Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

EDITORIAL

Supply chain design using a modified IWD algorithm

ABSTRACT The Intelligent Water Drop (IWD) algorithm is inspired by the movement of real water drops in a river. A water drop could find an optimum path to a lake or sea by interacting with the conditions of its surroundings. In the process of reaching such destination, the water drops interact with the river bed while they move through it. Similarly, the supply chain problem can be modelled as a flow of supply, manufacturing, and delivery stages that must be completed to produce a finished product and then to deliver it to the end user. The problem is to select one option that carries out the stage, e.g. for a supply stage, many suppliers could supply the component represented by it. As each stage is characterised by its time and cost, multi--objective optimisation algorithm is used to minimise the time to market and production cost, simultaneously. Focusing on this analogy, this paper proposes an approach to the supply chain problem using a multi--objective extension to the intelligent water drops algorithm. Artificial water drops, flowing through the supply chain, will simultaneously minimise the production cost and the time to market of every product in a generic BOM by using the concept of Pareto optimality. A widely-used notebook supply chain in literature is solved. We provide some performance metrics of the solution and compare the Pareto set computed by the proposed algorithm with the one returned by exhaustive enumeration.

RESUMEN El Algoritmo Inteligente de Agua está inspirado en el movimiento de las gotas de agua en un río. Una gota de agua puede encontrar una ruta óptima desde un lago hacia el mar interactuando con su entorno. En el proceso de llegar a tal destino, las gotas de agua interactúan con el lecho del río mientras se mueven a través de él. Del mismo modo, el problema de la cadena de suministro puede ser modelado como un flujo de etapas de suministro, fabricación y entrega para producir un artículo terminado y luego entregarlo al usuario final. El problema es seleccionar la opción que realizará la etapa, por ejemplo en una etapa de aprovisionamiento, muchos proveedores podrían suministrar el componente. Como cada etapa tiene asociado un costo y un tiempo, un algoritmo multi-objetivo es usado para minimizar el tiempo de entrega y el costo de producción, simultáneamente. Basados en esta analogía, este trabajo propone una aproximación al problema de la cadena de suministro utilizando una extensión multi-objetivo al algoritmo de gotas de agua. Las gotas de agua artificiales que fluyen a través de la cadena de suministro minimizarán simultáneamente el costo de producción y el tiempo de entrega de cada producto utilizando el concepto de optimización de Pareto. Se soluciona una cadena de suministro de computadoras ampliamente utilizada en la literatura. Así mismo, algunas métricas de desempeño son calculadas y se compara el conjunto de Pareto calculado por el algoritmo propuesto con el obtenido por enumeración exhaustiva.

Accelerating the computation of the volume of tissue activated during deep brain stimulation using Gaussian processes

ABSTRACT The volume of tissue activated (VTA) is a well-established approach to model the direct effect of deep brain stimulation (DBS) on neural tissue. Previous studies have pointed to its potential clinical applications. However, the elevated computational runtime required to estimate the VTA with standard techniques used in biological neural modeling limits its suitability for practical use. The goal of this study was to develop a novel methodology to reduce the computation time of VTA estimation. To that end, we built a Gaussian process emulator. It combines multicompartment axon models coupled to the stimulating electric field with a Gaussian process classifier (GPC), following the premise that computing the VTA from a field of axons is in essence a binary classification problem. We achieved a considerable reduction in the average time required to estimate the VTA, under both ideal isotropic and realistic anisotropic brain tissue conductive conditions, limiting the loss of accuracy and overcoming other drawbacks entailed by alternative methods.

RESUMEN El volumen de tejido activo (VTA) es un enfoque bien establecido para modelar los efectos directos de la estimulación cerebral profunda en el tejido neuronal. Estudios previos han señalado sus posibles aplicaciones clínicas. Sin embargo, el elevado costo computacional requerido para estimar el VTA con las técnicas estándar utilizadas en el modelado neuronal biológico limita su usabilidad a nivel práctico. El objetivo de este estudio fue desarrollar una metodología novedosa para reducir el tiempo de cálculo en la estimación del VTA. Con ese fin, se construyó un emulador basado en procesos gaussianos. Este combina modelos axonales de múltiples compartimientos acoplados al campo de estimulación eléctrica con un sistema de clasificación basado en procesos gaussianos, siguiendo la premisa de que calcular el VTA a partir de un campo axonal es en esencia un problema de clasificación binaria. Se logró una reducción considerable en el tiempo promedio requerido para estimar el VTA, tanto bajo condiciones de conductividad isotrópica idealizada como bajo condiciones realistas de conductividad anisotrópica, limitando la perdida de precisión y superando otros inconvenientes presentes en métodos alternativos.

