DGICYT (PB92-0343)

[pt] Jogos educacionais vêm sendo propostos no ensino de ciências da computação, e também no ensino de a engenharia de software. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem de modelagem intencional apoiada em conceitos de transparência para a implementação do jogo educacional SimulES. SimulES é um jogo para apoiar o ensino de engenharia de software. A abordagem é inovadora neste contexto. Acreditamos que a modelagem intencional é pertinente para modelar jogos, já que ela permite representar a interação e colaboração entre os atores, além de apoiar conceitos de transparência. Essa modelagem foi usada no desenvolvimento do software SimulES-W que implementa o jogo num ambiente Web. / [en] Educational games have been proposed for teaching computer science, and software engineering as well. This work presents an approach for intentional modeling supported by concepts of transparency towards the implementation of the educational game SimulES. SimulES is a game for helping software engineering teaching. The approach is innovative in that context. We believe that intentional modeling is akin to game modeling, since it allows us to represent the interaction and collaboration among the actors as well concepts of transparency. The intentional model we produced was used to develop the software that implements SimulES-W, a Web based version of the game.

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Esta tesis caracteriza experimentalmente el comportamiento del canal MIMO en diferentes escenarios y evalúa la dependencia del rendimiento del canal con la tipología del escenario y diferentes condiciones de propagación. Para facilitar el desarrollo de futuros sistemas con múltiples antenas en estos escenarios, se presentan modelos sencillos y eficientes de canales SISO y MIMO.Se ha realizado el análisis de canales MIMO 2x2 a partir de diversas campañas de medidas realizadas en distintos escenarios interiores, exteriores y mixtos. Se han estudiado dos aspectos fundamentales: la correlación espacial y la capacidad del canal. El estudio se completa con el desarrollo de un método de modelado basado en líneas de retardo. Mediante este método se obtienen modelos sencillos y eficientes de canales SISO y MIMO de los escenarios interiores y mixtos medidos. Así se contribuye al desarrollo de nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricos en escenarios mixtos y a facilitar la simulación de sistemas MIMO gracias a los nuevos modelos propuestos. / This thesis characterizes in an experimental way the MIMO channel behavior in different scenarios, including the evaluation of the channel performance dependency with the type of scenario and different propagation conditions. In order to facilitate the development of future systems with multiple antennas in these scenarios, simple and efficient SISO and MIMO channel models are presented.The analysis of the 22 MIMO channel has been based on several measurement campaigns carried out in different outdoor, indoor and mixed environments. Two fundamental aspects are studied: the spatial correlation and the channel capacity. The analysis is completed with the development of a method to model the radio channel based on tapped delay lines. Using this method, simple and efficient SISO and MIMO channel models of indoor, outdoor and mixed scenarios have been obtained. In this way this work contributes to the development of new wireless communication systems and to facilitate the simulation of MIMO systems by means of the new proposed models.

Dentro de los sistemas de comunicación han adquirido gran importancia las aplicaciones en alta frecuencia, lo que conlleva un gran desarrollo en este tipo de tecnologías; aplicaciones bajo ruido, potencia monolítico, etc. Este tipo de tecnologías precisan un conocimiento no lineal de los circuitos. Por ello el presente trabajo se ha orientado hacia la resolución de tres problemas no lineales fundamentales que son: modelización física, análisis no lineal de sistemas activos autónomos trabajando en microondas y el desarrollo de una formulación matemática compacta dirigida hacia la optimización gran señal de sistemas activos a transistor Mesfet. El trabajo se completa con una verificación experimental de los comportamientos simulados teóricamente lo que confiere a los métodos matemáticos un amplio rango de validez

La supervisión de programas tiene como objetivo la automatización de las distintas actividades implicadas en la utilización especializada de una librería de programas. Para llevar a cabo esta tarea, los sistemas de supervisión de programas necesitan una gran cantidad de conocimiento sobre la utilización de los programas, incluyendo las situaciones en que pueden ser aplicados, las combinaciones de programas habitualmente utilizadas, etc. Los sistemas de supervisión de programas incorporan esta experiencia en una arquitectura basada en el conocimiento. Sus características distintivas son la variedad de conocimiento que emplean y su representación, la cual normalmente incluye objetos estructurados y reglas de producción. A pesar de su importancia creciente, poca investigación se ha dedicado a la verificación y validación de sistemas con las características anteriores. En esta tesis acometemos la verificación y validación de sistemas de supervisión de programas a partir de un modelado del conocimiento, explotando la información sobre el conocimiento que requieren, su organización y la manera precisa en que utilizan este conocimiento durante el razonamiento. Esta información nos permite identificar las propiedades que las bases de conocimiento deben verificar para servir adecuadamente a la supervisión de programas, propiedades mas allá de la consistencia y completitud de su implementación. En esta tesis presentamos las herramientas de verificación de bases de conocimiento desarrolladas de acuerdo con este enfoque, así como algunos experimentos en la aplicación de técnicas de verificación de programas a motores de supervisión de programas con el fin de identificar las propiedades que nos interesan.

