La producción de biocombustibles a partir de microalgas ha recibido gran interés en las últimas décadas, en respuesta a la creciente crisis energética y el cambio climático. La factibilidad económica para el desarrollo de biocombustibles a partir de microalgas se ve comprometida por los altos costos y consumos energéticos que las correspondientes operaciones requieren. Debido a esto, la producción de coproductos de alto valor agregado resulta atractivo para mejorar la economía y viabilidad de una biorrefinería basada en microalgas. En la presente tesis se propone la formulación de modelos de programación matemática avanzada para el diseño óptimo y la optimización de plantas completas para la producción de biodiesel y otros productos de alto valor. En primer lugar, se propone un modelo de programación no lineal para la optimización de una biorrefinería basada en microalgas para producción de biodiesel, en la que se incluyen unidades de generación de energía a partir de corrientes residuales. En este sentido, el modelo propuesto incorpora restricciones de operación de digestores anaeróbicos, ya que los mismos presentan resultados viables solo bajo ciertas condiciones. Los resultados obtenidos permiten visualizar la factibilidad en cuanto a la reducción de consumo de energía a partir de fuentes fósiles y de suministro de nutrientes de manera externa, con la implementación de unidades de biodigestión anaeróbica y posterior transformación del biogás producido. A continuación, se formulan problemas de programación mixto entera no lineal para la determinación de la configuración óptima de una biorrefinería para la producción de biodiesel a partir de microalgas bajo criterios de optimización económica (maximización del valor presente neto de la biorrefinería propuesta). Asimismo, se lleva a cabo un estudio de riesgo tecnológico sobre las diferentes alternativas de proceso analizadas. La incorporación de coproductos de alto valor agregado en biorrefinerías integradas, supone una mejora en la factibilidad económica para la producción de biocombustibles de tercera generación. En ese marco, se formula un modelo de diseño óptimo de una biorrefinería en base algal para la producción de biodiesel y coproductos de alto valor (biopolímeros y nutraceúticos) como un problema de programación mixto entera no lineal. Los resultados numéricos permiten determinar la viabilidad económica del proceso. Un estudio de sensitividad posterior revela los principales factores que afectan el valor presente neto del proyecto. Por último, se formula un problema de diseño óptimo para una biorrefinería integrada para la producción de astaxantina, un nutracéutico de alto valor. La idea es implementar procesos “verdes”, que colaboren en mitigar las problemáticas actuales en cuanto a la escasez de recursos hídricos, la necesidad de producción de alimentos y el alto consumo energético a partir de fuentes fósiles. Estos factores son tenidos en cuenta como restricciones del problema de diseño. A su vez, se lleva a cabo un estudio de la implementación de la biorrefinería a nivel local. En síntesis, bajo el concepto de “Nexo agua-alimentosenergía”, el modelo desarrollado para la producción de astaxantina permite el diseño de procesos amigables con el medio ambiente, autoabastecidos y económicamente atractivos. / Biofuels production from microalgae has attracted attention in recent decades, in response to the growing energy crisis and climate change. The economic feasibility for the development of microalgae biofuels is compromised by high investment and operational costs as well as energy consumption. The production of value added co-products results an attractive alternative to improve the microalgae-based biorefinery economy and viability. Advanced mathematical programming strategies are applied in this thesis for the optimal design and optimization of facilities for the production of biodiesel and high added-value products. A nonlinear programming model is proposed for the optimization of a microalgaebased biorefinery for biodiesel production, with the inclusion of energy generation units from waste streams. In this sense, the proposed model includes operating constraints of anaerobic digesters, since they present viable results only under certain conditions. Numerical results show the feasibility of reducing energy consumption from fossil sources and the supply of nutrients externally, through the implementation of anaerobic biodigestion units and the subsequent transformation of the produced biogas. Mixed integer nonlinear programming models are formulated to determine the optimal configuration of a biorefinery for the production of biodiesel from microalgae under economic optimization criteria (net present value maximization). Likewise, a technological risk study is carried out on different process alternatives. The incorporation of high added-value co-products within integrated biorefineries implies an economic feasibility improvement for the production of third generation biofuels. In this framework, a mixed integer nonlinear problem for the optimal design of an algae-based biorefinery is formulated. Not only biodiesel production is considered but also high added-value co-products (biopolymers and nutraceuticals). Numerical results show the economic viability of the process. Subsequent sensitivity analysis determines relevant parameters affecting net present value. Finally, an optimal design problem is formulated for an integrated biorefinery for the production of the high value nutraceutical astaxanthin, under the concept of "green" processes. Issues like scarcity of water resources, food production and high energy consumption from fossil sources are taken into account as constraints within the proposed model. Also, a study on the implementation of the integrated biorefinery at local level is carried out. Results allow the design of environmentally friendly processes, self-sufficient and economically attractive, under the concept of "Water-Food-Energy Nexus".

