This thesis focuses on the development of a distributed mobile robot localization and communication system for special interventions like those carried out by fire-fighters in fire ground search and rescue. The use case scenario is related to the one described for the GUARDIANS EU project, where a swarm formation of mobile robots accompany a fire fighter during a rescue intervention in a warehouse. In this line, localizing the robots and the fire fighter during an indoor intervention with the presence of smoke is one of the more interesting challenges in this scenario. Several localization techniques have been developed using ultrasonic sensors, radio frequency signals and visual information. It has also been studied several communication protocols that can help to improve the efficiency of the system in such scenario and a proposal for designing a cross-layer communication platform that improves the connectivity of the mobile nodes during an intervention and reduces the number of lost data packets.

A fundamental property of living cells is the ability to sense and respond appropriately to changing environmental conditions. In budding yeast (Sacharomyces cerevisiae), changes in extracellular osmotic conditions are sensed by the HOG SAPK pathway, which orchestrates the cell adaptation program required to maximize cell survival upon stress. Although most of the HOG pathway components have been described, little was known about the dynamics of the response. The aim of this thesis was to analyze the dynamic behavior of the HOG pathway. By using a chemical inhibitor and extensive signal quantification we showed that the HOG pathway is controlled by high basal signaling counteracted by a negative feedback regulatory system. This property determines dynamic signaling in terms of faster response times and higher sensitivity to small variations in extracellular stimuli. This thesis also aimed to implement novel strategies for biological computation that allow increasing complexity of circuits. By engineering signaling pathways in yeast, we have shown that distribution of computation tasks among several wired cells reduces wiring constraints and allows scalability of circuit complexity. Moreover, reusability of cells permits implementation of multiple circuits. Overall, our results define novel dynamic properties of the HOG pathway and have been important to achieve a better view of signal transduction process though MAPK pathways. Moreover, we have developed and implemented novel strategies for biological computation that solved fundamental constrains in the field of synthetic biology. / Una propietat cel•lular fonamental és l’habilitat de detectar estímuls i respondre coherentment a un ambient dinàmic. En cèl•lules de llevat (Saccharomyces cerevisiae), els canvis en l’osmolaritat externa són detectats per la via de senyalització de HOG que organitza tot el programa d’adaptació cel•lular, indispensable per assegurar la supervivència cel•lular en estrès osmòtic. Tot i que la gran majoria dels components de la via de HOG han estat identificats, la dinàmica del procés de senyalització és encara força desconeguda. L’objectiu d’aquest projecte de tesis ha estat analitzar el comportament dinàmic de la via de HOG. Gràcies a la utilització d’un al•lel inhibible de la MAPK Hog1 i a la quantificació sistemàtica del procés de senyalització, hem pogut demostrar que en la via de HOG existeix una intensa senyal basal reprimida constantment per un feedback negatiu depenent de la MAPK Hog1. Aquesta tesi també té com a objectiu la implementació de noves estratègies de computació biològica que permetin un increment de la complexitat dels circuits. Gràcies a la bioenginyeria de les vies de senyalització de llevat, hem demostrat que la distribució de la computació en diferents cèl•lules connectades entre elles disminueix les limitacions de connexió i permet incrementar la complexitat dels circuits a un baix cost. En conjunt, els nostres resultats defineixen noves propietats dinàmiques de la via de HOG i han estat importants per tenir una visió global millorada del procés de senyalització per vies de MAPK. A més, hem dissenyat i implementat noves estratègies de computació biològica que han resolt problemes fonamentals del camp de la biologia sintètica.

Human-computer interaction is an important area that searches for better and more comfortable systems to promote communication between humans and machines. Vision-based interfaces can offer a more natural and appealing way of communication. Moreover, it can help in the e-accessibility component of the e-inclusion. The aim is to develop a usable system, that is, the end-user must consider the use of this device effective, efficient and satisfactory. The research's main contribution is SINA, a hands-free interface based on computer vision techniques for motion impaired users. This interface does not require the user to use his upper body limbs, as only nose motion is considered. Besides the technical aspect, user's satisfaction when using an interface is a critical issue. The approach that we have adopted is to integrate usability evaluation at relevant points of the software development.

