Through advances in sensor, networking, semiconductor and energy storage technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) are increasingly being deployed in many important applications to enable users to access information about the physical world. As a result, WSNs role as one of key components of the Internet Of Things. However, the increase of number of sensors, the number of sensor types, and the number of applications will make very difficult for the management systems of WSNs. In this thesis, we propose a self organizing management platform designed to ensure sensor nodes and user applications are set up and running as intended. Our management platform, called DISON (DIstributed Self Organizing Network) uses a multilevel management schema to provide scalability for large sensor networks. We show how sensor nodes self adapt to the changes in network resources and application requirements and how network resources are coordinated efficiently among groups of adjacent sensor nodes. For flexibility, our platform are implemented and performed in an independent layer and interact with the user application and network protocols through public interfaces. This helps our platform to be easily integrated to an existing or a new application. A set of management data models and protocols are developed to validate the efficiency of the proposed platform in resolving challenging management problems in both single and shared sensor networks. Finally, in order to qualitatively evaluate our platform, we present two case studies, one with a single sensor network and another with a shared sensor network, where DISON was used to coordinate network resources and application requirements. The results from extensive experiments show that using DISON can bring a dramatic improvement to the scalability, the stability, the efficiency, the reliability and the flexibility of WSNs. / Gracias a los avances en la tecnología de sensores, redes, semiconductores y almacenamiento de energía, el uso de las redes de sensores inalámbricos (WSNs) ha augmentado notablemente en los últimos años con la aparación de multitud de nuevas aplicaciones que permiten a los usuarios acceder a la información sobre el mundo físico. Como resultado, las WSNs son uno de los componentes clave en la Internet of Things. Sin embargo, el aumento del número de sensores, la diversidad de sensores, y del número de aplicaciones hará muy difícil para los sistemas de gestión de redes inalámbricas de sensores. En esta tesis, se propone una plataforma de gestión auto-organizativa diseñada para asegurar que los nodos sensores y aplicaciones de usuario estén siempre configurados y funcionando según lo previsto. Nuestra plataforma de gestión, llamada DISON (DIstributed Self Organizing Network), utiliza un esquema de gestión de varios niveles para proporcionar escalabilidad en redes de sensores de gran tamaño. Mostramos cómo los nodos sensores se auto-adaptan a los cambios en los recursos de la red y en los requisitos de las aplicaciones y cómo los recursos de red se coordinan de manera eficiente entre grupos de nodos de sensores adyacentes. Para una mayor flexibilidad, nuestra plataforma se implementa y materializa en una capa independiente que interactúa con la aplicación de usuario y los protocolos de red a través de interfaces públicas. Esto ayuda a nuestra plataforma a integrarse fácilmente a una aplicación ya existente o a una nueva. Un conjunto de modelos de datos y protocolos de gestión se han desarrollado para validar la eficacia de la plataforma propuesta en la resolución de problemas de gestión de desafío en tanto las redes individuales y compartidas de los sensores. Por último, con el objetivo de evaluar nuestra plataforma, presentamos dos estudios de caso, uno con una red individual de sensores y otra con una red compartidas de sensores, donde se utilizó DISON para coordinar los recursos de red y aplicaciones de usuario. Los resultados de extensos experimentos muestran que el uso de DISON puede aportar una mejora dramática a la escalabilidad, la estabilidad, la eficiencia, la fiabilidad y la flexibilidad de WSN.