La caracterización y tratamiento de las enfermedades cardiorrespiratorias suele ser una tarea compleja, debido a que el sistema cardiorrespiratorio de humanos y animales está influenciado por acciones reflejo, que se activan en caso de disfunción para restablecer las condiciones normales de funcionamiento. Por este motivo, la interpretación de los síntomas puede resultar contradictoria, dificultando la identificación de las causas de la enfermedad. Otro aspecto que complica el adecuado diagnóstico es que las mediciones disponibles suelen ser limitadas, ruidosas y poco confiables. Desde hace décadas, la Ingeniería de Sistemas y Procesos, ha estado contribuyendo al modelado, optimización y control de sistemas biomédicos por entenderse que aquellos modelos matemáticos que permitan simular en forma realista estos sistemas, constituyen herramientas valiosas para asistir al personal médico a comprender los mecanismos de las enfermedades cardiovasculares y respiratorias, diagnosticar disfunciones y seleccionar tratamientos, además de representar una alternativa a la experimentación en animales. En esta tesis se desarrolló un modelo del sistema cardiorrespiratorio humano que integra los procesos circulatorios, barorreflejo, respiratorio y de transporte de substancias así como el efecto farmacológico de drogas sobre las variables hemodinámicas. Sobre este modelo se aplicaron técnicas de optimización dinámica para calcular los perfiles temporales de drogas administradas tanto por vía intravenosa como respiratoria, a fin de optimizar ciertas funciones objetivo de interés. Finalmente, con el propósito de desarrollar modelos “paciente-específicos”, se realizaron estudios de análisis de sensibilidad y de estimación de parámetros de los sectores circulatorio y respiratorio, a fin de caracterizar la relación entre los parámetros y las salidas de ambos sub modelos y de hallar los parámetros que mejor representen a un individuo en particular. / In general, the characterization and treatment of cardiovascular and respiratory diseases are difficult tasks because the cardio-respiratory system of humans and animals are complex processes influenced by reflex actions, which are activated to restore normal operating conditions in case of dysfunction. Therefore, the interpretation of symptoms may be contradictory, making the identification of the causes of the dysfunction a difficult activity. Another issue that complicates the proper diagnosis is that the available measurements are often limited, noisy and unreliable. In the last decades, the Process System Engineering discipline has contributed to the modeling, optimization and control of biomedical systems, in the understanding that mathematical models that realistically simulate physiological processes can become valuable tools to assist medical staff to investigate the mechanisms of cardiovascular and respiratory diseases, diagnose dysfunctions and select treatments. Moreover, they can be an alternative to animal testing. In this thesis, a model of the human cardio-respiratory system was developed to simulate the following processes: blood circulation, baroreflex, breathing, transport of substances and pharmacological effect of drugs on hemodynamic variables. This model was the basis of a dynamic optimization study aimed at establishing the infusion profiles of drugs, administered intravenously or via the respiratory system, in order to optimize certain objective functions of medical interest.Finally, in order to generate "patient-specific" models a sensitivity analysis and a parameter estimation study of the circulatory and respiratory sections were performed to investigate the relationship between parameters and outputs of each sub model and to identify the parameter values that best suits a specific individual.

En la presente tesis se aborda el estudio y aplicación de herramientas de análisis de ciclo de vida y estrategias de programación matemática avanzada para la producción sustentable de energía y de productos químicos. En este sentido, se describen los principales enfoques de análisis de ciclo de vida y de optimización, como así también su integración en el marco de optimización multiobjetivo. En primer lugar y aportando a la producción de biocombustibles, se lleva acabo análisis de ciclo de vida de la producción de biodiesel a partir de aceite de Jatropha curcas, que puede ser cultivado en zonas marginales, sin competencia con los cultivos para alimentación. Se aplica el método ReCiPe, que considera dieciocho categorías de impacto intermedias y tres categorías de punto final de daño. Se comparan escenarios de siembra óptimos para este cultivo energético (granja existente), sin requerimientos adicionales a la tierra, y escenarios posibles que requieren riego y el uso de fertilizantes, en el norte de Argentina. A continuación, se aborda el análisis de ciclo de vida de derivados de combustibles fósiles. En la primera etapa se lleva a cabo un estudio sobre el sector criogénico de una planta de procesamiento de gas natural. El trabajo de esta tesis se completa con la optimización económica y ambiental de las operaciones de un complejo petroquímico a gran escala, basado en gas natural. El complejo incluye plantas de procesamiento de gas natural, de producción de etileno y diversos tipos de polietileno, de PVC, de amoníaco y urea. El problema se aborda mediante la formulación de problemas multiobjetivo multiperíodo, donde la función objetivo económica es el beneficio neto del complejo y la función objetivo ambiental es el potencial de calentamiento global. Se obtiene una curva Pareto y, posteriormente, se determinan los valores para las categorías intermedias de impacto y las categorías de punto final de daño para los casos de máximo beneficio neto y de mínimo potencial de calentamiento global. Se comparan también los impactos de daño final entre los extremos de la curva Pareto. Los resultados muestran que cambios tales como el medio de transporte de algunos productos pueden introducir mejoras en el impacto ambiental, con pequeñas disminuciones del beneficio neto. / This thesis addresses the study and application of Life Cycle Analysis (LCA) and advanced Mathematical Programming for the sustainable production of energy and chemical products. In this sense, main LCA approaches are presented, as well as their integration with mathematical programming algorithms within a multiobjective optimization framework. As a first step and focusing on biofuel production, an LCA study is carried out for biodiesel production based on Jatropha curcas oil in Argentina. This energy crop can be cultivated in marginal areas, not competing with food crops. The LCA method we apply is ReCiPe, which considers eighteen intermediate impact categories that are finally aggregated into three final damage categories. In this work, two scenarios are compared for a cradle to gate analysis, one considering optimal lands and climate for Jatropha curcas cultivation (an existing farm in the north of Argentina) and a hypothetical case requiring irrigation and the use of fertilizers. The rest of this thesis work addresses LCA analysis on fossil fuel derivatives. First, LCA is performed on the cryogenic sector of a natural gas processing plant. The second step is the economic and environmental optimization of the operations of a large-scale petrochemical complex based on natural gas. The site includes natural gas processing plants, ethylene polyethylene, PVC, ammonia and urea plants. The problem is formulated as a multiobjective multiperiod optimization model where the economic objective function is the net benefit for the entire complex and the environmental one is the global warming potential (GWP). A Pareto curve is obtained, and the eighteen ReCiPe intermediate impact categories and the three end point damage categories are compared for both extremes of the Pareto curve. Numerical results show that small changes, such as transported amounts of products in the different transportation means, can provide significant decrease in GWP, with a slight decrease in the net benefit.