The automatic extraction of knowledge from the world by a robotic system as human beings interpret their environment through their senses is still an unsolved task in Artificial Intelligence. A robotic agent is in contact with the world through its sensors and other electronic components which obtain and process mainly numerical information. Sonar, infrared and laser sensors obtain distance information. Webcams obtain digital images that are represented internally as matrices of red, blue and green (RGB) colour coordinate values. All this numerical values obtained from the environment need a later interpretation in order to provide the knowledge required by the robotic agent in order to carry out a task. Similarly, light wavelengths with specific amplitude are captured by cone cells of human eyes obtaining also stimulus without meaning. However, the information that human beings can describe and remember from what they see is expressed using words, that is qualitatively. The exact process carried out after our eyes perceive light wavelengths and our brain interpret them is quite unknown. However, a real fact in human cognition is that people go beyond the purely perceptual experience to classify things as members of categories and attach linguistic labels to them. As the information provided by all the electronic components incorporated in a robotic agent is numerical, the approaches that first appeared in the literature giving an interpretation of this information followed a mathematical trend. In this thesis, this problem is addressed from the other side, its main aim is to process these numerical data in order to obtain qualitative information as human beings can do. The research work done in this thesis tries to narrow the gap between the acquisition of low level information by robot sensors and the need of obtaining high level or qualitative information for enhancing human-machine communication and for applying logical reasoning processes based on concepts. Moreover, qualitative concepts can be added a meaning by relating them to others. They can be used for reasoning applying qualitative models that have been developed in the last twenty years for describing and interpreting metrical and mathematical concepts such as orientation, distance, velocity, acceleration, and so on. And they can be also understood by human-users both written and read aloud. The first contributions presented are the definition of a method for obtaining fuzzy distance patterns (which include qualitative distances such as ‘near’, far’, ‘very far’ and so on) from the data obtained by any kind of distance sensors incorporated in a mobile robot and the definition of a factor to measure the dissimilarity between those fuzzy patterns. Both have been applied to the integration of the distances obtained by the sonar and laser distance sensors incorporated in a Pioneer 2 dx mobile robot and, as a result, special obstacles have been detected as ‘glass window’, ‘mirror’, and so on. Moreover, the fuzzy distance patterns provided have been also defuzzified in order to obtain a smooth robot speed and used to classify orientation reference systems into ‘open’ (it defines an open space to be explored) or ‘closed’. The second contribution presented is the definition of a model for qualitative image description (QID) by applying the new defined models for qualitative shape and colour description and the topology model by Egenhofer and Al-Taha [1992] and the orientation models by Hernández [1991] and Freksa [1992]. This model can qualitatively describe any kind of digital image and is independent of the image segmentation method used. The QID model have been tested in two scenarios in robotics: (i) the description of digital images captured by the camera of a Pioneer 2 dx mobile robot and (ii) the description of digital images of tile mosaics taken by an industrial camera located on a platform used by a robot arm to assemble tile mosaics. In order to provide a formal and explicit meaning to the qualitative description of the images generated, a Description Logic (DL) based ontology has been designed and presented as the third contribution. Our approach can automatically process any random image and obtain a set of DL-axioms that describe it visually and spatially. And objects included in the images are classified according to the ontology schema using a DL reasoner. Tests have been carried out using digital images captured by a webcam incorporated in a Pioneer 2 dx mobile robot. The images taken correspond to the corridors of a building at University Jaume I and objects with them have been classified into ‘walls’, ‘floor’, ‘office doors’ and ‘fire extinguishers’ under different illumination conditions and from different observer viewpoints. The final contribution is the definition of a similarity measure between qualitative descriptions of shape, colour, topology and orientation. And the integration of those measures into the definition of a general similarity measure between two qualitative descriptions of images. These similarity measures have been applied to: (i) extract objects with similar shapes from the MPEG7 CE Shape-1 library; (ii) assemble tile mosaics by qualitative shape and colour similarity matching; (iii) compare images of tile compositions; and (iv) compare images of natural landmarks in a mobile robot world for their recognition. The contributions made in this thesis are only a small step forward in the direction of enhancing robot knowledge acquisition from the world. And it is also written with the aim of inspiring others in their research, so that bigger contributions can be achieved in the future which can improve the life quality of our society.

El Problema de Enrutamiento de Vehículos (VRP) y sus diferentes variantes básicas son un dominio ampliamente estudiado en la comunidad científica de optimización. Algunos estudios han utilizado combinaciones específicas de restricciones encontradas en la vida real para definir los emergentes VRP Enriquecidos. Este trabajo aborda la integración de heurísticas, probabilidad sesgada, simulación, técnicas de computación distribuida & paralelas, y programación con restricciones. Los enfoques propuestos han solucionado algunas variantes del VRP: en primer lugar, las familias deterministas: VRP con flotas Heterogéneas (HVRP), VRP con flotas Heterogéneas y costo variable (HVRP-V), VRP con flota Heterogénea y Múltiples viajes (HVRPM), VRP con matriz de costo Asimétrica (AVRP), VRP con flota Heterogénea y matriz de costo Asimétrica (HAVRP), VRP con ventanas de Tiempo (VRPTW), y VRP Distancia limitada (DCVRP); en segundo lugar, las familias de naturaleza estocástica: VRP con Demandas estocásticas (VRPSD), y Problemas de Inventario y Enrutamiento de Vehículos con Demandas estocásticas (IRPSD). Una extensa revisión bibliográfica se ha realizado para cada una de estas variantes. Un primer enfoque propone la combinación de una aleatorización sesgada con heurísticas clásicas para la solución de problemas deterministas. Un segundo enfoque se centra en la combinación de heurísticas aleatorias con simulación (Simheuristics) para ser aplicados sobre los problemas estocásticos comentados. Por último, se propone un tercer enfoque basado en el trabajo conjunto de heurísticas aleatorias con programación de restricciones para resolver varios tipos de problemas de enrutamiento. Los algoritmos heurísticos desarrollados han sido aplicados en varios casos de referencia --entre ellos, dos estudios de casos reales de distribución en España-- y los resultados obtenidos son, en general, prometedores y útiles para los decisores. / The Vehicle Routing Problem (VRP) is a well known domain in optimization research community. Its different basic variants have been widely explored in the literature. Some studies have considered specific combinations of real-life constraints to define the emerging Rich VRP scopes. This work deals with the integration of heuristics, biased probability, simulation, parallel & distributed computing techniques, and constraint programming. The proposed approaches are tested for solving some variants of VRPs, namely, first, the deterministic families: Heterogeneous VRP (HVRP), Heterogeneous VRP with Variable cost (HVRP-V), Heterogeneous fleet VRP with Multi-trips (HVRPM), Asymmetric cost matrix VRP (AVRP), Heterogeneous fleet with Asymmetric cost matrix VRP (HAVRP), VRP with Time Windows (VRPTW), and Distance-Constrained VRP (DCVRP); second, the stochastic nature families: VRP with Stochastic Demands (VRPSD), and Inventory Routing Problem with Stochastic Demands (IRPSD). An extensive literature review is performed for all these variants, focusing on the main contributions of each work. A first approach proposes a biased-randomization of classical heuristics for solving the deterministic problems addressed here. A second approach is centered on the combination of randomized heuristics with simulation (Simheuristics) to be applied on the commented stochastic problems. Finally, a third approach based on the joined work of randomized heuristics with constraint programming is proposed to solve several types of routing problems. The developed heuristic algorithms are tested in several benchmark instances --between these, two real-life case studies in Spain are considered-- and the results obtained are, on average, highly promising and useful for decision makers.