IEEE 802.11 based wireless networks, especially the infrastructure based Wireless Local Area Networks (WLANs) or Wi-Fi networks, are hugely successful, and have become an indispensable part of our life at homes and working places. However, the rapid growth of wireless devices, and a shift of users' habit from web browsing to a wide variety of bandwidth-hungry applications (e.g., high-definition video, social network and cloud uploading), have made today's WLANs not only crowded, but also low at throughput. The latest IEEE WLAN amendment-802.11ac responds to these challenges by introducing a set of novel physical (PHY) and medium access control (MAC) features, including downlink multi-user Multiple-Input and Multiple-Output (MU-MIMO), higher modulation and coding scheme, channel bonding, frame aggregation, etc. Among them, downlink MU-MIMO is one of the most important features due to its potential to significantly improve the performance. It allows the access point (AP) to transmit frames to multiple stations (STAs) in parallel, which can substantially increase the network throughput, as well as to mitigate high collision rates. On the other side, recent research advances on the full-duplex (FD) transmission open another line to improve the performance of wireless network in dense areas. FD transmissions in wireless networks break the long-hold assumption that nodes can not transmit and receive simultaneously using the same frequency. This exciting progress not only promises a twofold capacity increase by allowing concurrent transmission and reception, but could also bring revolutionary changes to the MAC design by shaking the foundation of IEEE 802.11 medium access mechanism-Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). As CSMA/CA can become obsolete, and be replaced by the on-the-fly collision detection thanks to the FD's capability of simultaneous transmission and reception. However, these two lines of PHY advances (i.e., MU-MIMO and FD) do not directly translate to the useful performance gains at the MAC layer (e.g., the throughput increase). In order to take full benefits of MU-MIMO and FD, adaptations of the current IEEE 802.11 MAC protocols are needed. In this thesis, we first investigate the prominent MAC proposals in the literature, and then propose the required MAC adaptations to support MU-MIMO downlink and uplink transmissions separately. After that, we combine the downlink and uplink adaptations into a unified MU-MIMO MAC protocol to look into what influence would bring to the uplink or the downlink when both up/down-link traffic are present. We extensively evaluate the performance of the proposed protocol in saturated and non-saturated conditions to emulate the highly-densed scenario and the lightly-increased traffic scenario. Next, we model and evaluate the new IEEE 802.11ac standard MAC operations, and compare them with our proposals in a wireless mesh backhaul network. Afterwards, we utilize full-duplex technique and propose a full-duplex MAC (FD+) scheme to improve the performance of a wireless system. We analytically model FD transmissions and investigate what gains can be achieved at the MAC layer. Finally, we conclude our work and look into the future directions. Results from simulations and analytic models show that the significant performance gain can be achieved by extending traditional IEEE 802.11 MAC schemes to support MU-MIMO and FD transmissions. / Les xarxes sense fils basades en l'estàndard IEEE 802.11, sobretot aquelles que funcionen en mode infraestructura, conegudes com a xarxes WLAN o Wi-Fi, han tingut molt d'èxit i s'han convertit en una part indispensable de la nostra vida tant a les llars com als llocs de treball. No obstant això, el ràpid creixement dels dispositius sense fils, i un canvi d'hàbits dels usuaris des de la navegació web cap a una àmplia varietat d'aplicacions que requereixen un gran ample de banda (per exemple, vídeo d'alta definició, les xarxes socials o la càrrega de continguts al núvol), han fet que les WLAN d'avui en dia tinguin un baix rendiment. La pròxima generació de WLANs, basades en el nou estàndard IEEE 802.11ac, respon a aquests reptes mitjançant la introducció d'una sèrie de novetats a nivell físic (PHY) i a nivell d'accés al medi (MAC), incloent l'enllaç de baixada Multi-user Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO), un nou esquema de modulació i codificació, canals amb major amplada de banda i l'agregació de trames. Entre ells, l'enllaç de baixada MU-MIMO és una de les novetats més importants per a millorar significativament el rendiment de les xarxes WLAN, ja que permet que el punt d'accés (AP) pugui transmetre