted to this actor are still scarce. This research explores two main questions. First, it analyses the determinants of the frequency of use of e-moped-sharing among adopters of these services. Second, it examines whether the use of e-moped-sharing may affect the individuals' perspective of the need to own a private vehicle in the future. To achieve this goal, we conducted a survey campaign in the four main cities of Spain (Madrid, Barcelona, Valencia and Seville) which gathered 3897 valid responses. This data was employed to build a Generalized Structural Equations Model that accounts for the influence of a variety of factors, including socio-economic characteristics, stated travel behaviour, and psychological preferences of the individuals. The results show that the frequency of use of electric shared-mopeds is higher among wealthier younger individuals and residents in the city centre. The modelling concludes that more frequent use of shared electric mopeds is negatively correlated with the belief that private vehicles will remain a necessity in the future. This effect seems to be more pronounced among high-income groups and those that combine e-moped-sharing with other shared services
ÉXTASIS : Dominio y destrucción en la arquitectura extraterrestre
No full textLa humanidad se encuentra en un punto de inflexión respecto a su relación con el cosmos. A lo largo del último siglo las posibilidades de habitar lugares situados en el exterior del planeta Tierra se han consolidado en diferentes proyectos vinculados a misiones de carácter inédito e innovador. La evolución de la tecnología y el incremento de los intereses geopolíticos y económicos permiten anticipar un auge significativo en el desarrollo de hábitats situados más allá de la línea de Kármán durante las próximas décadas.
La presente investigación doctoral se centra en analizar la posición de supremacía humana en los asentamientos en el espacio exterior respecto a aquellos agentes, facultades, culturas, e ideologías que considera inferiores o despreciables a través de dos enfoques. Por un lado, el antropocentrismo, la creencia de que el ser humano es el actor más relevante en el universo y que el resto de los seres vivos y agentes artificiales existen para servir a sus intereses. Por otro lado, el cientificismo, la corriente filosófica que enfatiza la superioridad del positivismo como único medio legítimo para desarrollar el conocimiento y para interpretar la realidad del universo.
Para abordar este análisis, la investigación examina diversos casos de estudio pertenecientes tanto a la ficción como a la no ficción, demostrando cómo y por qué medios estas perspectivas han llevado al dominio y la destrucción de «la otredad», entendiendo el término como la oposición a un modo de ser considerado ideal. Mediante la revisión exhaustiva de los datos recopilados en diferentes hábitats extraterrestres, se evidencia el impacto del antropocentrismo en la explotación y degradación de los recursos naturales, el sometimiento de otras formas de vida, y la negación de la interconexión y la interdependencia entre el agente humano con el universo; así como el efecto del cientificismo en la reducción de la relación con el cosmos a su dimensión cuantificable, la supresión de formas de expresión alternativas que no se ajustan a sus parámetros, y el descarte de aspectos éticos en la arquitectura.
ABSTRACT
Humanity is at a turning point in its relationship with the cosmos. Over the last century, the possibilities of inhabiting places outside planet Earth have been consolidated through different projects linked to unprecedented and innovative missions. The evolution of technology and the increase in geopolitical and economic interests allow for a significant boom in the development of habitats beyond the Kármán line in the coming decades.
This thesis focuses on analyzing the position of human supremacy in settlements in outer space regarding those agents, faculties, cultures, and ideologies that it considers inferior or despicable through two approaches. On the one hand, anthropocentrism, the belief that the human being is the most relevant actor in the universe and that the rest of living beings and artificial agents exist to serve their interests. On the other hand, scientism, the philosophical current that emphasizes the superiority of positivism as the only legitimate means to develop knowledge and to interpret the reality of the universe.