L'objectiu general d'aquest treball és trobar i mostrar una eina que permeti obtenir unarepresentació dels senyals procedents de sistemes dinàmics adequada a les necessitatsdels sistemes de Supervisió Experta de processos. Aquest objectiu general es pot subdividir en diverses parts, que són tractades en els diferents capítols que composen el treball i que es poden resumir en els següents punts:En primer lloc, cal conèixer les necessitats dels sistemes de Supervisió: La gran quantitat de dades que provenen dels processos fa necessari el tractament d'aquestes dades per obtenir-ne d'altres, més elaborades, amb un nivell més elevat de representació.La utilització de raonament qualitatiu, pròpia dels éssers humans, comporta la necessitat de representar simbòlicament els senyals, de traduir les dades numèriques en símbols.La Supervisió de sistemes dinàmics comporta que el temps sigui una variable fonamental, la asincronia dels esdeveniments significatius per a la Supervisió fa que les representacions més adequades i útils dels senyals siguinasíncrones. Finalment,l'ús dels coneixements experimentals en la Supervisió dels processos comporta que les representacions més naturals siguin les més útils.Aquestes necessitats fan de la representació dels senyals mitjançant episodis l'eina amb més possibilitats per assolir els objectius que es volen assolir. Per això, es presenta un formalisme que permet descriure i incloure-hi la formalització i les diferents aproximacions a aquest tipus de representació ja existents i, al mateix temps, augmentar-ne la significació a través de característiques dels senyals que noes tenen en compte en les aproximacions ja existents.El següent pas és aprofitar el nou formalisme per obtenir una nova representació amb un grau més gran de significació, cosa que s'aconsegueix representant explícitament les discontinuïtats i els períodes estacionaris o d'estabilitat, moltsignificatius en Supervisió de processos.Un problema sempre present en el tractament de senyals és el soroll que els afecta. Per aquest motiu es presenta un mètode que permet filtrar el soroll de manera que les representacions resultants quedin afectades el mínim possible per aquest tractament.Finalment, es presenta l'aplicació en línia de les eines descrites. La representació en línia dels senyals comporta el tractament de la incertesa inherent al coneixement parcial del senyal (un episodi no pot ser determinat i caracteritzat completament fins que no s'acaba). L'obtenció de resultats amb determinats graus de certesa és perfectament coherent amb la seva utilització posterior mitjançant Sistemes Expertso altres eines de la IA. Totes les aportacions del treball vénen acompanyades d'exemples i/o aplicacions que permeten observar-ne la utilitat i les limitacions.

Tesis por compendio / [ES] La tesis presentada se enmarca dentro del ámbito de la ciencia computacional. Dentro de esta, se centra en el desarrollo de herramientas para la ejecución de experimentación científica computacional, el impacto de la cual es cada vez mayor en todos los ámbitos de la ciencia y la ingeniería. Debido a la creciente complejidad de los cálculos realizados, cada vez es necesario un mayor conocimiento de las técnicas y herramientas disponibles para llevar a cabo este tipo de experimentos, ya que pueden requerir, en general, una gran infraestructura computacional para afrontar los altos costes de cómputo. Más aún, la reciente popularización del cómputo en la Nube ofrece una gran variedad de posibilidades para configurar nuestras propias infraestructuras con requisitos específicos. No obstante, el precio a pagar es la complejidad de configurar dichas infraestructuras en este tipo de entornos. Además, el aumento en la complejidad de configuración de los entornos en la nube no hace más que agravar un problema ya existente en el ámbito científico, y es el de la reproducibilidad de los resultados publicados. La falta de documentación, como las versiones de software que se han usado para llevar a cabo el cómputo, o los datos requeridos, provocan que una parte significativa de los resultados de experimentos computacionales publicados no sean reproducibles por otros investigadores. Como consecuencia, se produce un derroche de recursos destinados a la investigación. Como respuesta a esta situación, existen, y continúan desarrollándose, diferentes herramientas para facilitar procesos como el despliegue y configuración de infraestructura, el acceso a los datos, el diseño de flujos de cómputo, etc. con el objetivo de que los investigadores puedan centrarse en el problema a abordar. Precisamente, esta es la base de los trabajos desarrollados en la presente tesis, el desarrollo de herramientas para facilitar que el cómputo científico se beneficie de entornos de computación en la Nube de forma eficiente. El primer trabajo presentado empieza con un estudio exhaustivo de las prestaciones d'un servicio relativamente nuevo, la ejecución serverless de funciones. En este, se determinará la conveniencia de usar este tipo de entornos en el cálculo científico midiendo tanto sus prestaciones de forma aislada, como velocidad de CPU y comunicaciones, como en conjunto mediante el desarrollo de una aplicación de procesamiento MapReduce para entornos serverless. En el siguiente trabajo, se abordará una problemática diferente, y es la reproducibilidad de experimentos computacionales. Para conseguirlo, se presentará un entorno, basado en Jupyter, donde se encapsule tanto el proceso de despliegue y configuración de infraestructura computacional como el acceso a datos y la documentación de la experimentación. Toda esta información quedará registrada en el notebook de Jupyter donde se ejecuta el experimento, permitiendo así a otros investigadores reproducir los resultados simplemente compartiendo el notebook correspondiente. Volviendo al estudio de las prestaciones del primer trabajo, teniendo en cuenta las medidas y bien estudiadas fluctuaciones de éstas en entornos compartidos, como el cómputo en la Nube, en el tercer trabajo se desarrollará un sistema de balanceo de carga diseñado expresamente para este tipo de entornos. Como se mostrará, este componente es capaz de gestionar y corregir de forma precisa fluctuaciones impredecibles en las prestaciones del cómputo en entornos compartidos. Finalmente, y aprovechando el desarrollo anterior, se diseñará una plataforma completamente serverless encargada de repartir y balancear tareas ejecutadas en múltiples infraestructuras independientes. La motivación de este último trabajo viene dada por los altos costes computacionales de ciertos experimentos, los cuales fuerzan a los investigadores a usar múltiples infraestructuras que, en general, pertenecen a diferentes organizaciones. / [CA] La tesi presentada a aquest document s'emmarca dins de l'àmbit de la ciència computacional. Dintre d'aquesta, es centra en el