trames a múltiples estacions (STA) en paral•lel, cosa que pot augmentar substancialment el rendiment de la xarxa, així com mitigar les altes taxes de col•lisió. D'altra banda, els avenços recents en investigació sobre la transmissió full-duplex (FD) obren una altra línia per millorar el rendiment de les xarxes WLAN amb molts usuaris. Transmissions full-duplex en xarxes sense fils trenquen la suposició que diu que els nodes no poden transmetre i rebre simultàniament usant la mateixa freqüència. Aquest emocionant avenç no només promet un augment de capacitat en permetre la transmissió i recepció simultània, sinó que també podria portar canvis revolucionaris en el disseny MAC sacsejant els fonaments del mecanisme Carrier Sense Multiple Access amb prevenció de col•lisions (CSMA/CA). Així, el CSMA/CA pot arribar a ser obsolet i ser reemplaçat per un sistema de detecció de col•lisions gràcies a la capacitat de transmissió i recepció simultània dels nodes que suportin full-duplex. No obstant això, aquestes dues línies d'avenços PHY (és a dir, MU-MIMO i FD) no es tradueixen directament en guanys de rendiment útils a la capa MAC (per exemple, l'augment de rendiment). Per tal de tenir beneficis per fer servir MU-MIMO i FD, es necessita adaptar els actuals protocols MAC. En aquesta tesi, primer examinem les propostes de protocols MAC existents a la literatura i, a continuació, mostrem els nostres esforços en la introducció de les adaptacions necessàries per donar suport MAC MU-MIMO a l'enllaç descendent i a l'enllaç ascendent per separat. Després d'això, combinem les adaptacions per a l'enllaç descendent i ascendent en un protocol MU-MIMO MAC unificat i avaluem el seu rendiment tant en condicions saturades com no saturades. A continuació, anem a modelar i avaluar el funcionament del nou IEEE 802.11ac MAC, i els comparem amb les nostres propostes en una xarxa mallada sense fils (xarxa back-haul). A continuació, es proposa un MAC que suporta full-duplex (FD+) per millorar les prestacions dels sistemes sense fils, on analíticament modelem transmissions FD i investiguem quins guanys es poden aconseguir a la capa MAC. Finalment, presentem les conclusions del nostre treball i plantegem les direccions futures en aquest camp de recerca.

This thesis focuses on the analysis and modeling of web sessions, groups of requests made by a single user for a single navigation purpose. Understanding how people browse through websites is important, helping us to improve interfaces and provide to better content. After first conducting a statistical analysis of web sessions, we go on to present algorithms to summarize and model web sessions. Finally, we describe applications that use novel browsing methods, in particular parallel browsing. We observe that people tend to browse images in a sequences and that those sequences can be considered as units of content in their own right. The session summarization algorithm presented in this thesis tackles a novel pattern mining problem, and this algorithm can also be applied to other fields, such as information propagation. From the statistical analysis and the models presented, we show that contextual information, such as the referrer domain and the time of day, plays a major role in the evolution of sessions. To understand browsing one should therefore take into account the context in which it takes place. / Esta tesis se centra en el análisis y modelaje de sesiones web, grupos de solicitudes realizadas por un único usuario para un sólo propósito de navegación. La comprensión de cómo la gente navega a través de los sitios web es importante para mejorar la interfaz y ofrecer un mejor contenido. En primer lugar, se realiza un análisis estadístico de las sesiones web. En segundo lugar, se presentan los algoritmos para identificar los patrones de navegación frecuentes y modelar las sesiones web. Finalmente, se describen varias aplicaciones que utilizan nuevas formas de navegación: la navegación paralela. A través del análisis de los registros de uso se observa que las personas tienden a navegar por las imágenes en modo secuencial y que esas secuencias pueden ser consideradas como unidades de contenido. % La generación de resumenes de sesiones presentada en esta tesis es un problema nuevo de extracción de patrones y se puede aplicar también a otros campos como el de la propagación de información. A partir del análisis y los modelos presentados entendemos que la información contextual, como el dominio previo de acceso o la hora del día, juega un papel importante en la evolución de las sesiones. Para entender la navegación no se debe, por tanto, olvidar el contexto en que esta se lleva a cabo.