Existen numerosos trabajos que estudian o tratan la realización software de los protocolos de comunicaciones para el acceso a la Internet-TCP/IP. Sin embargo, no conocemos ninguno que modele de forma general y precisa la ejecución de este software.La presente tesis aporta una caracterización detallada de la ejecución de la realización software de los mencionados protocolos sobre un computador personal y bajo un sistema operativo UNIX. Esta caracterización muestra cómo varía el rendimiento del sistema en función de la velocidad de operación de la CPU, las características del subsistema de memoria, el tamaño de los paquetes y otras variables de importancia para la remisión, autenticación y cifrado de paquetes IP.En otros trabajos se proponen adecuaciones o extensiones a la realización software de los mencionados protocolos que permiten que un software router provea de comunicaciones con diversos niveles asegurados de calidad mediante el uso de mecanismos de planificación para la unidad central de procesamiento. Sin embargo, en dichos trabajos no se contempla la planificación del uso del bus de entrada/salida. Los resultados derivados de nuestro modelo demuestran que, para sistemas que usan CPUs con frecuencias de reloj superiores a 1 GHz, la planificación conjunta de la CPU y el bus de entrada salida es indispensable para la provisión de comunicaciones con diversos niveles asegurados de calidad. Dichas frecuencias de reloj son comunes en los sistemas comerciales actuales, por lo que consideramos que es un problema de gran interés. En la tesis proponemos un mecanismo que consigue garantías de utilización del bus de entrada/salida mediante la modificación de los drivers de los interfaces de red. / Three are the main contributions of this work. In no particular order:" A detailed performance study of the software implementation of the TCP/IP protocols suite, when executed as part of the kernel of a BSD operating system over generic PC hardware." A validated queuing network model of the studied system, solved by computer simulation." An I/O bus utilization guard mechanism for improving the performance of software routers supporting QoS mechanisms and built upon PC hardware and software.This document presents our experiences building a performance model of a PC-based software router. The resulting model is an open multiclass priority network of queues that we solved by simulation. While the model is not particularly novel from the system modeling point of view, in our opinion, it is an interesting result to show that such a model can estimate, with high accuracy, not just average performance-numbers but the complete probability distribution function of packet latency, allowing performance analysis at several levels of detail. The validity and accuracy of the multiclass model has been established by contrasting its packet latency predictions in both, time and probability spaces. Moreover, we introduced into the validation analysis the predictions of a router's single queue model. We did this for quantitatively assessing the advantages of the more complex multiclass model with respect to the simpler and widely used but not so accurate, as here shown, single queue model, under the considered scenario that the router's CPU is the system bottleneck and not the communications links. The single queue model was also solved by simulation.Besides, this document addresses the problem of resource sharing in PC-based software routers supporting QoS mechanisms. Others have put forward solutions that are focused on suitably distributing the workload of the CPU-see this chapter's section on "related work". However, the increase in CPU speed in relation to that of the I/O bus-as here shown-means attention must be paid to the effect the limitations imposed by this bus on the system's overall performance. We propose a mechanism that jointly controls both I/O bus and CPU operation. This mechanism involves changes to the operating system kernel code and assumes the existence of certain network interface card's functions, although it does not require changes to the PC hardware. A performance study is shown that provides insight into the problem and helps to evaluate both the effectiveness of our approach, and several software router design trade-offs.