To address this analysis, the research examines various case studies belonging to both fiction and non-fiction, demonstrating how and by what means these perspectives have led to the domination and destruction of "the otherness," understanding the term as the opposition to an ideal way of being. Through the exhaustive review of data collected in different extraterrestrial habitats, the impact of anthropocentrism on the exploitation and degradation of natural resources, the subjugation of other forms of life, and the denial of the interconnection and interdependence between the human agent and the universe is evidenced. Likewise, the effect of scientism in reducing the relationship with the cosmos to its quantifiable dimension, the suppression of alternative forms of expression that do not fit its parameters, and the discarding of ethical aspects in architecture is also revealed
Design of a shape-adaptable silk fibroin biohybrid to overcome drug delivery barriers in the treatment of cerebral injuries
No full textGlioblastoma (GBM) is the most common aggressive brain tumour in adults with a mean survival of 12-15 months. The standard treatment of GBM consists of the resection of the bulk tumour, followed by the implantation in the edge of non-resected brain area of a controlled release drug delivery system based on carmustine loaded wafers, and before the administration of radiotherapy and chemotherapy with temozolomide. This system overcomes the main barriers associated with conventional administration of drugs, such as the quick drug metabolization or clearance, the side effects in no target tissues, and especially for cerebral injuries, the presence of the blood-brain barrier (BBB) that hinders the uptake of the drug at therapeutic concentrations. However, these wafers have a modest benefit due to fast delivery kinetics, implant dislodgments for their lack of adaptability, and not overcome the chemoresistance observed in some patients. Here, we designed a shape-adaptable silk fibroin (SF) biohybrid for optimal control of drug delivery. This biohybrid was composed by an inner core of hydrogel contained into an external cover made of mats and fibres. The hydrogel would provide mechanical features like the brain and would adapt to the resection cavity; the mats would constitute a barrier against the leakage of the gelling SF solution, and the fibres would maintain the structure as a whole and would deform by the injection of the gelling solution, adapting to the resection cavity. Moreover, we tested the ability of this biohybrid to deliver doxorubicin (DOX), a chemotherapeutic molecule which use for central nervous system cancers has been limited by its poor penetration through the BBB. Our results demonstrated that the SF hydrogels had mechanical properties that matched with the brain, high porosity, stability against degradation in the short term, and they were sterilizable. It was possible to obtain fibres with high deformations in water and high performances in air, which are important for the easy handling of the posterior biohybrid material. The mats also showed high capability of deformation in water and a porous structure that would not hamper the drug release. Finally, the assembly of the three formats offered mechanical behaviour that was compatible with the brain tissue. Although fibres and mats resulted to be harmful for cells, the capability of sustained delivery from the hydrogels was demonstrated as well as the preservation of the stability and cytotoxic effect of DOX. New optimized fabrication methods for mats and fibres are needed to enhance the biocompatibility of the whole biohybrid, especially for biomedical applications.
RESUMEN
El glioblastoma (GBM) es el tumor cerebral agresivo más común en adultos con una supervivencia media de los pacientes de 12 a 15 meses. El tratamiento estándar del GBM consiste en la resección de la mayor parte del tumor, seguida de la implantación en el borde de la región cerebral no extraída de un sistema de administración de fármacos de liberación controlada basado en obleas cargadas con carmustina, y antes de la administración de radioterapia y quimioterapia con temozolomida. Este sistema supera las principales barreras asociadas a la administración convencional de fármacos, como son la rápida metabolización o eliminación del fármaco, los efectos secundarios en tejidos no diana, y especialmente para las lesiones cerebrales, la presencia de la barrera hematoencefálica (BBB, por su nombre en inglés) que dificulta la captación del fármaco a concentraciones terapéuticas. Sin embargo, estas obleas tienen un beneficio moderado debido a la rápida cinética de liberación del fármaco, el desprendimiento de los implantes por su falta de adaptabilidad, y por no superar los problemas de quimiorresistencia experimentada por algunos pacientes. En este trabajo, diseñamos un biohíbrido de fibroína de seda (SF, por su nombre en inglés) adaptable al entorno, compuesto por un núcleo interno de hidrogel contenido en una cubierta hecha de mallas y fibras. El hidrogel proporcionaría características mecánicas similares al cerebro y se adaptaría a la cavidad de resección; las mallas constituirían una barrera contra la fuga de la solución de SF en proceso de gelificación, y las fibras mantendrían la estructura del conjunto y se deformarían por la inyección de la solución gelificante, adaptándose a la cavidad de resección. Además, estudiamos la capacidad del biohíbrido para liberar doxorrubicina (DOX), una molécula quimioterapéutica cuyo uso para los cánceres del sistema nervioso central se ha visto limitado por su escasa penetración a través de la BBB. Nuestros resultados demostraron que los hidrogeles de SF tenían propiedades mecánicas similares a las del cerebro, alta porosidad, estabilidad contra la degradación a corto plazo y que eran esterilizables. Se logró obtener fibras con altas deformaciones en agua y altas prestaciones en aire, las cuales son importantes para facilitar el manejo del posterior material biohíbrido. Las mallas también mostraron una alta capacidad de deformación en agua y una estructura porosa que no dificultaría la liberación del fármaco. Finalmente, el ensamblaje de los tres formatos ofreció un comportamiento mecánico compatible con el tejido cerebral. Aunque las fibras y las mallas resultaron ser dañinas para las células, se pudo demostrar la capacidad de liberación sostenida a partir de los hidrogeles, así como la preservación de la estabilidad y el efecto citotóxico de la DOX. Es necesario implementar nuevos métodos de fabricación optimizados tanto para las mallas como para las fibras, con el fin de mejorar la biocompatibilidad de todo el biohíbrido, especialmente para aplicaciones biomédicas
Online Order Batching Problem: a heuristic approach for single and multiple pickers
No full textThe recent expansion of electronic commerce has promoted the development of numerous sectors around it. Among these sectors are those related to the supply chain management. Within the supply chain, logistic warehouses play a key role, being responsible for receiving, storing, and collecting products, which must be delivered to other warehouses or fnal customers. Generally, the objective of the operations in a warehouse are devoted to reducing delivery times. To that aim it is important to have efcient storage and collection strategies.