This thesis explores in depth how to use the user browsing behavior, and in particular the referrer URL, in order to understand the interest of the users. The aim is, first, to understand the preferences of the users from their navigation patterns, i.e., from the implicit actions of the users. Then, to exploit this information to personalize the content offered by the service provider. The key findings from our studies allowed us to propose different solutions in terms of recommender systems and ranking approaches for media items. We show how the browsing behavior of the users captured by the browsing logs is extremely meaningful to understand new users and to estimate their preferences. / Esta tesis analiza de modo exhaustivo el comportamiento del usuario en la web y, en particular, su interacción con las URLs recomendadas, para así conocer sus intereses. El objetivo fundamental es, en primer lugar, entender las preferencias de usuario a partir de sus patrones de navegación por la web, estudiando sus acciones implícitas. En segundo lugar, se trata de aprovechar esta información para personalizar el contenido ofrecido por el proveedor de servicios. El resultado de estos estudios nos ha permitido proponer diferentes soluciones en términos de sistemas recomendadores y ranking de productos multimedia. De este modo, hemos podido demostrar cómo el comportamiento del usuario en la web, obtenido a partir de registros de navegación, es extremadamente útil para comprender a nuevos usuarios y poder así estimar sus preferencias.

The goal of this dissertation is to provide insights into how web and mobile phone call users assign value to their personal information. Two user studies are presented. The first one used a refined Experience Sampling Method to obtain the the monetary valuation of Personally Identifiable Information (PII) of web users. We observed how the value of different types of PII compare, and reflected upon how these values relate to users’ concerns about privacy and monetization of their PII. The second study focuses on annotation of mobile phone calls, a process that involves selecting the information that the user considers to be the most important from the call. We found the factors that mainly influence the need of the caller to take notes. We also observed how annotation needs and behaviors change over time. Finally, we evaluated different annotation techniques, including annotations made by context-independent observers. Our findings provide important insights for the development of automatic annotation tools, and also suggest the potential of crowdsourcing for finding noteworthy information from mobile phone calls. / El objetivo de esta tesis es entender cómo los usuarios de las web y de telefonía móvil asignan valor a su información personal. La tesis describe dos estudios. En el primero se utiliza un Método de Muestreo de Experiencias refinado para obtener la valoración económica de la Información Personal Identificable (PII) de usuarios web. Observamos los valores de diferentes tipos de PII de manera comparativa, y reflexionamos sobre la relación entre las preocupaciones de los usuarios sobre la privacidad y la monetización de su PII. El segundo estudio se enfoca en la anotación de llamadas telefónicas móviles, un proceso que involucra la selección de información que el usuario considera ser la más importante dentro de una llamada. Encontramos los factores que principalmente influencian la necesidad del llamante de tomar notas. También observamos cómo los comportamientos y necesidades de anotación cambian a través del tiempo. Finalmente, evaluamos diferentes técnicas de anotación, incluyendo anotaciones hechas por observadores independientes del contexto. Nuestros hallazgos incluyen ideas importantes para el desarrollo de herramientas automáticas de anotación, y además sugieren que existe potencial en el uso de crowdsourcing para encontrar información notable en llamadas telefónicas móviles.

The progressive appearance of affordable tabletop technology and devices urges humancomputer interaction researchers to provide the necessary methods to make this kind of devices the most useful to their users. Studies show that tabletops have distinctive characteristics that can be specially useful to solve some types of problems, but this potential is arguably not yet translated into real-world applications. We theorize that the important components that can transform those systems into useful tools are application frameworks that take into account the devices affordances, a third party application ecosystem, and multi-application systems supporting concurrent multitasking. In this dissertation we approach these key components: First, we explore the distinctive affordances of tabletops, with two cases: TurTan, a tangible programming language in the education context, and SongExplorer, a music collection browser for large databases. Next, in order to address the difficulty of building such applications in a way that they can exploit these affordances, we focus on software frameworks to support the tabletop application making process, with two different