La gran versatilidad y amplia variedad de características que poseen los plásticos los hace materiales claves para el ser humano, ya que permiten mejorar la calidad de vida, al ser empleados en sectores como la construcción, el transporte, el envasado, la medicina y el deporte, entre otros. No obstante, los plásticos producidos a partir de petróleo tienen la gran desventaja de no ser biodegradables, por lo que esta preocupación ha creado un especial interés en el desarrollo de procesos alternativos para generar polímeros de origen biológico, amigables con el medio ambiente. A pesar de los esfuerzos destinados a la investigación de biopolímeros, éstos aún no resultan competitivos en términos económicos frente a los plásticos petroquímicos. El costo de los polímeros convencionales oscila entre 1 y 1,5 dólares por kilogramo y el de los biopolímeros puede variar entre 2,5 y 15 dólares por kilogramo. Por lo tanto, el objetivo que se propone en este trabajo de tesis es profundizar, tanto a nivel teórico como experimental, en el estudio de la producción de plásticos biodegradables (poli(hidroxialcanoato)s, PHAs) empleando fuentes de carbono alternativas para su biosíntesis. En la presente tesis se llevan a cabo experiencias in vivo con un microorganismo aislado del estuario de Bahía Blanca, Bacillus megaterium BBST4, en cultivos batch. A partir del biomaterial obtenido, se realizan ensayos que permiten caracterizar el polímero acumulado intracelularmente. Asimismo, se obtienen datos experimentales a nivel Erlenmeyer y biorreactor, que se emplean para ajustar un modelo cinético de crecimiento y biosíntesis de PHA. La estimación de parámetros se realiza mediante la formulación de un problema de optimización dinámico cuya función objetivo es de cuadrados mínimos, sujeto a un sistema de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Por otro lado, con el objetivo de realizar aportes en el diseño de biorrefinerías, se propone la implementación de modelos detallados de los equipos de una planta de producción de PHA y también de una biorrefinería integrada, donde la síntesis de biopolímero brinda un valor agregado al objetivo económico de la misma. Para ello, las distintas configuraciones de operación de las plantas se incluyen en una superestructura y se formulan problemas de programación no lineal mixto entero (MINLP) en un entorno orientado a ecuaciones, con un criterio de optimización económico (maximización del valor presente neto del proceso productivo) sujeto a restricciones de balances de masa y energía, ecuaciones de diseño, condiciones operativas y correlaciones de costos. La metodología presentada en esta tesis junto con los resultados numéricos obtenidos, representan una progresión en el estudio biotecnológico de la síntesis de PHAs mediante la utilización de herramientas provistas por el modelado matemático. / Due to their great versatility and comprehensive features, plastics have become key materials to human beings. They allow improving the quality of human life in areas such as construction, transportation, packaging, medicine and sports, among others. Nevertheless, petroleum-based plastics are non-biodegradable. This issue has led to the development of alternative processes to produce bio- based polymers environmentally friendly. Despite efforts devoted to biopolymers research, they are still non-economically competitive with the petrochemical plastics. While synthetic polymers cost is between 1 to 1.5 dollars per kilogram, biopolymers prices vary between 2.5 to 15 dollars per kilogram. Therefore, the main objective of the work is to carry out theoretical and experimental studies of biodegradable biopolymer production (poly(hydroxyalkanoate)s, PHAs) using alternative carbon sources for their biosynthesis. In this thesis work, in vivo experiences in batch cultivations are performed by means of Bacillus megaterium BBST4, a microorganism isolated from Bahía Blanca estuary. With the obtained biomaterial, several tests were carried out in order to achieve a characterization of the intracellular accumulated polymer. Also, experimental data is obtained in Erlenmeyer and bioreactor cultures. This data is used to adjust a growth and PHA bio-synthesis kinetics model. Parameter estimation is performed within a dynamic optimization framework with a least squares objective function, subject to a differential algebraic equations system. Furthermore, in order to make a contribution to biorefineries design, we implemented two detailed equipment models: a PHA production plant and an integrated biorefinery, where biopolymer synthesis is a value- added co-product. Different plant configurations are embedded within a superstructure. Mixed integer nonlinear programming (MINLP) problems are formulated in an equation oriented approach. The economic objective function (net present value maximization of the productive process) is subjected to mass and energy balances, equipment design cost, operation conditions and cost correlations. The methodology presented in this thesis together with the obtained numerical results, provides useful insights on the biotechnological study of PHAs synthesis by means of mathematical modeling tools.