There are multiple problems within logistic warehouses that need to be solved. Many of these problems can be defned as optimization problems. Among them, problems related to the order picking process stands out. Order picking can be tackled with diferent picking policies. Among the best-known order picking policies, we can fnd “Strict Order Picking” and “Order Batching”. The former one is characterized by picking each order individually, i.e. the picker starts a new collection route each time a new order needs to be picked. On the other hand, the Order Batching policy is characterized by the fact that orders are grouped into batches, and the collection of all the orders associated with the same batch is carried out on the same picking route, normally by a single picker.
This Doctoral Thesis focuses on solving several optimization problems belonging to the family of Order Batching Problems (OBP), which appear when a batch collection policy is used in the picking process of a warehouse. More specifcally, this Doctoral Thesis focuses on solving the task of determining the grouping of orders into batches, commonly named as “batching”. The resolution of a problem belonging to the OBP family implies also addressing other tasks such as: determining the next batch to be picked, selecting the order picker who will carry out the picking, establishing the picking route within the warehouse, determining the time that a picker must wait before starting a new route, etc. These tasks vary depending on the variant of the problem studied. A possible classifcation of the variants would divide them into Ofine/Online, depending on the availability of information regarding to the arrival of new orders. It is also possible to classify them as single picker/multiple pickers depending on whether there are one or several pickers collecting the orders simultaneously. Variants of the problem can also be identifed according to the objective function studied.
This Doctoral thesis focuses on the online variants of the problem, which are characterized by being dynamic optimization problems where orders arrive at the system continuously, i.e., while the collection process is undergo. In this context, there is no information about the next order that will arrive at the system. This type of scenario could be considered the most realistic nowadays, given that the online sale of products is continuously happening, as e-Commerce platforms operate 24 hours a day. Among the diferent online variants of the OBP family, in this Doctoral Thesis, the batching task is studied both: single picker context, and multiple pickers context. In addition, the task that determines the time window is also highlighted and studied. This task occurs only in online variants of the problem and it has been little studied in the literature, but it has a great impact on the obtained results. Determining the time window consists of determining the best time for the picker to leave and collect the generated batch. Delaying the start of the picking route means that new orders may arrive at the system, which could beneft a better composition of the remaining batches.
The resolution of the batching task belongs to the NP-hard computational complexity class, so it is not possible to efciently determine the optimal solution to the problem in a reasonable amount of time, when the size of the problem is large, as it is the case in most real situations.
Heuristic and metaheuristic techniques are used to address the problems described above, since these techniques provide high-quality solutions for NP-Hard problems in short computing times. Heuristics are used both to generate an initial solution to the problem (constructive heuristics) and to search for better-quality solutions in the neighborhood about a given solution (search heuristics). The latter present the difculty of being trapped in local optima, that is, in the best possible solution within a specifc neighborhood. Metaheuristics are high-level heuristics capable of escaping from a local optimum and reaching others belonging to diferent neighborhoods. In the case of this Doctoral Thesis, diferent construction and local search algorithms have been proposed to solve the problems, together with the use of the Variable Neighborhood Search and Greedy Randomized Adaptive Search Procedure metaheuristics. The algorithms proposed for each of the diferent variants studied have been able to improve, in their respective contexts, the existing algorithms in the state of the art. Finally, we point out that the most relevant results obtained have been published in prestigious international scientifc forums.