Biocompatibility of bismuth silicate coatings deposited on 316L stainless steel by sol-gel process

ABSTRACT Bismuth silicate, (BSO) thin films have been fabricated by sol-gel process. The stable sol was synthesized by using bismuth nitrate (III) pentahydrate and tetraethyl orthosilicate (TEOS). The films were deposited by spin-coating at 1500 rpm on Stainless Steel 316L. The films were characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) besides the measured of the films thickness. This study aimed to evaluate the cell adhesion and cellular proliferation of osteoblast cells on BSO thin films and substrate 316L by MTT assay. It is concluded that the growth of osteoblasts is homogeneous in the surface of the coatings indicating that the medium offered by the films does not present active cytotoxicity and exceed in large number the level of cellular growth compared to Stainless Steel.

RESUMEN Películas delgadas de silicato de bismuto (BSO) se han fabricado mediante el proceso sol-gel. El sol estable se sintetizó utilizando nitrato de bismuto (III) pentahidrato y tetraetil-ortosilicato (TEOS). Las películas fueron depositadas a 1500 rpm mediante la técnica de centrifugado. Los recubrimientos se caracterizaron por microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos-X (DRX) y se midió el espesor de las películas. El objetivo de este estudio fue evaluar la adhesión y la proliferación en células de osteoblastos, mediante el ensayo MMT, al incubarse sobre películas BSO en sustratos de 316L. Se concluyó que el crecimiento de los osteoblastos es homogéneo en la superficie de las películas, indicando que el medio ofrecido por los recubrimientos no presenta actividad citotóxica y favorece los niveles de crecimiento celular en comparación con los resultados obtenidos para los sustratos de acero inoxidable.

Influence of the molecular weight of polymer, solvents and operational condition in the electrospinning of polycaprolactone

ABSTRACT The objective of this study was to determine the influence of the molecular weight of polycaprolactone, solvents and operational conditions to obtain polymeric nanofibers by the electrospinning technique. In this study, an electrospinning equipment constructed at University was employed, in which you can control the process parameters such as voltage, deposition rate, collector distance, speed and direction of rotation of the collector. In this paper, polycaprolactone (PCL) of three different Molecular Weight (Mw=14,000 g·mol-1, Mw=45,000 g·mol-1, and Mw=80,000 g·mol-1) was used. Solvents used were Acetone and mixtures of Acetone with Acetic Acid in different ratios. The tests carried out showed that polycaprolactone of 14,000 g·mol-1did not allow getting fibers. While the tests carried out with polycaprolactone of 45,000 g·mol-1 and 80,000 g·mol-1 allowed getting fibers under the different conditions evaluated. The higher concentration of the polymer provokes the solution of the polymer does not flow through the tip of the syringe, while the low concentration of the polymer favors that the fibers break and defects appear in the film. In this study, it was found that using a voltage of 15 KV, an injection rate of 0.1 mL/h and a collector distance from 15 cm with PCL solution of 45,000 g·mol-1 at 20% in solution 1:1 of acetone and acetic acid, it was possible to obtain the highest percentage of nanofibers from all experiments (77%) with an average diameter of 88 nm.