approaches: ofxTableGestures, targeting programmers, and MTCF, designed for music and sound artists. Finally, recognizing that making useful applications is just one part of the problem, we focus on a fundamental issue of multi-application tabletop systems: the difficulty to support multi-user concurrent multitasking with third-party applications. After analyzing the possible approaches, we present GestureAgents, a content-based distributed application-centric disambiguation mechanism and its implementation, which solves this problem in a generic fashion, being also useful to other shareable interfaces, including uncoupled ones. / L’aparició progressiva de tecnologia i dispositius tabletop barats urgeix a la comunitat de recerca en interacció persona-ordinador a proveir els mètodes necessaris per transformar aquests dispositius en eines realment útils pels usuaris. Diversos estudis indiquen que els tabletops tenen algunes característiques peculiars que poden ser especialment útils per solucionar algun tipus de problemes, però tanmateix sembla que el seu potencial encara no arriba a transformar-se en aplicacions reals. Creiem que els components importants per a transformar aquests sistemes en eines útils són frameworks d’aplicació que tinguin en compte les capacitats dels dispositius, un ecosistema d’aplicacions fetes per desenvolupadors independents, i sistemes multi-aplicació amb suport per multitasca concurrent. En aquesta tesi doctoral ens aproximem a aquests components clau: En primer lloc, explorem les capacitats dels tabletops, usant dos casos: TurTan, un llenguatge de programació tangible en el context educatiu, i SongExplorer, un navegador de col·leccions musicals per a grans bases de dades. A continuació, amb ànim d’abordar la complexitat a l’hora de crear aquest tipus d’aplicacions de tal manera que usin aquestes capacitats, ens centrem en els frameworks de programari per donar suport en el procés de creació d’aplicacions tabletop, amb dues aproximacions diferents: ofxTableGestures, dirigit a programadors, i MTCF, dissenyat per a artistes musicals i del so. Finalment, reconeixent que crear aplicacions útils és només part del problema, ens centrem en una questió fonamental dels sistemes multi-aplicació: la dificultat d’acceptar la interacció multitasca de forma concurrent i multi-usuari amb aplicacions externes. Després d’analitzar-ne les possibles aproximacions, presentem GestureAgents, un mecanisme de desambiguació (i la seva implementació corresponent) basat en el contingut, distribuït i centrat en les aplicacions, que soluciona aquest problema d’una forma genèrica, esdevenint útil també per altres interfícies compartibles, incloses les desacoblades.

Cerebral aneurysms are localized, pathological dilatations of cerebral arteries. Their rupture causes a subarachnoid hemorrhage and is associated with high rates of morbidity and mortality. Over the last decade, the emergence of computational modeling has greatly improved our understanding of how hemodynamic stresses are associated to the initiation, growth and rupture of aneurysms and how they are altered by endovascular treatment devices. Before hemodynamic simulations can become part of clinical decision-making, it is essential that we assess their reproducibility and accuracy. The aim of this thesis is to identify hemodynamic factors that can be reliably computed and that can be used to study aneurysm pathophysiology. We address the following questions: 1. Are hemodynamic simulations reproducible across imaging modalities commonly used in clinical practice? 2. Are hemodynamic simulations reproducible across different CFD solvers? 3. Can computationally inexpensive steady flow simulations be used to answer clinically relevant questions? 4. Which reliable hemodynamic factors are associated with aneurysm initiation? / Los aneurismas cerebrales son dilataciones patológicas y localizadas de las arterias cerebrales. Su ruptura causa una hemorragia subaracnoidea y está asociada a altas tasas de morbilidad y mortalidad. Durante la úultima década, la emergencia del modelado computacional ha mejorado nuestro entendimiento de como los estreses hemodinámicos están asociados a la iniciación, el crecimiento y la ruptura de los aneurismas, y, como son alterados por los tratamientos con dispositivos endovasculares. Antes de que las simulaciones hemodin\'amicas puedan hacerse parte de las decisiones cl\'inicas rutinarias, es esencial evaluar su reproducibilidad y exactitud. El objetivo de esta tesis era identificar factores hemodin\'amicos que puedan calcularse confiablemente y puedan usarse para estudiar la patofisiología de los aneurismas. Hemos abordado las siguientes preguntasa: 1. Son las simulaciones hemodinámicas reproducibles entre modalidades de imagen usadas comunmente en la pr\'actica clinica? 2. Son las simulaciones hemodinámicas reproducibles entre diferentes solvers computacionales? 3. Podemos usar simulaciones computacionalmente económicas de flujo estable para responder preguntas clinicamente relevantes? 4. Cuales factores hemodinámicos confiables están asociados con la iniciación de aneurismas?