RESUMEN
La reciente expansión del comercio electrónico ha impulsado el desarrollo de numerosos sectores a su alrededor, entre los que se encuentran todos aquellos relacionados con la cadena de suministro. Los almacenes logísticos juegan un papel clave en dicha cadena, siendo los responsables de la recepción, almacenaje y posterior recogida de productos, que deben ser servidos a otros almacenes o a clientes finales. De manera general, se persigue el objetivo de reducir los tiempos de entrega, para lo que es relevante disponer de estrategias de almacenaje y recogida eficaces.
Dentro de los almacenes logísticos, deben resolverse múltiples problemas que pueden ser enunciados como problemas de optimización. Entre ellos, destacan los problemas relacionados con la recogida de pedidos, que puede seguir diferentes estrategias o políticas de recogida. Entre las más conocidas se encuentran las políticas Strict Order Picking y Order Batching. La primera, está caracterizada por realizar una recogida individual de los pedidos, es decir, el operario inicia una nueva ruta de recogida cada vez que recoge un nuevo pedido. Por otro lado, la política Order Batching se caracteriza porque los pedidos son agrupados en lotes y la recogida de todos los pedidos asociados al mismo lote se realiza en una misma ruta, normalmente por un único operario.
Esta Tesis Doctoral se centra en la resolución de algunos problemas de optimización pertenecientes a la familia denominada Order Batching Problems (OBP), que aparecen cuando se emplea una política de recogida por lotes. De manera más concreta, esta Tesis Doctoral está centrada en la resolución de la tarea consistente en determinar la agrupación de pedidos en lotes, comúnmente denominada batching, si bien, la resolución de un problema perteneciente a la familia OBP implica abordar también otras tareas tales como: determinar el siguiente lote a recoger, seleccionar el operario que realizará la recogida, establecer la ruta de recogida dentro del almacén, determinar el tiempo que un operario debe esperar antes de iniciar una nueva ruta, etc. Estas tareas varían según la variante del problema estudiada. Una posible clasificación de las variantes las dividiría en Ofine/Online, según la disponibilidad de la información relativa a la llegada de nuevos pedidos. También es posible clasificarlas como Single Picker/Multiple Pickers según se disponga de uno o varios operarios recogiendo los pedidos simultáneamente. Las variantes también pueden diferenciarse según la función objetivo que se estudie. Esta Tesis Doctoral se centra en las variantes Online del problema, que se caracterizan por ser problemas de optimización dinámica donde los pedidos llegan al sistema de manera continuada, es decir, mientras que el proceso de recogida está en marcha. En este contexto, no se tiene ninguna información del siguiente pedido que llegará al sistema. Este tipo de escenario podría considerarse como el más realista hoy en día, dado que la venta de productos online es continua, al estar las plataformas de comercio electrónico 24h al día operativas. Entre las diferentes variantes Online del OBP, en esta Tesis Doctoral se estudia la tarea de batching tanto en contextos con un único operario, como en contextos con múltiples operarios. Además, se destaca la identificación y el estudio de la tarea que determina el tiempo de ventana. Esta tarea solo se da en las variantes Online del problema y ha sido muy poco estudiada en la literatura, pero tiene un gran impacto sobre los resultados obtenidos. Determinar el tiempo de ventana consiste en determinar el mejor momento de salida del operario para realizar la recogida del lote generado. Retrasar el tiempo de salida del operario produce que puedan llegar nuevos pedidos al sistema, lo que podría beneficiar una mejor composición de los lotes restantes.