Los modelos de aprendizaje automático están siendo ampliamente utilizados en múltiples áreas de la vida humana. Tradicionalmente, se han aplicado en reconocimiento de voz, detección de rostros, clasificación de imágenes, sistemas de recomendación, etc. Con la reciente revolución de los modelos generativos, la popularidad de los chatbots conversacionales se ha disparado. Esto ha dado lugar a que los modelos de aprendizaje automático se utilicen cada vez más para abordar tareas para las que no estaban específicamente capacitados. El prompt engineering ha permitido que personas no expertas en aprendizaje automático (que comúnmente tampoco están familiarizadas con los problemas subyacentes al uso de modelos de aprendizaje automático para hacer predicciones) automaticen ciertas tareas. La incorporación de algoritmos de aprendizaje automático en tareas de toma de decisiones de alto riesgo ha levantado algunas alertas en la comunidad científica. Las tareas de toma de decisiones de alto riesgo denotan aquellas tareas que pueden tener un gran impacto en las vidas de las personas sobre quienes se toman las decisiones. Por ejemplo, se han utilizado modelos para decidir si una persona es contratada o no, si se le concede un préstamo, si se acepta una solicitud de cobertura ampliada de seguridad sanitaria y para predecir la probabilidad de reincidencia en un delito. Estudios han demostrado que la automatización inconsciente de este tipo de tareas contiene sesgos, lo cual provoca que decisiones injustas sean tomadas sobre determinados grupos de población. El peligro fundamental de ignorar este problema es que los métodos de aprendizaje automático podrían no sólo reflejar los sesgos presentes en nuestra sociedad, sino que también amplificarlos. Esta tesis presenta el diseño y validación de una tecnología para asistir la automatización justa de problemas de clasificación. En esencia, la propuesta se basa en diseñar una tecnología que saque provecho de las soluciones intermedias generadas durante la resolución de problemas de clasificación mediante el uso de herramientas de Auto-ML, en particular, AutoGOAL, con el propósito de crear clasificadores imparciales y justos. Cuatro componentes fundamentales conforman la propuesta: (I) una componente de Auto-ML, encargada de generar colecciones de modelos con hipótesis diferentes entre sí, cada uno debiendo ser capaz de transformar los datos de entrada a los de salida; (II) una componente de ensemble, responsable de combinar múltiples soluciones para producir una más robusta, exacta y justa, según criterios definidos por funciones de pérdida; (III) una componente de cuantificación de sesgos, encargada de medir la calidad de un modelo según varias definiciones de sesgo y equidad; y (IV) una componente de anotación automática de atributos protegidos, para permitir estimar los sesgos en situaciones donde normalmente no sería posible. Los resultados discutidos en este documento prueban la capacidad de la tecnología propuesta para automatizar tareas de clasificación a la par que se controla su equidad. Además, la experimentación muestra la competitividad de la propuesta respecto a otras alternativas para controlar los sesgos en el modelo de aprendizaje automático y colecciones de datos. La propuesta tiene la ventaja adicional de requerir poco o ningún conocimiento sobre arquitecturas de aprendizaje automático dada las componentes de Auto-ML que incorpora. Todo esto lo convierte en una tecnología valiosa y conveniente de explotar. Más allá de los resultados obtenidos sobre la línea principal de investigación, se obtuvieron algunos resultados secundarios de gran valor. Por un lado, se pudo demostrar que ciertas componentes de la tecnología pueden utilizarse para extender, de forma más robusta, corpus de texto con entidades y relaciones anotadas, asumiendo que se cuente con varias versiones de anotación que se quieran combinar; esta condición suele ser viable dada la existencia de competencias internacionales donde varios participantes compiten por generar la mejor solución. Muy ligado a esto, otro resultado secundario es la generación del eHealth-KD 2019 ensembled corpus a partir de ensamblar las soluciones participantes de la competencia eHealth-KD 2019. Otro resultado secundario se tiene en la componente de anotación automática de atributos protegidos, la cual puede funcionar independiente del flujo end-to-end de automatización justa, y por tanto puede utilizarse como fase de preprocesamiento para otros sistemas de cuantificación o mitigación de sesgos. En ese sentido, se publicó también el corpus Reviews' Gender} diseñado para auxiliar el entrenamiento y evaluación de modelos de anotación de atributos protegidos con el fin de usar sus predicciones como estimadores de equidad. Todos los recursos desarrollados en esta investigación están a disposición pública de la comunidad científica. / Esta investigación ha sido desarrollada de forma conjunta en la Universidad de Alicante (España) y la Universidad de La Habana (Cuba), entre enero de 2020 y septiembre de 2023, en sucesivas estancias de investigación co-financiadas por ambas instituciones. La Universidad de Alicante, el Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos ha soportado esta investigación a través de los proyectos TRIVIAL (PID2021-122263OB-C22), CORTEX (PID2021-123956OB-I00), CLEARTEXT (TED2021-130707B-I00), SOCIALTRUST (PDC2022-133146-C22), NL4DISMIS (CIPROM/2021/21) y VIVES (2022-TL22-00215334). La Universidad de La Habana, la Facultad de Matemática y Computación y el Departamento de Inteligencia Artificial y Sistemas Computacionales han soportado esta investigación.

El tema de investigación es propuesta de mejora del nivel de servicio del tránsito vehicular de la Av. Huancavelica - tramo Av. 13 de Noviembre y Paseo La Breña en la Ciudad de Huancayo. La contrastación de la hipótesis demuestra que, si existe mejora significativa en el nivel de servicio del tránsito vehicular después de implementar las propuestas asociadas en las intersecciones de la avenida Huancavelica con 13 de Noviembre, Pje. La Merced, Jr. La Merced, Jr. Santa Rosa, Jr. Ayacucho, Jr. Cuzco, Jr. Puno y Paseo la Breña. El trabajo describió el análisis de condición actual de la zona de estudio como: tipos de transporte, condiciones actuales de señalización, esquema geométrico, esquema de giros, esquema de semáforos, conteo vehicular, volúmenes y niveles de servicio que detallan el estado real de cada uno de las intersecciones. Después de obtener los datos se analizó y se evaluó con las propuestas implementadas: La primera propuesta fue en optimizar de ciclos de semáforos, la segunda propuesta fue la no inclusión de transporte de carga pesada y la tercera propuesta fue implementación de buses troncales en remplazo al transporte publico actual. Además de ello se propone implementar olas verdes. Finalmente, se redujo el nivel de servicio de estas intersecciones, pasando de un comportamiento inestable a estable, brindando comodidad al usuario. Asimismo, el tiempo de traslado mejoró en la Avenida Huancavelica desde la Avenida 13 de Noviembre hasta Paseo La Breña y viceversa, exhibiendo una mejora considerable, todo esto debido a la implementación de las propuestas asociadas, que hace que la línea tenga un flujo libre. Para el año actual y una proyección a 5 y 10 años, basándose en el crecimiento vehicular de la Provincia de Huancayo.