desenvolupament d'eines per a l'execució d'experimentació científica computacional, la qual té un impacte cada vegada major en tots els àmbits de la ciència i l'enginyeria. Donada la creixent complexitat dels càlculs realitzats, cada vegada és necessari un major coneixement sobre les tècniques i eines disponibles per a dur a terme aquestes experimentacions, ja que poden requerir, en general, una gran infraestructura computacional per afrontar els alts costos de còmput. Més encara, la recent popularització del còmput en el Núvol ofereix una gran varietat de possibilitats per a configurar les nostres pròpies infraestructures amb requisits específiques. No obstant, el preu a pagar és la complexitat de configurar les esmenades infraestructures a aquest tipus d'entorns. A més, l'augment de la complexitat de configuració dels entorns de còmput no ha fet més que agreujar un problema ja existent a l'àmbit científic, i és la reproductibilitat de resultats publicats. La manca de documentació, com les versions del programari emprat per a dur a terme el còmput, o les dades requerides ocasionen que una part no negligible dels resultats d'experiments computacionals publicats no siguen reproduïbles per altres investigadors. Com a conseqüència, es produeix un malbaratament dels recursos destinats a la investigació. Com a resposta a aquesta situació, existeixen, i continuen desenvolupant-se, diverses eines per facilitar processos com el desplegament i configuració d'infraestructura, l'accés a les dades, el disseny de fluxos de còmput, etc. amb l'objectiu de que els investigadors puguen centrar-se en el problema a abordar. Precisament, aquesta és la base dels treballs desenvolupats durant la tesi que segueix, el desenvolupar eines per a facilitar que el còmput científic es beneficiar-se d'entorns de computació en el Núvol d'una forma eficient. El primer treball presentat comença amb un estudi exhaustiu de les prestacions d'un servei relativament nou, l'execució serverless de funcions. En aquest, es determinarà la conveniència d'emprar este tipus d'entorns en el càlcul científic mesurant tant les seues prestacions de forma aïllada, com velocitat de CPU i la velocitat de les comunicacions, com en conjunt a través del desenvolupament d'una aplicació de processament MapReduce per a entorns serverless. Al següent treball, s'abordarà una problemàtica diferent, i és la reproductibilitat dels experiments computacionals. Per a aconseguir-ho, es presentarà una entorn, basat en Jupyter, on s'englobe tant el desplegament i configuració d'infraestructura computacional, com l'accés a les dades requerides i la documentació de l'experimentació. Tota aquesta informació quedarà registrada al notebook de Jupyter on s'executa l'experiment, permetent així a altres investigadors reproduir els resultats simplement compartint el notebook corresponent. Tornant a l'estudi de les prestacions del primer treball, donades les mesurades i ben estudiades fluctuacions d'aquestes en entorns compartits, com en el còmput en el Núvol, al tercer treball es desenvoluparà un sistema de balanceig de càrrega dissenyat expressament per aquest tipus d'entorns. Com es veurà, aquest component és capaç de gestionar i corregir de forma precisa fluctuacions impredictibles en les prestacions de còmput d'entorns compartits. Finalment, i aprofitant el desenvolupament anterior, es dissenyarà una plataforma completament serverless per a repartir i balancejar tasques executades en múltiples infraestructures de còmput independents. La motivació d'aquest últim treball ve donada pels alts costos computacionals de certes experimentacions, els quals forcen als investigadors a emprar múltiples infraestructures que, en general, pertanyen a diferents organitzacions. Es demostrarà la capacitat de la plataforma per balancejar treballs i minimitzar el malbaratament de recursos / [EN] This document is focused on computational science, specifically in the development of tools for executions of scientific computational experiments, whose impact has increased, and still increasing, in all scientific and engineering scopes. Considering the growing complexity of scientific calculus, it is required large and complex computational infrastructures to carry on the experimentation. However, to use this infrastructures, it is required a deep knowledge of the available tools and techniques to be handled efficiently. Moreover, the popularity of Cloud computing environments offers a wide variety of possible configurations for our computational infrastructures, thus complicating the configuration process. Furthermore, this increase in complexity has exacerbated the well known problem of reproducibility in science. The lack of documentation, as the used software versions, or the data required by the experiment, produces non reproducible results in computational experiments. This situation produce a non negligible waste of the resources invested in research. As consequence, several tools have been developed to facilitate the deployment, usage and configuration of complex infrastructures, provide access to data, etc. with the objective to simplify the common steps of computational experiments to researchers. Moreover, the works presented in this document share the same objective, i.e. develop tools to provide an easy, efficient and reproducible usage of cloud computing environments for scientific experimentation. The first presented work begins with an exhaustive study of the suitability of the AWS serverless environment for scientific calculus. In this one, the suitability of this kind of environments for scientific research will be studied. With this aim, the study will measure the CPU and network performance, both isolated and combined, via a MapReduce framework developed completely using serverless services. The second one is focused on the reproducibility problem in computational experiments. To improve reproducibility, the work presents an environment, based on Jupyter, which handles and simplify the deployment, configuration and usage of complex computational infrastructures. Also, includes a straight forward procedure to provide access to data and documentation of the experimentation via the Jupyter notebooks. Therefore, the whole experiment could be reproduced sharing the corresponding notebook. In the third work, a load balance library has been developed to address fluctuations of shared infrastructure capabilities. This effect has been wide studied in the literature and affects specially to cloud computing environments. The developed load balance system, as we will see, can handle and correct accurately unpredictable fluctuations in such environments. Finally, based on the previous work, a completely serverless platform is presented to split and balance job executions among several shared, heterogeneous and independent computing infrastructures. The motivation of this