La resolución de la tarea de batching tiene una complejidad computacional J\ÍV-Difícil, de manera que no es posible determinar de manera eficiente la solución óptima al problema en un tiempo razonable, cuando el tamaño del problema es grande, como es el caso de la mayoría de las situaciones reales. Para abordar los problemas descritos anteriormente se emplean técnicas heurísticas y metaheurísticas, ya que estas técnicas son capaces de ofrecer soluciones de gran calidad, en un corto periodo de tiempo, para problemas A/"P-Difíciles. Las heurísticas son empleadas tanto para generar una solución inicial al problema (a través de heurísticas constructivas) como para buscar soluciones de mejor calidad en la vecindad de una solución dada (heurísticas de búsqueda). No obstante, estas presentan la dificultad de quedar atrapadas en óptimos locales, es decir, en la mejor solución posible dentro de una vecindad concreta. Las metaheurísticas son heurísticas de nivel superior que complementan a las heurísticas de búsqueda, siendo capaces de escapar de un óptimo local y alcanzar otros pertenecientes a distintas vecindades. En el caso de esta Tesis Doctoral se han propuesto diferentes algoritmos constructivos y de búsqueda para la resolución de los problemas anteriormente mencionados, junto con la utilización de las metaheurísticas Variable Neighborhood Search y Greedy Randomized Adaptive Search Procedure. Los algoritmos propuestos para cada una de las diferentes variantes estudiadas han sido capaces de mejorar, en sus respectivos contextos, a los algoritmos existentes en el estado del arte. Por último, hay que destacar que los resultados más relevantes obtenidos durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral han sido publicados en foros científicos internacionales de reconocido prestigio
Modelado y dimensionamiento de una simulación de instalación solar fotovoltaica aislada de la red en el programa matlab simulink
No full textEn el presente proyecto se plantea la construcción de un sistema solar aislado de la red con un sistema de almacenamiento de energía para la simulación de transitorios rápidos y ver su evolución ante cambios ambientales de irradiancia y de carga demandada.
En primer lugar, se realizará un dimensionamiento adecuado del sistema para asegurar que cumpla con los requisitos de demanda diaria y autonomía de la batería. Esto implica calcular la capacidad necesaria de la batería, el número de paneles necesarios y otros componentes clave.
A continuación, se procederá a modelar el sistema utilizando los bloques y herramientas disponibles en Simulink. Estos bloques representarán los componentes del sistema solar, como los paneles solares, los convertidores DC-DC, el sistema de almacenamiento de baterías y la carga demandada. Se establecerán las conexiones y configuraciones adecuadas entre los bloques para simular el funcionamiento correcto individual y colectivo del sistema.
Posteriormente, se realizarán simulaciones utilizando diferentes perfiles de carga demandada e irradiancia solar para probar el comportamiento y rendimiento del sistema en diversas situaciones.
Estas simulaciones permitirán evaluar la capacidad de adaptación del sistema ante cambios en la demanda de carga y la disponibilidad de energía solar.
Se verificará el correcto funcionamiento individual de cada componente del sistema y se analizará su interacción colectiva para asegurar su correcta operatividad.
Esto incluirá la evaluación de parámetros clave, como la generación de energía solar, el estado de carga de la batería, la estabilidad del sistema y la capacidad de suministrar la demanda de carga requerida.
En resumen, el proyecto se enfoca en la construcción y modelado de un sistema solar aislado de la red con almacenamiento de energía, utilizando Matlab Simulink.
A través de simulaciones con diferentes perfiles de carga y irradiancia, se evaluará el rendimiento y la capacidad de adaptación del sistema, garantizando su correcto funcionamiento y cumplimiento de los requisitos establecidos.
ABSTRACT
The present project proposes the construction of a standalone solar system with energy storage for the simulation of rapid transients and to observe its response to changes in irradiance and load demand.
Firstly, an appropriate sizing of the system will be performed to ensure that it meets the requirements of daily demand and battery autonomy. This involves calculating the necessary battery capacity, the number of required solar panels, and other key components.
Next, the system will be modeled using the available blocks and tools in Simulink. These blocks will represent the solar system components such as solar panels, DC-DC converters, battery storage system, and load demand.
Proper connections and configurations will be established between the blocks to simulate the individual and collective correct operation of the system.
Subsequently, simulations will be carried out using different load demand profiles and solar irradiance to test the behavior and performance of the system under various scenarios. These simulations will evaluate the system's adaptability to changes in load demand and solar energy availability.
The individual functioning of each system component will be verified, and their collective interaction will be analyzed to ensure proper operation. This will include evaluating key parameters such as solar energy generation, battery charge status, system stability, and the capacity to meet the required load demand.
In summary, the project focuses on the construction and modeling of a standalone solar system with energy storage using Matlab Simulink.