La estimación del esfuerzo respiratorio durante el sueño es de una importancia crítica para la identificación correcta de eventos respiratorios en los trastornos respiratorios del sueño (TRS), el diagnóstico correcto de las patologías relacionadas con los TRS y las decisiones sobre la terapia correspondiente. Hoy en día el esfuerzo respiratorio suele ser estimado mediante la polisomnografía (PSG) nocturna con técnicas imprecisas y mediante la evaluación manual por expertos humanos, lo cual es un proceso laborioso que conlleva limitaciones significativas y errores en la clasificación. El objetivo principal de esta tesis es la presentación de nuevos métodos para la estimación automático, invasiva y no-invasiva del esfuerzo respiratorio y cambios en la obstrucción de las vías aéreas superiores (VAS). En especial, la aplicación de estos métodos debería permitir, entre otras cosas, la diferenciación automática invasiva y no-invasiva de eventos centrales y obstructivos durante el sueño. Con este propósito se diseñó y se obtuvo una base de datos de PSG nocturna completamente nueva de 28 pacientes con medición sistemática de presión esofágica (Pes). La Pes está actualmente considerada como el gold-standard para la estimación del esfuerzo respiratorio y la identificación de eventos respiratorios en los TRS. Es sin embargo una técnica invasiva y altamente compleja, lo cual limita su uso en la rutina clínica. Esto refuerza el valor de nuestra base de datos y la dificultad que ha implicado su adquisición. Todos los métodos de procesado propuestos y desarrollados en esta tesis están consecuentemente validados con la señal gold-standard de Pes para asegurar su validez.En un primer paso, se presenta un sistema automático invasivo para la clasificación de limitaciones de flujo inspiratorio (LFI) en los ciclos inspiratorios. La LFI se ha definido como una falta de aumento en flujo respiratorio a pesar de un incremento en el esfuerzo respiratorio, lo cual suele resultar en un patrón de flujo respiratorio característico (flattening). Un total de 38,782 ciclos respiratorios fueron automáticamente extraídos y analizados. Se propone un modelo exponencial que reproduzca la relación entre Pes y flujo respiratorio de una inspiración y permita la estimación objetiva de cambios en la obstrucción de las VAS. La capacidad de caracterización del modelo se estima mediante tres parámetros de evaluación: el error medio cuadrado en la estimación de la resistencia en la presión pico, el coeficiente de determinación y la estimación de episodios de LFI. Los resultados del modelo son comparados a los de los dos mejores modelos en la literatura. Los resultados finales indican que el modelo exponencial caracteriza la LFI y estima los niveles de obstrucción de las VAS con la mayor exactitud y objetividad. Las anotaciones gold-standard de LFI obtenidas, fueron utilizadas para entrenar, testear y validar un nuevo clasificador automático y no-invasivo de LFI basa en la señal de flujo respiratorio nasal. Se utilizaron las técnicas de Discriminant Analysis, Support Vector Machines y Adaboost para la clasificación no-invasiva de inspiraciones con las características extraídas de los dominios temporales y espectrales de los patrones de flujo inspiratorios. Este nuevo clasificador automático no-invasivo también identificó exitosamente los episodios de LFI, alcanzando una sensibilidad de 0.87 y una especificidad de 0.85. La diferenciación entre eventos respiratorios centrales y obstructivos es una de las acciones más recurrentes en el diagnostico de los TRS. Sin embargo únicamente la medición de Pes permite la diferenciación gold-standard de este tipo de eventos. Recientemente se han propuesto nuevas técnicas para la diferenciación no-invasiva de apneas e hipopneas. Sin embargo su adopción ha sido lenta debido a su limitada validación clínica, ya que la creación manual por expertos humanos de sets gold-standard de validación representa un trabajo laborioso. En esta tesis se propone un nuevo sistema para la diferenciación gold-standard automática y objetiva entre hipopneas obstructivas y centrales. Expertos humanos clasificaron manualmente un total de 769 hypopneas en 28 pacientes para crear un set de validación gold-standard. Como siguiente paso se extrajeron características específicas de cada hipopnea para entrenar y testear clasificadores (Discriminant Analysis, Support Vector Machines y adaboost) para diferenciar entre hipopneas centrales y obstructivas mediante la señal gold-standard Pes. El sistema de diferenciación automática alcanzó resultados prometedores, obteniendo una sensibilidad, una especificad y una exactitud de 0.90. Por lo tanto este sistema parece prometedor para la diferenciación automática, gold-standard de hipopneas centrales y obstructivas. Finalmente se propone un sistema no-invasivo para la diferenciación automática de hipopneas centrales y obstructivas. Se propone utilizar la señal de flujo respiratorio para la diferenciación utilizando características de los ciclos inspiratorios de cada hipopnea, entre ellos los patrones flattening. Este sistema automático no-invasivo es una combinación de los sistemas anteriormente presentados y se valida mediante las anotaciones gold-standard obtenidas mediante la señal de Pes por expertos humanos. Los resultados de este sistema son comparados a los resultados obtenidos por expertos humanos que utilizaron un nuevo algoritmo no-invasivo para la diferenciación manual de hipopneas. Los resultados del sistema