last work is the huge computational cost of many experiments, which forces the researchers to use multiple infrastructures belonging, in general, to different organisations. It will be shown how the developed platform is capable to balance the workload accurately. Moreover, it can fit execution time constrains specified by the user. In addition, the platform assists the computational infrastructures to scale as a function of the incoming workload, avoiding an over-provisioning or under-provisioning. Therefore, the platform provides an efficient usage of the available resources. / This study was supported by the program “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral, programa VALi+d” under grant number ACIF/2018/148 from the Conselleria d’Educació of the Generalitat Valenciana. The authors would also like to thank the Spanish "Ministerio de Economía, Industria y Competitividad"for the project “BigCLOE” with reference number TIN2016-79951-R. / Giménez Alventosa, V. (2022). Plataformes avançades en el Núvol per a la reproductibilitat d'experiments computacionals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184010 / TESIS / Compendio

[ES] La investigación científica en Física de Altas Energías (HEP) se caracteriza por desafíos computacionales complejos, que durante décadas tuvieron que ser abordados mediante la investigación de técnicas informáticas en paralelo a los avances en la comprensión de la física. Uno de los principales actores en el campo, el CERN, alberga tanto el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como miles de investigadores cada año que se dedican a recopilar y procesar las enormes cantidades de datos generados por el acelerador de partículas. Históricamente, esto ha proporcionado un terreno fértil para las técnicas de computación distribuida, conduciendo a la creación de Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), una red global de gran potencia informática para todos los experimentos LHC y del campo HEP. Los datos generados por el LHC hasta ahora ya han planteado desafíos para la informática y el almacenamiento. Esto solo aumentará con futuras actualizaciones de hardware del acelerador, un escenario que requerirá grandes cantidades de recursos coordinados para ejecutar los análisis HEP. La estrategia principal para cálculos tan complejos es, hasta el día de hoy, enviar solicitudes a sistemas de colas por lotes conectados a la red. Esto tiene dos grandes desventajas para el usuario: falta de interactividad y tiempos de espera desconocidos. En años más recientes, otros campos de la investigación y la industria han desarrollado nuevas técnicas para abordar la tarea de analizar las cantidades cada vez mayores de datos generados por humanos (una tendencia comúnmente mencionada como "Big Data"). Por lo tanto, han surgido nuevas interfaces y modelos de programación que muestran la interactividad como una característica clave y permiten el uso de grandes recursos informáticos. A la luz del escenario descrito anteriormente, esta tesis tiene como objetivo aprovechar las herramientas y arquitecturas de la industria de vanguardia para acelerar los flujos de trabajo de análisis en HEP, y proporcionar una interfaz de programación que permite la paralelización automática, tanto en una sola máquina como en un conjunto de recursos distribuidos. Se centra en los modelos de programación modernos y en cómo hacer el mejor uso de los recursos de hardware disponibles al tiempo que proporciona una experiencia de usuario perfecta. La tesis también propone una solución informática distribuida moderna para el análisis de datos HEP, haciendo uso del software llamado ROOT y, en particular, de su capa de análisis de datos llamada RDataFrame. Se exploran algunas áreas clave de investigación en torno a esta propuesta. Desde el punto de vista del usuario, esto se detalla en forma de una nueva interfaz que puede ejecutarse en una computadora portátil o en miles de nodos informáticos, sin cambios en la aplicación del usuario. Este desarrollo abre la puerta a la explotación de recursos distribuidos a través de motores de ejecución estándar de la industria que pueden escalar a múltiples nodos en clústeres HPC o HTC, o incluso en ofertas serverless de nubes comerciales. Dado que el análisis de datos en este campo a menudo está limitado por E/S, se necesita comprender cuáles son los posibles mecanismos de almacenamiento en caché. En este sentido, se investigó un sistema de almacenamiento novedoso basado en la tecnología de almacenamiento de objetos como objetivo para el caché. En conclusión, el futuro del análisis de datos en HEP presenta desafíos desde varias perspectivas, desde la explotación de recursos informáticos y de almacenamiento distribuidos hasta el diseño de interfaces de usuario ergonómicas. Los marcos de software deben apuntar a la eficiencia y la facilidad de uso, desvinculando la definición de los cálculos físicos de los detalles de implementación de su ejecución. Esta tesis se enmarca en el esfuerzo colectivo de la comunidad HEP hacia estos objetivos, definiendo problemas y posibles soluciones que pueden ser adoptadas por futuros investigadores. / [CA] La investigació científica a Física d'Altes Energies (HEP) es caracteritza per desafiaments computacionals complexos, que durant dècades van haver de ser abordats mitjançant la investigació de tècniques informàtiques en paral·lel als avenços en la comprensió de la física. Un dels principals actors al camp, el CERN, acull tant el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) com milers d'investigadors cada any que es dediquen a recopilar i processar les enormes quantitats de dades generades per l'accelerador de partícules. Històricament, això ha proporcionat un terreny fèrtil per a les tècniques de computació distribuïda, conduint a la creació del Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), una xarxa global de gran potència informàtica per a tots els experiments LHC i del camp HEP. Les dades generades per l'LHC fins ara ja han plantejat desafiaments per a la informàtica i l'emmagatzematge. Això només augmentarà amb futures actualitzacions de maquinari de l'accelerador, un escenari que requerirà grans quantitats de recursos coordinats per executar les anàlisis HEP. L'estratègia principal per a càlculs tan complexos és, fins avui, enviar sol·licituds a sistemes de cues per lots connectats a la xarxa. Això té dos grans desavantatges per a l'usuari: manca d'interactivitat i temps de espera desconeguts. En anys més recents, altres camps de la recerca i la indústria han desenvolupat noves tècniques per abordar la tasca d'analitzar les quantitats cada vegada més grans de dades generades per humans (una tendència comunament esmentada com a "Big Data"). Per tant, han sorgit noves interfícies i models de programació que mostren la interactivitat com a característica clau i permeten l'ús