Through simulations with different load and irradiance profiles, the performance and adaptability of the system will be evaluated, ensuring its correct functioning and compliance with the established requirements
Simulación de procesos de torrefacción mediante análisis térmico
No full textUna de las alternativas para llevar a cabo la descarbonización de nuestros cielos es la transformación de la biomasa para la obtención de biocombustibles o combustibles sintéticos, ya sean sólidos como los pellets o líquidos como el bioetanol y el biodiesel, buscando sustituir a los combustibles fósiles convencionales (carbón, petróleo y gas).
Pero la biomasa tiene el inconveniente de poseer una baja densidad energética por lo que la sustitución de los combustibles fósiles por biomasa no es tan sencilla.
Dentro de una amplia variedad de tratamientos que se pueden llevar a cabo encontramos la torrefacción que consiste en un tratamiento térmico a baja temperatura el cual nosotros realizaremos entre 150 ºC y 300 ºC y en una atmósfera inerte (en ausencia de O2) para evitar la combustión, el gas que estará presente es el N2 principalmente.
El objetivo del proyecto es determinar las condiciones óptimas de la torrefacción para dos muestras de biomasa, es decir, el mayor poder calorífico sin una disminución excesiva de masa y mejorando otras propiedades como la hidrofobia de la biomasa y la facilidad de molido de las muestras.
Para ello analizaremos los resultados de los diferentes ensayos que se van a realizar.
Se tendrán en cuenta factores como el poder calorífico, la masa, la humedad y la composición de la muestra antes y después de haberse realizado el proceso de torrefacción.
La máquina que se ha utilizado para realizar los ensayos de torrefacción es una Mettler Toledo TG-DSC T50. El método de análisis que realiza la máquina es un análisis termogravimétrico (TGA), es una técnica que registra la variación de masa al someter a la muestra a un calentamiento controlado, pudiendo determinar así las fracciones de volátiles.
Además, se plantea en este proyecto una propuesta de planta para la torrefacción de biomasa a nivel industrial que funcione en base a los resultados obtenidos en la simulación de los procesos de torrefacción.
ABSTRACT
One of the alternatives to carry out the decarbonization of our sky is the transformation of biomass to obtain biofuels or synthetic fuels, whether solid such as pellets or liquids such as bioethanol and biodiesel, seeking to replace conventional fossil fuels (coal, oil, and gas).
But biomass has the disadvantage of having a low energy density, so replacing fossil fuels with biomass is not so simple.
Within a wide variety of treatments that can be carried out we find the torrefaction that consists of a heat treatment at low temperature which we will perform between 150 ºC and 300 ºC and in an inert atmosphere (in the absence of O2) to avoid combustion, the gas that will be present is the N2 mainly.
The objective of the project is to determine the optimal torrefaction conditions for two biomass samples, i.e., the highest calorific value without an excessive decrease in mass and improving other properties such as biomass hydrophobia and ease of sample chopping.
For this we will analyse the results of the different tests that were carried out. Factors such as calorific value, mass, moisture, and sample composition shall be considered before and after the torrefaction process has been carried out.
The machine that has been used to carry out the torrefaction tests is a Mettler Toledo TG-DSC T50. The method of analysis performed by the machine is a thermogravimetric analysis (TGA), it is a technique that records the changes in mass when applying controlled heating, thus being able to determine the fractions of volatiles.
In addition, a plant proposal for the torrefaction of biomass at an industrial level that works based on the results obtained in the simulation of torrefaction processes will be proposed
Estudio de contratos bilaterales (PPAS) con energías renovables, con especial foco en energía solar fotovoltaica
No full textEn el presente Trabajo de Fin de Grado se ha analizado como se componen los PPAs dependiendo de su localización, entrega de energía o precio, con el fin de entender las distintas partes que conforman estos contratos.
Haciendo un especial hincapié en los PPAs provenientes de fuentes de energía solar fotovoltaica, por el gran impacto que supone el uso de energías limpias, especialmente con los ODS.
Además, se ha dado un contexto de la repercusión actual en Europa y especialmente en España, centrándome tanto en su legislación como en la posible evolución de estos contratos en los próximos años.
Abstract
This Final Degree Project has analyzed how PPAs are composed depending on their location, energy delivery or price, in order to understand the different parts that make up these contracts.
Special emphasis has been placed on PPAs from solar photovoltaic energy sources, due to the great impact of the use of clean energy, especially with the SDGs.
In addition, a context of the current impact in Europe and especially in Spain has been given, focusing on both its legislation and the possible evolution of these contracts in the coming years