automático no-invasivo son prometedores y muestran la viabilidad de la metodología empleada. Una vez haya sido validado extensivamente, se ha propuesto este algoritmo para su utilización en dispositivos de terapia de TRS desarrollados por uno de los socios cooperantes en este proyecto. / The assessment of respiratory effort during sleep is of major importance for the correct identification of respiratory events in sleep-disordered breathing (SDB), the correct diagnosis of SDB-related pathologies and the consequent choice of treatment. Currently, respiratory effort is usually assessed in night polysomnography (NPSG) with imprecise techniques and manually evaluated by human experts, resulting in a laborious task with significant limitations and missclassifications.The main objective of this thesis is to present new methods for the automatic, invasive and non-invasive assessment of respiratory effort and changes in upper airway (UA) obstruction. Specifically, the application of these methods should, in between others, allow the automatic invasive and non-invasive differentiation of obstructive and central respiratory events during sleep.For this purpose, a completely new NPSG database consisting of 28 patients with systematic esophageal pressure (Pes) measurement was acquired. Pes is currently considered the gold-standard to assess respiratory effort and identify respiratory events in SDB. However, the invasiveness and complexity of Pes measurement prevents its use in clinical routine, underlining the importance of this new database. . . All the processing methods developed in this thesis will consequently be validated with the gold-standard Pes-signal in order to ensure their clinical validity.In a first step, an (invasive) automatic system for the classification of inspiratory flow limitation (IFL) in the inspiratory cycles is presented.IFL has been defined as a lack of increase in airflow despite increasing respiratory effort, which normally results in a characteristic inspiratory airflow pattern (flattening). A total of 38,782 breaths were extracted and automatically analyzed. An exponential model is proposed to reproduce the relationship between Pes and airflow of an inspiration and achieve an objective assessment of changes in upper airway obstruction. The characterization performance of the model is appraised with three evaluation parameters: mean-squared-error when estimating resistance at peakpressure,coefficient of determination and assessment of IFL episodes. The model's results are compared to the two best-performing models in the literature. The results indicated that the exponential model characterizes IFL and assesses levels of upper airway obstruction with the highest accuracy and objectivity.The obtained gold-standard IFL annotations were then employed to train, test and validate a new automatic, non-invasive IFL classification system by means of the nasal airflow signal. Discriminant Analysis, Support Vector Machines and Adaboost algorithms were employed to objectively classify breaths non-invasively with features extracted from the time and frequency domains of the breaths' flow patterns. The new non-invasive automatic classification system also succeeded identifying IFL episodes, achieving a sensitivity of 0.87 and a specificity of 0.85.The differentiation between obstructive and central respiratory events is one of the most recurrent tasks in the diagnosis of sleep disordered breathing, but only Pes measurement allows the gold-standard differentiation of these events. Recently new techniques have been proposed to allow the non-invasive differentiation of hypopneas. However, their adoption has been slow due to their limited clinical validation, as the creation of manual, gold-standard validation sets by human experts is a cumbersome procedure. In this study, a new system is proposed for an objective automatic, gold-standard differentiation between obstructive and central hypopneas with the esophageal pressure signal. An overall of 769 hypopneas of 28 patients were manually scored by human experts to create a gold-standard validation set. Then, features were extracted from each hypopnea to train and test classifiers (Discriminant Analysis, Support Vector Machines and adaboost classifiers) to differentiate between central and obstructive hypopneas with the gold-standard esophageal pressure signal. The automatic differentiation system achieved promising results, with a sensitivity of 0.82, a specificity of 0.87 and an accuracy of 0.85. Hence, this system seems promising for an automatic, goldstandard differentiation between obstructive and central hypopneas.Finally, a non-invasive system is proposed for the automatic differentiation of central and obstructive hypopneas. Only the airflow signal is used for the differentiation, as features of the inspiratory cycles of the hypopnea, such as the flattening patterns, is used. The automatic, non-invasive system represents a combination of the systems that have been presented before and it was validated with the gold-standard scorings obtained with the Pes-signal by human experts. The outcome is compared to the results obtained by human scorers that applied a new non-invasive algorithm for the manual differentiation of hypopneas. The non-invasive system's results are promising and show the viability of this technique. Once validated, this algorithm has been proposed to be used in therapy devices developed by one of the partner institutions cooperating in this project.