En aquest treball s'analitza el procés de disseny des d'una perspectiva metodològica general. Aquest enfocament condueix de forma natural al concepte de disseny òptim i a la seva formulació com un problema de Programació Matemàtica. En aquests termes es planteja la realització de l'anàlisi de sensibilitat de primer i segon ordre i es discuteix la aplicabilitat del mètode d'estat adjunt com alternativa al mètode de diferenciació directa. Amb aquests plantejaments s'aborda l'optimització de la forma i les dimensions d'estructures contínues, duent a terme l'anàlisi estructural mitjançant el Mètode d'Elements Finits. La formulació es desenvolupa completament per problemes en règim estàtic i lineal i s'indiquen les implicacions de la seva extensió a problemes no-lineals. Per la realització de l'anàlisi de sensibilitat (de primer ordre i d'ordre superior) es desenvolupa un nou procediment -exacte des del punt de vista analític i ben fonamentat matemàticament- que permet unificar els problemes clàsicament diferenciats d'optimització de dimensions i d'optimització de formes. Finalment, es proposa un algorisme de Programació Matemàtica específic per aquest tipus de problemes. Tot això es concreta en la realització d'un potent i versàtil sistema de disseny asistit per ordinador basat en el Mètode d'Elements Finits, en la que la seva eficàcia, fiabilitat i robustesa es posen de manifest mitjançant la solució de diversos problemes d'optimització estructural. / En este trabajo se analiza el proceso de diseño desde una perspectiva metodológica general. Este enfoque conduce de forma natural al concepto de diseño óptimo y a su formulación como un problema general de Programación Matemática. En estos términos se plantea la realización del análisis de sensibilidad de primer y segundo orden y se discute la aplicabilidad del método de estado adjunto como alternativa al método de diferenciación directa. Con estos planteamientos se aborda la optimización de la forma y de las dimensiones de estructuras continuas, realizando el análisis estructural mediante el Método de Elementos Finitos. La formulación se desarrolla completamente para problemas en régimen estático y lineal y se indican las implicaciones de su extensión a problemas no lineales. Para la realización del análisis de sensibilidad (de primer orden y de orden superior) se desarrolla un nuevo procedimiento -exacto desde el punto de vista analítico y bien fundamentado matemáticamente- que permite unificar los problemas clásicamente diferenciados de optimización de dimensiones y de optimización de formas. Finalmente, se propone un algoritmo de Programación Matemática específico para este tipo de problemas. Todo ello se concreta en la realización de un potente y versátil sistema de diseño asistido óptimo por ordenador basado en el Método de Elementos Finitos, cuya eficacia, fiabilidad y robustez se ponen de manifiesto mediante la solución de diversos problemas de optimización estructural. / In this work the design process is analyzed from a general methodological point of view. This approach leads naturally to the concept of optimum design and to its statement in terms of a general Mathematical Programming problem. In these terms, the first and second order sensitivity analysis is stated and the applicability of the adjoint state method as an alternative to the direct differentiation method is discussed. Following this approach the general problem of structural sizing and shape optimization is addressed, being the structural analysis performed by means of the Finite Element Method. The formulation is enterely developed for linear static problems and its further extension for the treatment of non-linear problems is briefly analyzed. A new unified procedure -exact from the analytical point of view and mathematically well founded- is proposed for the first and higher order sensitivity analysis of both, the structural sizing and shape optimization cases. Finally, a suitable Mathematical Programming algorithm is proposed to solve this kind of problems. Following all these ideas, a powerfull and versatile computer aided optimum design system is developed on the basis of the Finite Element Method. The efficiency, reliability and robustness of the system is demonstrated by solving several application problems of structural optimization.