de grans recursos informàtics. A la llum de l'escenari descrit anteriorment, aquesta tesi té com a objectiu aprofitar les eines i les arquitectures de la indústria d'avantguarda per accelerar els fluxos de treball d'anàlisi a HEP, i proporcionar una interfície de programació que permet la paral·lelització automàtica, tant en una sola màquina com en un conjunt de recursos distribuïts. Se centra en els models de programació moderns i com fer el millor ús dels recursos de maquinari disponibles alhora que proporciona una experiència d'usuari perfecta. La tesi també proposa una solució informàtica distribuïda moderna per a l'anàlisi de dades HEP, fent ús del programari anomenat ROOT i, en particular, de la seva capa d'anàlisi de dades anomenada RDataFrame. S'exploren algunes àrees clau de recerca sobre aquesta proposta. Des del punt de vista de l'usuari, això es detalla en forma duna nova interfície que es pot executar en un ordinador portàtil o en milers de nodes informàtics, sense canvis en l'aplicació de l'usuari. Aquest desenvolupament obre la porta a l'explotació de recursos distribuïts a través de motors d'execució estàndard de la indústria que poden escalar a múltiples nodes en clústers HPC o HTC, o fins i tot en ofertes serverless de núvols comercials. Atès que sovint l'anàlisi de dades en aquest camp està limitada per E/S, cal comprendre quins són els possibles mecanismes d'emmagatzematge en memòria cau. En aquest sentit, es va investigar un nou sistema d'emmagatzematge basat en la tecnologia d'emmagatzematge d'objectes com a objectiu per a la memòria cau. En conclusió, el futur de l'anàlisi de dades a HEP presenta reptes des de diverses perspectives, des de l'explotació de recursos informàtics i d'emmagatzematge distribuïts fins al disseny d'interfícies d'usuari ergonòmiques. Els marcs de programari han d'apuntar a l'eficiència i la facilitat d'ús, desvinculant la definició dels càlculs físics dels detalls d'implementació de la seva execució. Aquesta tesi s'emmarca en l'esforç col·lectiu de la comunitat HEP cap a aquests objectius, definint problemes i possibles solucions que poden ser adoptades per futurs investigadors. / [EN] The scientific research in High Energy Physics (HEP) is characterised by complex computational challenges, which over the decades had to be addressed by researching computing techniques in parallel to the advances in understanding physics. One of the main actors in the field, CERN, hosts both the Large Hadron Collider (LHC) and thousands of researchers yearly who are devoted to collecting and processing the huge amounts of data generated by the particle accelerator. This has historically provided a fertile ground for distributed computing techniques, which led to the creation of the Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), a global network providing large computing power for all the experiments revolving around the LHC and the HEP field. Data generated by the LHC so far has already posed challenges for computing and storage. This is only going to increase with future hardware updates of the accelerator, which will bring a scenario that will require large amounts of coordinated resources to run the workflows of HEP analyses. The main strategy for such complex computations is, still to this day, submitting applications to batch queueing systems connected to the grid and wait for the final result to arrive. This has two great disadvantages from the user's perspective: no interactivity and unknown waiting times. In more recent years, other fields of research and industry have developed new techniques to address the task of analysing the ever increasing large amounts of human-generated data (a trend commonly mentioned as "Big Data"). Thus, new programming interfaces and models have arised that most often showcase interactivity as one key feature while also allowing the usage of large computational resources. In light of the scenario described above, this thesis aims at leveraging cutting-edge industry tools and architectures to speed up analysis workflows in High Energy Physics, while providing a programming interface that enables automatic parallelisation, both on a single machine and on a set of distributed resources. It focuses on modern programming models and on how to make best use of the available hardware resources while providing a seamless user experience. The thesis also proposes a modern distributed computing solution to the HEP data analysis, making use of the established software framework called ROOT and in particular of its data analysis layer implemented with the RDataFrame class. A few key research areas that revolved around this proposal are explored. From the user's point of view, this is detailed in the form of a new interface to data analysis that is able to run on a laptop or on thousands of computing nodes, with no change in the user application. This development opens the door to exploiting distributed resources via industry standard execution engines that can scale to multiple nodes on HPC or HTC clusters, or even on serverless offerings of commercial clouds. Since data analysis in this field is often I/O bound, a good comprehension of what are the possible caching mechanisms is needed. In this regard, a novel storage system based on object store technology was researched as a target for caching. In conclusion, the future of data analysis in High Energy Physics presents challenges from various perspectives, from the exploitation of distributed computing and storage resources to the design of ergonomic user interfaces. Software frameworks should aim at efficiency and ease of use, decoupling as much as possible the definition of the physics computations from the implementation details of their execution. This thesis is framed in the collective effort of the HEP community towards these goals, defining problems and possible solutions that can be adopted by future researchers. / Padulano, VE. (2023). Distributed Computing Solutions for High Energy Physics Interactive Data Analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193104