Residential access networks provide always-on connectivity at a constant maximum speed and constant energy consumption. However, their usage is not constant. Users combine disconnection periods with light usage periods and heavy usage periods. The mismatch between the energy consumption and the traffic demand results in a waste of energy. Moreover these networks are unable to increase the energy devoted to a user to satisfy her peaks of demand. The low average utilization of access networks, which is reported to be below 10%, makes clear this waste of energy. Meanwhile, the figures of energy consumption reported by telecommunication companies are staggering. And the maximum connectivity speeds in many regions of the world remain insufficient to support bandwidth hungry applications. To reduce the energy wasted by access networks and increase the maximum speed obtained by individual users I propose to exploit the high density of wireless networks in urban environments. This density allows to i) group light traffic demanding users into a small subset of access lines powering off the unused ones and ii) add the capacity of several lines to increase the throughput obtained by high speed demanding users. The results in this dissertation show that i) the combination of the reduced number of active lines with simple switches at the Internet Service Provider (ISP) central office, can save 66% of the energy devoted to powering access networks and ii) high traffic demanding users can experience a 4× speedup. This thesis has steered great interest in major ISPs. Actually, Telefónica decided to commercialize the ideas here presented and is actively testing its commercialization with a market test in Spain. / El uso de Internet en entornos residenciales no es constante. Los usuarios combinan períodos de desconexión con otros de bajo uso y algunos de alta actividad. Aún así, las redes de acceso a Internet proporcionan una máxima velocidad constante con un consumo energético también constante. La diferencia entre el uso de las redes y su consumo resulta en un desperdicio energético. Además, las velocidades máximas obtenidas por los usuarios son insuficientes para satisfacer sus picos de demanda. La baja utilización media de las redes de acceso – inferior al 10%— pone en evidencia este desperdicio. Mientras tanto, las cifras de consumo energético de las principales operadoras de telecomunicaciones son impresionantes y la velocidad máxima de conexión en muchas regiones del mundo sigue siendo insuficiente para ofrecer servicios como la transmisión de video en alta definición. En esta disertación propongo aprovechar la alta densidad de redes inalámbricas existente en entornos urbanos para reducir el desperdicio de energía de las redes de acceso e incrementar la máxima velocidad de conexión a Internet. Esta densidad permite i) agrupar usuarios con un bajo consumo de Internet en un subgrupo de líneas de acceso y apagar las que queden sin usar, y ii) agrupar la capacidad de varias líneas de acceso para aumentar la velocidad de conexión de los usuarios que lo necesiten. Los resultados presentados en esta disertación muestran que i) combinando la reducción de líneas activas con simples conmutadores en las centrales de los operadores se puede reducir el consumo energético de las redes de acceso en un 66% y ii) los usuarios pueden experimentar un aumento de su velocidad de hasta 4 veces. Esta tesis doctoral ha despertado gran inter ́es en las principales operado- ras de Internet. De hecho, Telefónica ha decidido comercializar las ideas presentadas en esta disertación y está realizando pruebas comerciales en España.