La administración de hierro intravenoso a pacientes con deficiencia de hierro mejora la hemoglobina preoperatoria y el riesgo de transfusión en cirugías de alto riesgo hemorrágico y reduce la morbimortalidad en la insuficiencia cardíaca sintomática. En la cirugía cardíaca, el efecto de dicho tratamiento no ha sido bien analizado, a pesar de que son frecuentes tanto la deficiencia de hierro como la insuficiencia cardíaca sintomática y que la anemia preoperatoria condiciona mayor riesgo de transfusión y de forma sinérgica a esta una mayor morbimortalidad. En el Hospital Universitario del Vinalopó la cirugía cardíaca consumía más del 20% de los concentrados de hematíes transfundidos antes de la incorporación a la práctica clínica de la optimización prequirúrgica con hierro intravenoso a los pacientes con deficiencia de hierro. Además, la cirugía de sustitución valvular era la modalidad quirúrgica que más componentes sanguíneos requería, a pesar de ser menos frecuente que la cirugía de bypass coronario. Se diseñó un estudio observacional analítico retrospectivo con el objetivo de analizar el efecto que tuvo la incorporación a la práctica clínica en 2012, del tratamiento preoperatorio de la deficiencia de hierro en candidatos a sustitución valvular cardíaca electiva, tras obtener la aprobación de la Comisión de Investigación del Hospital Universitario del Vinalopó. Se analizaron las 624 sustituciones valvulares electivas consecutivas, que se realizaron a 620 pacientes desde septiembre de 2010 a diciembre de 2014. De estos pacientes intervenidos electivamente, el 62,66% presentaron deficiencia de hierro (36,0% absoluta), el 23,48% tenían anemia basal y un 83.1% insuficiencia cardíaca con clase funcional de la “New York Heart Association” (NYHA) II-IV. Se adoptaron como criterios de inclusión para el estudio de la efectividad del tratamiento de la deficiencia de hierro: pacientes >18 años, sustitución valvular electiva, deficiencia de hierro (ferritina <100μg/L o [100-299μg/L] con índice de saturación de transferrina <20%). Como criterios de exclusión se consideraron: la ausencia de estudio de anemia y perfil férrico en la visita basal en la que se estableció la indicación de la cirugía (no determinación de Hemoglobina, ferritina o saturación de la transferrina), la ausencia de determinación de Hemoglobina en las 24 horas anteriores a la cirugía, el tratamiento con 18 eritropoyetina, la administración de otra pauta de hierro intravenoso o la transfusión preoperatoria, las mujeres embarazadas y las reintervenciones de cirugía cardíaca en ocasiones sucesivas durante el periodo a estudio en pacientes con un episodio previo ya incluido en el estudio. Se identificaron 338 pacientes que cumplieron los criterios de selección, de los que un total de 191 pacientes recibieron una dosis de hierro carboximaltosa (grupo tratado) en el mes anterior a la cirugía, mientras que 147 no se trataron (grupo no tratado). Para cada uno de los dos grupos se calcularon medias y desviaciones estándar para las variables cuantitativas. Para la detección de posibles diferencias significativas en los promedios de variables de interés se utilizó la prueba t de comparación de medias o la prueba U de Mann-Whitney en función del tamaño de la muestra y la distribución de los datos. En el caso de las variables cualitativas se obtuvieron frecuencias y porcentajes y se utilizaron las pruebas Ji-cuadrado o prueba exacta de Fisher cuando fue necesario. Para determinar potenciales diferencias significativas en la variación de determinadas variables resultado (cuantitativas) en dos instantes de tiempo (ej. Valor basal vs Valor previo a la cirugía) se utilizó, según las características de la variable y el tamaño muestral la prueba t para muestras apareadas o la prueba por rangos de Wilcoxon. Para el análisis de la posible asociación entre las variables de interés (incluida la variable grupo) y el incremento de hemoglobina, la anemia preoperatoria, el incremento del filtrado glomerular, la transfusión, el número de concentrados de hematíes transfundidos, la estancia hospitalaria o en la Unidad de Cuidados Intensivos, reingreso y morbimortalidad se emplearon modelos de regresión logística multivariante, regresión ordinal multivariante (comprobando previamente la hipótesis de líneas paralelas) y regresión lineal múltiple dependiendo de las características de la variable y ajustando por diversas variables sociodemográficas y clínicas. En todos los casos las variables se introdujeron en el modelo de forma progresiva, analizando los cambios en cada paso, así como los posibles efectos de interacción. La menor hemoglobina basal del grupo tratado (12,96±1,39 vs 13,59±1,45 g.l-1, p<0.005), no impidió que el tratamiento aumentara significativamente la proporción de pacientes sin anemia preoperatoria (79.1% vs 63.3%) (odds ratio para la mejora, 0.456; 95% intervalo de confianza [CI], 0,281 a 740; P<0.001), gracias al incremento significativo de la hemoglobina (odds ratio 8,075; 95% CI, 5,198 a 10,953; P<0.001). Ese efecto positivo fue evidente en 19 pacientes con deficiencia funcional de hierro y sin anemia basal, si bien fue aún más marcado en aquellos con deficiencia absoluta y anemia basal. La mejora significativa de la hemoglobina preoperatoria y el filtrado glomerular preoperatorio (odds ratio para la mejora, 2.515; 95% intervalo de confianza [CI], -0.436 a 5.466; P 0.095), se asoció a una significativamente menor proporción de pacientes con anemia preoperatoria, que se acompañó de una reducción del riesgo de transfusión (odds ratio para la mejora, 0.424; 95% intervalo de confianza [CI], 0.258 a 0.696; P 0.001) y del número de concentrados de hematíes transfundidos. Además, se comprobó que, en pacientes con deficiencia de hierro, la ausencia de anemia basal no aseguró una hemoglobina óptima que evitara la anemia en el momento de la cirugía. Por otra parte, no se detectó un efecto del tratamiento sobre la morbimortalidad, si bien el número de éxitos fue muy reducido. La administración de una sola dosis de hierro carboximaltosa a pacientes con deficiencia de hierro con o sin anemia fue segura y no produjo un mayor riesgo de infección ni de otros efectos secundarios graves. La corrección de la deficiencia de hierro es un objetivo terapéutico independiente, en la mejora preoperatoria del paciente y en la optimización de la transfusión en la sustitución electiva de válvula cardíaca.