En esta tesis se hacen contribuciones a la simulación interactiva de motores de reluctancia autoconmutados desde la perspectiva de la ingeniería concurrente.En primer lugar, después de una breve introducción histórica, se sitúa el motor de reluctancia autoconmutado (SRM) en el marco de los accionamientos eléctricos y se introducen los principios básicos de la ingeniería concurrente utilizando el prototipado rápido de accionamientos eléctricos.En segundo lugar se presenta la constitución del accionamiento con SRM y sus principios de funcionamiento. Se especifican los antecedentes en el modelado de los SRM y se presenta un tratamiento original de las curvas de magnetización.Seguidamente se trata la simulación de los accionamientos eléctricos desde la perspectiva de la ingeniería concurrente. Tras estudiar la evolución de la simulación (analógica, numérica, analógica digital, multidisciplinar, física, etc.), se muestran los procedimientos de la ingeniería concurrente que parten del modelado del accionamiento con SRM usando las técnicas SIL (Software In the Loop) que permiten escoger y ajustar los controles más adecuados usando un prototipo virtual del accionamiento y que integra los procedimientos utilizados en las técnicas HIL (hardware in the loop), concretándose todo ello en una plataforma digital para el desarrollo de los accionamientos con SRM.A continuación se procede, después de hacer una descripción general del accionamiento programado, a detallar los programas utilizados en la simulación interactiva de los diferentes componentes (convertidor estático, detectores de posición, sensores de corriente, cargas, etc) del accionamiento completo con SRM, considerando diferentes estrategias de control (pulso único, control de corriente mediante histéresis y PWM) y condiciones de funcionamiento (régimen permanente, transitorios y faltas).Posteriormente, se diseña una plataforma para el desarrollo de accionamientos con SRM en tiempo real mediante un entorno de prototipado rápido. Esta plataforma es flexible modular y robusta permitiendo; configurar distintas topologías del convertidor, implementar distintas estrategias de control en tiempo real tanto para el convertidor como para el accionamiento, evitando los problemas habituales de prueba y ajuste, que tanto tiempo hacen perder en el diseño convencional de accionamientos, para centrar la atención y los esfuerzos en los conceptos y aspectos clave de los accionamientos con SRM.Una vez construida la plataforma de desarrollo, esta se utiliza para contrastar y validar los resultados obtenidos mediante la simulación SIL, constatándose además la capacidad de la plataforma para el desarrollo de accionamientos de SRM, así como sus ventajas para la enseñanza e investigación en este tipo de accionamientos. Finalmente, se enumeran las aportaciones realizadas, se presentan las conclusiones finales y se describen futuras líneas de investigación. / In this thesis, contributions are made to the interactive simulation of switched reluctance motors (SRMs) from the perspective of concurrent engineering.Firstly, after a brief introduction to the history of switched reluctance motors (SRMs), they are placed in the context of electric drives. The basic principles of concurrent engineering are then described by means of the rapid prototyping of electric drives.Secondly, the design of drives using SRMs and the principles behind their operation are presented. An overview of SRM modeling is given and an original treatment of magnetization curves is presented.Subsequently, the simulation of electric drives from the perspective of concurrent engineering is carried out. After a study of how simulation (analogical, numerical, analogical-digital, multidisciplinary and physical) has evolved, the procedures of concurrent engineering are demonstrated. The procedures start out by modeling drives with SRMs using SIL (software-in-the-loop) techniques. This makes it possible to choose and to fit the most suitable controls by using a virtual prototype of the drive and integrating the procedures used in HIL (hardware-in-the-loop) techniques. The final outcome is a digital platform for the development of drives using SRMs.After a general description of the drive, the programs used in the interactive simulation of the components (static converters, position detectors, current sensors, loads, etc.) of the complete drive with an SRM are described. Various strategies ranging from control (single pulse, control of current by means of hysteresis and PWM) to conditions of operation (permanent, transitory and faulty schemes) are also considered.A platform for the development of drives using SRMs in real time by means of rapid prototyping is designed. This platform is flexible, modular and robust, which makes it possible to configure different topologies for the converter and to implement different control strategies in real time for the converter and the drive. This avoids the habitual problems of testing and adjusting, which take up a great deal of time in conventional drive design, thus making it possible to focus on the drive's conceptual features.Once the development platform has been built, it is used to validate the results obtained by means of SIL simulation. The platform's capacity to contribute to the development of SRM drives and its advantages for teaching and research in this particular field are demonstrated.Finally, all the original contributions are put forward, the conclusions are presented and future lines of research are described.