La heterogeneidad de la conductividad hidráulica es bien conocida, pudiendo cambiar varios órdenes de magnitud en poca distancia. Esto afecta nuestras observaciones de los procesos naturales. Para poder explicar la realidad normalmente nos basamos en modelos simplificados. Pero para incorporar correctamente en ellos las propiedades de los acuíferos, se debe pasar de escala local a escala de soporte y a escala de la malla del modelo numérico. Este proceso se llama Upscaling y puede comportar cambiar los parámetros de la ecuación conocida a escala local, o bien la derivación de una nueva ecuación de Upscaling. El Upscaling dependede la complejidad de los procesos que se consideran. El objetivo de esta tesis es investigar estos cambios de escala a partir de diferentes procesos subterráneos, incrementando la complejidad: flujo radial, transporte conservativo y transporte reactivo. Se investiga el Upscaling de flujo por medio de la interpretación de un ensayo hidráulico en un medio heterogéneo. Los ensayos de recuperación se basan en la estimación de la transmisividad, T, a partir de la recuperación de los niveles una vez parado el bombeo. Este tipo de ensayo se puede realizar en pozos donde no es posible llevar a cabo un ensayo convencional a caudal constante. La interpretación del ensayo de recuperación se basa en el modelo simplificado de Jacob. Pero, a menudo los datos de campo no se pueden interpretar usando la teoría basada en la homogeneidad. Se muestra que la heterogeneidad de T puede explicar estas observaciones de campo. También se muestra que el valor local de T alrededor del pozo puede ser deducido de los primeros tiempos de la recuperación del bombeo, asumiendo condiciones ideales, mientras que los datos de los últimos tiempos de la recuperación corresponden a valores representativos a escala regional. Se considera el Upscaling en transporte conservativo a partir de la interpretación de las colas de curvas de llegada (BTC) de un ensayo de trazadores. La cola se atribuye a la heterogeneidad del acuífero, y no puede ser modelada por medio de la ecuación de advección-dispersión (ADE) en medio homogéneo. Para reproducir las colas observadas se han aplicado ampliamente los modelos de transferencia de masa utilizando memoria (e.g, CTRW, MRMT o fADE). La relación entre los parámetros de memoria obtenidos del ajuste de las BTC y los parámetros que caracterizan la heterogeneidad de las propiedades hidráulicas aun esta por aclarar. En esta tesis se investiga bajo qué condiciones la heterogeneidad produce el tipo de colas observadas en campo, y como las funciones de memoria están influenciadas por parámetros de la heterogeneidad que se pueden medir (e.g, varianza de los campos de transmisividad). Se ha observado que la pendiente de una BTC en un log-log plot está mayoritariamente influenciada por la conectividad del campo de permeabilidades, pero es insensible a su varianza. La pendiente del BTC llega asindóticamente a un valor de 2 cuando aumenta la conectividad. El modelo expuesto anteriormente se extiende al transporte reactivo multi-componente controlado por la mezcla. A escala de campo, las ecuaciones de transporte reactivo basadas en la ADE sobrestiman las reacciones. El objetivo es ensayar si un modelo MRMT derivado de las observaciones de transporte reactivo, puede ser utilizado para describir el transporte reactivo en medio heterogéneo. La solución numérica del MRMT de transporte conservativo se extiende al caso reactivo. Las tasas de reacción se comparan, entre un modelo heterogéneo y su correspondiente modelo MRMT. Se ha encontrado un excelente acuerdo entre los dos modelos en términos de masa precipitada acumulada y el acuerdo es también muy bueno en relación a la distribución espacial del mineral precipitado. Estos resultados indican que los modelos de transferencia de masa son una herramienta excelente para el Upscaling del transporte reactivo controlado por la mezcla. / Heterogeneity of hydraulic conductivity is known to vary orders of magnitudes within small distances. This affects our observations of natural processes. To explain reality we usually rely on simplified models. But to apply them properly information of aquifer properties has to be transferred from local scale where the process can be described directly to the support scale of the measurement and to the grid scale of a numerical model. This procedure is termed upscaling and might involve changing the parameters of the known local scale equation or derivation of a new upscaled equation. Upscaling depends strongly on the complexity of the process under consideration. The objective of this thesis is to investigate these changes of scales for different subsurface processes with increasing complexity: radial flow, conservative transport and reactive transport.First, flow upscaling is investigated for the example of the interpretation of a hydraulic test in a heterogeneous aquifer. Recovery tests are based on estimating transmissivity, T, from the heads that rebound after pumping has stopped. Recovery tests can be performed in wells where conventional constant-rate pumping tests would not be possible. Test interpretation is based on the simple Jacob’s method, related to late time drawdown in an infinite homogeneous aquifer. Yet, field data often cannot be explained by the homogeneous theory. Numerical simulations are performed to show that heterogeneity in T can explain these field observations. It is also shown that the