[EN] The identification process of the parameters of a nominal model and its uncertainty, when it is used for Robust Control, is known as Parametric Robust Identification (RI). A possible approach to RI, which is appropriate when noise statistical properties unknown and/or model error invalidate statistical approaches, is the deterministic one (Set Membership Estimation). This deterministic approach assumes that identification error (IE), differences between the simulated outputs of the model and the measured outputs of the process, although unknown, will be bounded. Therefore, the objective is to estimate the parameters set of a model which keeps the identification error bounded by a certain norm and bound. This set is known as the feasible parameter set (FPS). For linear in their parameters models, the FPS is, if it exists, a convex polytope. In nonlinear models, the polytope can be non-convex even disjoint. In this thesis a RI methodology, which permits to estimate any kind of FPS in nonlinear models when IE is bounded by several norms simultaneously, is presented. This methodology converts the RI problem into a multimodal optimization problem with optimal global infinities, which constitute the FPS. For its optimization a specific evolutionary algorithm e-GA has been developed, to characterize the FPS by means of a discrete set of models FPS^* adequately distributed along the FPS. The methodology comes accompanied by a procedure that makes easy the determination of bounds, associated to the norms of the IE, in order to guarantee an FPS\neq\emptyset. For that, the Pareto Front information, which is obtained by means of minimization norms of the IE in a multobjective context is used. To solve the multobjective problem an evolutionary algorithm e-MOGA has been developed. In addition, a nominal model of restricted interpolated projection which belongs to the FPS is proposed. It is optimal in both identification and estimation errors in the parameter space. The RI of three nonlinear models, with real data, is presented as application examples of the proposed methodology: a thermal process, a model which shows the blockage that produces a given drug on the ionic currents of a cardiac cell and a greenhouse climate model (temperature and humidity) with roses hydroponic crop. / [ES] Al proceso de identificación de los parámetros de un modelo nominal y su incertidumbre para su utilización en Control Robusto se le conoce como Identificación Robusta Paramétrica (IR). Un posible enfoque para abordar la IR, que resulta apropiado cuando el desconocimiento de las propiedades estadísticas del ruido y/o la dinámica no modelada invalidan los enfoques estocásticos, es el determinístico (Set Membership Estimation). Este enfoque asume que el error de identificación (EI), diferencia entre las salidas medidas de proceso y las simuladas del modelo, aunque es desconocido, está acotado. De ahí que, bajo este enfoque, se persiga la determinación del conjunto de parámetros que consiguen mantener el EI acotado para una determinada norma y cota. Dicho conjunto es conocido como el conjunto de parámetros factibles (FPS). Cuando el modelo es lineal respecto de sus parámetros, el FPS, si existe, es un politopo convexo. En modelos no lineales dicho politopo puede ser no convexo e incluso inconexo. En esta tesis se presenta una metodología de IR que permite determinar FPS, de cualquier tipo, en modelos no lineales cualesquiera, acotando el EI simultáneamente mediante varias normas. La metodología transforma el problema de IR en un problema de optimización multimodal con infinitos óptimos globales, los cuales constituyen el FPS. Para su optimización se ha desarrollado un algoritmo evolutivo (EA) específico e-GA, que caracteriza el FPS mediante un conjunto discreto de modelos FPS* adecuadamente distribuido a lo largo del FPS. La metodología viene acompañada de un procedimiento que facilita la determinación de las cotas, asociadas a las normas que acotan el EI, para asegurar que FPS no se aun conjutno vacío. Para ello, se utiliza la información que genera el frente de Pareto resultante de la minimización simultánea de las normas mediante una optimización multiobjetivo.Para resolver este problema de optimización se ha desarrollado el algoritmo evolutivo e-MOGA. Adicionalmente, se propone como modelo nominal un modelo de proyección interpolada restringida que, pertenenciendo al FPS, resulta óptimo respecto del error de identificación y respecto del error de estimación en el espacio de parámetros. Como ejemplos de aplicación de la metodología propuesta se presenta la IR, con datos reales, de los parámetros de tres modelos no lineales: un sistema térmico, un modelo que refleja el bloqueo que produce un determinado fármaco sobre las corrientes iónicas de una célula cardíaca y el modelo climático de un invernadero (temperatura y humedad) con cultivo hidropónico de rosas. / [CA] Al procés d'identificació dels paràmetres d'un model nominal i la seua incertesa per a la seua utilització en Control Robust se'l coneix com a Identificació Robusta Paramètrica (IR). Un possible enfocament per a abordar l'IR, que resulta apropiat quan el desconeixement de les propietats estadístiques del soroll i/o la dinàmica no modelada invaliden els enfocaments estocàstics, és el determinístic (Set Membership Estimation). Aquest enfocament assumeix que l'error d'identificació (EI), diferència entre les eixides mesurades del procés i les simulades del model, encara que és desconegut, està acotat. Davall aquest enfocament, es persegueix la determinació del conjunt de paràmetres que aconsegueixen mantenir l'EI acotat per a una determinada norma i cota. Dit conjunt és conegut com el conjunt de paràmetres factibles (FPS). Quan el model és lineal respecte dels seus paràmetres, el FPS, si existeix, és un politop convex. En models no lineals dit politop pot ser no convex i fins i tot inconnex. En aquesta tesi es presenta una metodologia d'IR que permet determinar FPS, de qualsevol tipus, en models no lineals qualsevol, acotant l'EI simultàniament mitjançant diverses normes. La metodologia transforma el problema d'IR en un problema d'optimització multimodal amb infinits òptims globals, els quals constitueixen el FPS. Per a la seua optimització s'ha desenvolupat un algoritme evolutiu (EA) específic e-GA, que caracteritza el FPS mitjançant un conjunt discret de models FPS^* adequadament distribuït al llarg del FPS. La metodologia ve acompanyada d'un procediment que facilita la determinació de les cotes, associades a les normes que acoten l'EI, per a assegurar que FPS\neq\emptyset. Per a això, s'utilitza la informació que genera el front de Pareto resultant de la minimització simultània de les normes mitjançant una optimització multiobjetiu. Per a la resoldre, el problema multiobjectiu s'ha desenvolupat l'algoritme evolutiu e-MOGA. Addicionalment, es proposa com a model nominal un model de projecció interpolada restringida que, pertanyent al FPS, resulta òptim respecte de l'error d'identificació i respecte de l'error de estimació en l'espai de paràmetres. Com a exemples d'aplicació de la metodologia proposada es presenta l'IR, amb dades reals, dels paràmetres de tres models no lineals: un sistema tèrmic, un model que reflecteix el bloqueig que produeix un determinat fàrmac sobre els corrents iònics d'una cèl·lula cardíaca i el model climàtic d'un hivernacle (temperatura i humitat) amb cultiu hidropònic de roses. / Herrero Durá, JM. (2006). Identificación Robusta de Sistemas no Lineales mediante Algoritmos Evolutivos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/131396