Les uninormes són uns operadors d'agregació que, per la seva definició, es poden considerar com a conjuncions o disjuncions, i que han estat aplicades a camps molt diversos. En aquest treball s'estudien algunes equacions funcionals que tenen com a incògnites les uninormes, o operadors definits a partir d'elles. Una d'elles és la distributivitat, que és resolta per les classes d'uninormes conegudes, solucionant, en particular, un problema obert en la teoria de l'anàlisi no-estàndard. També s'estudien les implicacions residuals i fortes definides a partir d'uninormes, trobant solució a la distributivitat d'aquestes implicacions sobre uninormes. Com a aplicació d'aquests estudis, es revisa i s'amplia la morfologia matemàtica borrosa basada en uninormes, que proporciona un marc inicial favorable per a un nou enfocament en l'anàlisi d'imatges, que haurà de ser estudiat en més profunditat. / Las uninormas son unos operadores de agregación que, por su definición se pueden considerar como conjunciones o disjunciones y que han sido aplicados a campos muy diversos. En este trabajo se estudian algunas ecuaciones funcionales que tienen como incógnitas las uninormas, o operadores definidos a partir de ellas.Una de ellas es la distributividad, que se resuelve para las classes de uninormas conocidas, solucionando, en particular, un problema abierto en la teoría del análisis no estándar. También se estudian las implicaciones residuales y fuertes definidas a partir de uninormas, encontrando solución a la distributividad de estas implicaciones sobre uninormas. Como aplicación de estos estudios, se revisa y amplía la morfología matemática borrosa basada en uninormas, que proporciona un marco inicial favorable para un nuevo enfoque en el análisis de imágenes, que tendrá que ser estudiado en más profundidad. / Uninorms are aggregation operators that, due to its definition, can be considered as conjunctions or disjunctions, and they have been applied to very different fields. In this work, some functional equations are studied, involving uninorms, or operators defined from them as unknowns. One of them is the distributivity equation, that is solved for all the known classes of uninorms, finding solution, in particular, to one open problem in the non-standard analysis theory. Residual implications, as well as strong ones defined from uninorms are studied, obtaining solution to the distributivity equation of this implications over uninorms. As an application of all these studies, the fuzzy mathematical morphology based on uninorms is revised and deeply studied, getting a new framework in image processing, that it will have to be studied in more detail.

en català:Un camp de recerca important dins del paradigma del Computer-Supported Collaborative Learning (CSCL) és la importància en la gestió eficaç de la informació d'esdeveniments generada durant l'activitat de l'aprenentatge col·laboratiu virtual, per a proporcionar coneixement sobre el comportament dels membres del grup. Aquesta visió és especialment pertinent en l'escenari educatiu actual que passa d'un paradigma tradicional - centrat en la figura d'un instructor magistral - a un paradigma emergent que considera els estudiants com actors centrals en el seu procés d'aprenentatge. En aquest nou escenari, els estudiants aprenen, amb l'ajuda de professors, la tecnologia i els altres estudiants, el que potencialment necessitaran per a desenvolupar les seves activitats acadèmiques o professionals futures.Els principals aspectes a tenir en compte en aquest context són, primer de tot, com dissenyar una plataforma sota el paradigma del CSCL, que es pugui utilitzar en situacions reals d'aprenentatge col·laboratiu complexe i a llarg termini, basades en el model d'aprenentatge de resolució de problemes. I que permet al professor una anàlisi del grup més eficaç així com donar el suport adequat als estudiants quan sigui necessari. En segon lloc, com extreure coneixement pertinent de la col·laboració per donar consciència i retorn als estudiants a nivell individual i de rendiment del grup, així com per a propòsits d'avaluació. L'assoliment d'aquests objectius impliquen el disseny d'un model conceptual d'interacció durant l'aprenentatge col·laboratiu que estructuri i classifiqui la informació generada en una aplicació col·laborativa en diferents nivells de descripció. A partir d'aquesta aproximació conceptual, els models computacionals hi donen resposta per a proporcionar una extracció eficaç del coneixement produït per l'individu i per l'activitat del grup, així com la possibilitat d'explotar aquest coneixement com una eina metacognitiva pel suport en temps real i regulat del procés d'aprenentatge col·laboratiu.A més a més, les necessitats dels entorns CSCL han evolucionat en gran mesura durant els darrers anys d'acord amb uns requisits pedagògics i tecnològics cada cop més exigents. Els entorns d'aprenentatge col·laboratius virtuals ara ja no depenen de grups d'estudiants homogenis, continguts i recursos d'aprenentatge estàtics, ni pedagogies úniques, sinó que exigeixen una forta personalització i un alt grau de flexibilitat. En aquest nou escenari, les organitzacions educatives actuals necessiten estendre's i moure's cap a paradigmes d'ensenyament altament personalitzats, amb immediatesa i constantment, on cada paradigma incorpora el seu propi model pedagògic, el seu propi objectiu d'aprenentatge i incorpora els seus propis recursos educatius específics. Les demandes de les organitzacions actuals també inclouen la integració efectiva, en termes de cost i temps, de sistemes d'aprenentatge llegats i externs, que pertanyen a altres institucions, departaments i cursos. Aquests sistemes llegats es troben implementats en llenguatges diferents, suportats per plataformes heterogènies i distribuïdes arreu, per anomenar alguns dels problemes més habituals. Tots aquests problemes representen certament un gran repte per la comunitat de recerca actual i futura. Per tant, els propers esforços han d'anar encarats a ajudar a desenvolupadors, recercaires, tecnòlegs i pedagogs a superar aquests exigents requeriments que es troben actualment en el domini del CSCL, així com proporcionar a les organitzacions educatives solucions ràpides i flexibles per a potenciar i millorar el rendiment i resultats de l'aprenentatge col·laboratiu. Aquesta tesi proposa un primer pas per aconseguir aquests objectius. / An important research topic in Computer Supported Collaborative Learning (CSCL) is to explore the importance of efficient management of event information generated from group activity in collaborative learning practices for its further use in extracting and providing knowledge on interaction behavior. The essential issue here is first how to design a CSCL platform that can be used for real, long-term, complex collaborative problem solving situations and which enables the instructor to both analyze group interaction effectively and provide an adequate support when needed. Secondly, how to extract relevant knowledge from collaboration in order to provide learners with efficient awareness and feedback as regards individual and group performance and assessment. The achievement of these tasks involve the design of a conceptual framework of collaborative learning interaction that structures and classifies the information generated in a collaborative application at several levels of description. Computational models are then to realize this conceptual approach for an efficient management of the knowledge produced by the individual and group activity as well as the possibility of exploiting this knowledge further as a metacognitive tool for real-time coaching and regulating