local T value around the well can be inferred from early time recovery data, assuming ideal conditions, whereas late time data yield a large scale (regional) representative value. Even when recovery is observed for a short time, indirect information about the regional value can also be obtained.Second, conservative transport upscaling is considered by interpreting the tailing of breakthrough curves of tracer tests. Tailing is attributed to heterogeneity of aquifer properties and cannot be properly modelled by means of the homogeneous advection-dispersion equation (ADE). Mass-transfer models (e.g., CTRW, MRMT or fADE) using memory have been widely applied for reproducing observed tails. The relationship between memory parameters obtained from BTC fitting and the parameters characterizing the heterogeneity of hydraulic properties is still unclear. Here, the conditions are investigated under which heterogeneity produces the type of tailing observed in the field and how memory functions are influenced by measurable heterogeneity parameters (e.g., variance of the underlying transmissivity field). The slope of a BTC in a log-log plot is found to be mainly influenced by the connectivity of the underlying permeability field, but insensitive to its variance. The slope BTC reaches asymptotically 2 as connectivity increases.And finally, the above model is extended to mixing controlled multi-component reactive transport. At the field scale, reactive transport equations based on the ADE are known tooverestimate reactions. The objective is to test whether a model based on effective dynamics, such as e.g. the Multi-Rate Mass Transfer Method (MRMT), derived from conservative transport observations, can be used to describe effective reactive transport in heterogeneous media. The numerical solution of conservative transport MRMT is extended to the reactive case. The reaction rates are then compared for a binary system computed with the heterogeneous transport model to those corresponding to the reactive MRMT. An excellent agreement is found between the two models in terms of cumulative precipitated mass, and depending on the local heterogeneous structure the match is also very good regarding the spatial distribution of precipitated mineral. These results indicate that mass transfer models are an excellent tool for upscaling of mixing controlled reactive transport.

Due to the complexity of the natural world, scientific studies on cognitive, behavioral and physiological phenomena are typically conducted under strict laboratory conditions. Nonetheless, recent technological improvements in virtual reality systems and wearable devices are leading to a gradual shift in research towards life-like experimental settings. We present a number of studies focused on the expression and induction of affect in humans that combine quantitative and qualitative data collected through self-reported, behavioral and psychophysiological measures in the eXperience Induction Machine, an immersive space specifically designed to conduct ecologically-valid experiments using virtual and mixed reality. We show that it is possible to empirically investigate emotion in life-like contexts that go beyond standard laboratory setups, while, at the same time, maintaining a high degree of control over the variables measured. Grounded in our results, we introduce BrainX3, an immersive empathic adaptive system for the exploration of complex data from neuroscience. The novelty of our application consists in the coupling of human implicit states with the computational power of machines to explore large datasets and boost the discovery process. Using BrainX3, we demonstrate that human conscious and unconscious intrinsic abilities play a key role in the architectural design of new generation interfaces to tackle scientific challenges such as the “data deluge". / Degut a la complexitat del món natural, els estudis científics en fenòmens cognitius, fisiològics i de comportament se solen conduir sota estrictes condicions de laboratori. No obstant això, recents millores tecnològiques en sistemes de realitat virtual i dispositius portables condueixen a un canvi gradual en la recerca cap a escenaris d'experimentació més realistes. Presentem varis estudis enfocats en l'expressió i la inducció d'afecte en humans que combinen dades quantitatives i qualitatives extretes a través de mesures fisiològiques, d'autoavaluació i de comportament en l'eXperience Induction Machine (Màquina d'Inducció d'Experiència), un espai immersiu dissenyat específicament per a conduir experiments validats ecològicament fent servir realitat virtual i mixta. Mostrem que és possible investigar emocions empíricament en contextos realistes que van més enllà de les disposicions estàndard de laboratori, mentre, a la vegada, mantenen un alt grau de control sobre les variables mesurades. Basat en els nostres resultats, introduïm el BrainX3, un sistema adaptatiu, empàtic i immersiu per a l'exploració de dades neurocientífiques complexes. La novetat de la nostra aplicació consisteix en la connexió entre estats implícits de l'ésser humà i el poder computacional de les màquines per a explorar grans bases de dades i potenciar el procés de descobriment. Fent servir BrainX3, demostrem que les habilitats intrínseques conscients i inconscients de l'humà juguen un paper primordial en el disseny de l'arquitectura d'interfícies de nova generació per a abordar reptes científics com el devessall de dades.