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis explora enfoques innovadores para la optimización estructural, abarcando una variedad de algoritmos de optimización comúnmente utilizados en el campo. Se centra específicamente en la optimización de forma (SO) y la optimización de topología (TO). La primera contribución de esta tesis gira en torno a garantizar y mantener un nivel deseado de precisión durante todo el proceso de TO y la solución propuesta. Al establecer confianza en los componentes sugeridos por el algoritmo de TO, nuestra atención puede centrarse en la siguiente contribución. La segunda contribución de esta tesis tiene como objetivo establecer una comunicación efectiva entre los algoritmos de TO y SO. Para lograr esto, nuestro objetivo es convertir directamente la distribución óptima de materiales propuesta por el algoritmo de TO en geometría. Posteriormente, optimizamos la geometría utilizando algoritmos de SO. Facilitar una comunicación fluida entre estos dos algoritmos presenta un desafío complejo, que abordamos proponiendo una metodología basada en aprendizaje automático. Este enfoque busca extraer un número reducido de modos geométricos que pueden servir como parametrización para la geometría, lo que permite su optimización mediante algoritmos de SO. Por último, la tercera contribución recoge algunas de las ideas previas y las lleva un paso hacia delante. La metodología propuesta tiene como objetivo derivar nuevos componentes a través de enfoques basados en el conocimiento existente en lugar de depender únicamente de procesos de TO basados en la física. Sostenemos que este conocimiento se puede obtener del histórico de diseños empleados por una determinada empresa, ya que retienen un valioso conocimiento inmaterial. Esta metodología también se basa en algoritmos de aprendizaje automático, pero también consideramos técnicas para analizar datos de alta dimensionalidad y estrategias de interpolación más adecuadas. / [CA] Aquesta tesi explora enfocaments innovadors per a l'optimització estructural, abastant una varietat d'algorismes d'optimització comunament utilitzats en el camp. Se centra específicament en l'optimització de forma (SO) i l'optimització de topologia (TO). La primera contribució d'aquesta tesi gira entorn de garantir i mantenir un nivell desitjat de precisió durant tot el procés de TO i la solució proposada. En establir confiança en els components suggerits per l'algorisme de TO, la nostra atenció pot centrar-se en la següent contribució. La segona contribució d'aquesta tesi té com a objectiu establir una comunicació efectiva entre els algorismes de TO i SO. Per a aconseguir això, el nostre objectiu és convertir directament la distribució òptima de materials proposta per l'algorisme de TO en geometria. Posteriorment, optimitzem la geometria utilitzant algorismes de SO. Facilitar una comunicació fluida entre aquests dos algorismes presenta un desafiament complex, que abordem proposant una metodologia basada en aprenentatge automàtic. Aquest enfocament busca extreure un nombre reduït de maneres geomètriques que poden servir com a parametrització per a la geometria, la qual cosa permet la seua optimització mitjançant algorismes de SO. Finalment, la tercera contribució recull algunes de les idees prèvies i les porta un pas cap endavant. La metodologia recomanada té com a objectiu derivar nous components a través d'enfocaments basats en el coneixement existent en lloc de dependre únicament de processos de TO basats en la física. Sostenim que aquest coneixement es pot obtenir de l'històric de dissenys emprats per una determinada empresa, ja que retenen un valuós coneixement immaterial. Aquesta metodologia també es basa en algorismes d'aprenentatge automàtic, però també considerem tècniques per a analitzar dades d'alta dimensionalitat i estratègies d'interpolació més adequades. / [EN] This thesis explores innovative approaches for structural optimization, encompassing a variety of commonly used optimization algorithms in this field. It specifically focuses on shape optimization (SO) and topology optimization (TO). The first contribution of this research revolves around ensuring and maintaining a desired level of accuracy throughout the TO process and the proposed solution. By establishing confidence in the suggested components of the TO algorithm, our attention can then shift to the subsequent contribution. The second contribution of this thesis aims to establish effective communication between TO and SO algorithms. To achieve this, our goal is to directly convert the optimal material distribution proposed by the TO algorithm into geometry. Subsequently, we optimize the geometry using SO algorithms. Facilitating seamless communication between these two algorithms presents a non-trivial challenge, which we address by proposing a machine learning-based methodology. This approach seeks to extract a reduced number of geometric modes that can serve as a parameterization for the geometry, enabling further optimization by SO algorithms. Lastly, the third contribution builds upon the previous idea, taking it a step forward. The proposed methodology aims to derive new components through knowledge-based approaches instead of relying solely on physics-based TO processes. We argue that this knowledge can be acquired from the historical designs employed by a given company as they retain invaluable immaterial know-how. This methodology also relies on machine learning algorithms, but we also consider techniques for analyzing high-dimensional data and more suitable interpolation strategies. / The authors gratefully acknowledge the financial support of Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport, Generalitat Valenciana, project Prometeo/2016/007, Prometeo/2021/046 and CIAICO/2021/226. Ministerio de Economía, Industria y Competitividad project DPI2017-89816-R and Ministerio de Educación FPU16/07121. / Muñoz Pellicer, D. (2024). Development of Hybrid Optimization Techniques of Mechanical Components Employing the Cartesian Grid Finite Element Method [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202661 / Compendio