the collaborative learning process.In addition, CSCL needs have been evolving over the last years accordingly with more and more demanding pedagogical and technological requirements. On-line collaborative learning environments no longer depend on homogeneous groups, static content and resources, and single pedagogies, but high customization and flexibility are a must in this context. As a result, current educational organizations' needs involve extending and moving to highly customized learning and teaching forms in timely fashion, each incorporating its own pedagogical approach, each targeting a specific learning goal, and each incorporating its specific resources. These entire issues certainly represent a great challenge for current and future research in this field. Therefore, further efforts need to be made that help developers, technologists and pedagogists overcome the demanding requirements currently found in the CSCL domain as well as provide modern educational organizations with fast, flexible and effective solutions for the enhancement and improvement of the collaborative learning performance and outcomes. This thesis proposes a first step toward these goals.Índex foliat:The main contribution in this thesis is the exploration of the importance of an efficient management of information generated from group activity in Computer-Supported Collaborative Learning (CSCL) practices for its further use in extracting and providing knowledge on interaction behavior. To this end, the first step is to investigate a conceptual model for data analysis and management so as to identify the many kinds of indicators that describe collaboration and learning and classify them into high-level potential categories of effective collaboration. Indeed, there are more evident key discourse elements and aspects than those shown by the literature, which play an important role both for promoting student participation and enhancing group and individual performance, such as, the impact and effectiveness of students' contributions, among others, that are explored in this work. By making these elements explicit, the discussion model proposed accomplishes high students' participation rates and contribution quality in a more natural and effective way. This approach goes beyond a mere interaction analysis of asynchronous discussion in the sense that it builds a multi-functional model that fosters knowledge sharing and construction, develops a strong sense of community among students, provides tutors with a powerful tool for students' monitoring, discussion regulation, while it allows for peer facilitation through self, peer and group awareness and assessment.The results of the research described so far motivates the development of a computational system as the translation from the conceptual model into a computer system that implements the management of the information and knowledge acquired from the group activity, so as to be efficiently fed back to the collaboration. The achievement of a generic, robust, flexible, interoperable, reusable computational model that meets the fundamental functional needs shared by any collaborative learning experience is largely investigated in this thesis. The systematic reuse of this computational model permits a fast adaptation to new learning and teaching requirements, such as learning by discussion, by relying on the most advanced software engineering processes and methodologies from the field of software reuse, and thus important benefits are expected in terms of productivity, quality, and cost.Therefore, another important contribution is to explore and extend suitable software reuse techniques, such as Generic Programming, so as to allow the computational model to be successfully particularized in as many as situations as possible without losing efficiency in the process. In particular, based on domain analysis techniques, a high-level computational description and formalization of the CSCL domain are identified and modeled. Then, different specific-platform developments that realize the conceptual description are provided. It is also explored a certain level of automation by means of advanced techniques based on Service-Oriented Architectures and Web-services while passing from the conceptual specification to the desired realization, which greatly facilitates the development of CSCL applications using this computational model.Based on the outcomes of these investigations, this thesis contributes with computational collaborative learning systems, which are capable of managing both qualitative and quantitative information and transforming it into useful knowledge for all the implicated parties in an efficient and clear way. This is achieved by both the specific assessment of each contribution by the tutor who supervises the discussion and by rich statistical information about student's participation. This statistical data is automatically provided by the system; for instance, statistical data sheds light on the students' engagement in the discussion forum or how much interest drew the student's intervention in the form of participation impact, level of passivity, proactivity, reactivity, and so on. The aim is to provide both a deeper understanding of the actual discussion process and a more objective assessment of individual and group activity.This information is then processed and analyzed by means of a multivariate statistical model in order to extract useful knowledge about the collaboration. The knowledge acquired is communicated back to the members of the learning group and their tutor in appropriate formats, thus providing valuable awareness and feedback of group interaction and performance as well as may help identify and assess the real skills and intentions of participants. The most important benefit expected from the conceptual model for interaction data analysis and management is a great improvement and enhancement of the learning and teaching collaborative experiences.Finally, the possibilities of using distributed and Grid technology to support real CSCL environments are also extensively explored in this thesis. The results of this investigation lead to conclude that the features provided by these technologies form an ideal context for supporting and meeting demanding requirements of collaborative learning applications. This approach is taken one step further for enhancing the possibilities of the computational model in the CSCL domain and it is successfully adopted on an empirical and application basis. From the results achieved, it is proved the feasibility of distributed technologies to considerably enhance and improve the collaborative learning experience. In particular, the use of Grid computing is successfully applied for the specific purpose of increasing the efficiency of processing a large amount of information from group activity log files.