RESUMEN El objetivo de este trabajo fue determinar la influencia del peso molecular de la policaprolactona, solventes y condiciones operacionales para obtener nanofibras poliméricas mediante la técnica de electrospinning. Para este trabajo, se utilizó un equipo de electrospinning construido en la Universidad Pontificia Bolivariana, en el cual se pudieron controlar los parámetros del proceso como el voltaje, la velocidad de deposición y la distancia del colector. Además, para este trabajo se utilizó policaprolactona (PCL) de tres pesos moleculares diferentes (Mw = 14.000 g·mol-1, Mw = 45.000 g·mol-1 y Mw = 80.000 g·mol-1). Los disolventes empleados fueron acetona y mezclas de acetona con ácido acético en diferentes proporciones. Los ensayos realizados mostraron que la policaprolactona de 14.000 g·mol-1 bajo ninguna de las condiciones evaluadas permitió obtener fibras, mientras que los ensayos realizados con policaprolactona de 45.000 y 80.000 g·mol-1 sí permitieron obtener fibras bajo las diferentes condiciones evaluadas. La mayor concentración del polímero dificulta el paso de la solución por punta de la jeringa, mientras que la baja concentración del polímero favorece que las fibras se rompan y aparezcan gotas en la película. En este estudio se encontró que, empleando un voltaje de 15 KV, un flujo de inyección de 0,1 mL/h y una distancia del colector de 15 cm para una solución de PCL de 45.000 g·mol-1 al 20% en acetona, ácido acético 1:1, se logra obtener el mayor porcentaje de nanofibras de todos los experimentos, 77% con un diámetro promedio de 88 nm aproximadamente.

Reduction of amine and biological antioxidants on NO _x emissions powered by mango seed biodiesel

ABSTRACT This study scrutinizes the influence of amine and biological antioxidants on reduction of NOx emissions in a diesel engine fueled with B100 (100vol.% mango seed methyl ester) and B20 (20 vol.% mango seed methyl ester and 80 vol.% diesel fuel blend). Three amine antioxidants, p-phenylenediamine (PPD), Ethylendiamine (EDA) and N,N’-diphenyl-1,4-phenylenediamine (DPPD) and three biological antioxidants, dichloromethane (DCM), alpha tocopherol acetate (α-T) and L-ascorbic acid (L-asc.acid) are tested in a kirloskar-make single cylinder four-stroke water cooled diesel engine of 5.9 KW rated power. There are five concentrations used in the antioxidant mixture of biodiesel blends. i.e., 0.005%-m, 0.010%-m, 0.025%-m, 0.05%-m and 0.1%-m. Where, %-m is the molar concentration employed in the antioxidant mixture. Results show that consequential reduction in NOx could be acquired by the accession of antioxidant additive DPPD with the 0.025% concentration from B20 fuel by 15.4% and B100 fuel by 39%. The DPPD additive increased the CO emissions over 7.42% for B100 fuel and 6.44% for B20 fuel. The biological antioxidant DCM exhibits 0.235 g/kWhr for B100 fuel and 0.297 g/kWhr for B20 fuel. Smoke emission is found to have increased with the addition of antioxidants. Slight increase in brake thermal efficiency (0.91%) is accomplished with the addition of antioxidants at full load. The experimental results are compared with analysis of variance and the result is merely the same as to that of experimentation.

RESUMEN Este estudio analiza la influencia de la amina y algunos antioxidantes biológicos en la reducción de las emisiones de NOx en un motor diesel alimentado con B100 (100% volumen de éster metílico de semillas de mango) y B20 (20% en volumen de semillas de mango y 80% en volumen de mezcla de combustible diesel), Se probaron tres antioxidantes de amina, p-fenilendiamina (PPD), etilendiamina (EDA) y N, N'-difenil-1,4-fenilendiamina (DPPD) y tres antioxidantes biológicos, diclorometano (DCM), acetato de alfa-tocoferol (α-T) y ácido L-ascórbico (L-asc.acid) en un motor diesel kirloskar de cuatro tiempos refrigerado por agua, 5,9 KW de potencia. Hay cinco concentraciones usadas en la mezcla antioxidante de mezclas de biodiesel. Es decir, 0,005% -m, 0,010% -m, 0,025% -m, 0,05% -m y 0,1%, valores en los cuales %-m corresponde a la concentración molar empleada en la mezcla antioxidante. Los resultados muestran que la reducción consiguiente de NOx podría ser adquirida por la adhesión de aditivo antioxidante DPPD con la concentración de 0,025% de combustible B20 en un 15,4% y combustible B100 en un 39%. El aditivo DPPD aumentó las emisiones de CO más de 7,42% para el combustible B100 y 6,44% para el combustible B20. El DCM antioxidante biológico exhibe 0,235 g/kWh para combustible B100 y 0,297 g/kWh para combustible B20. Se ha comprobado que la emisión de humo ha aumentado con la adición de antioxidantes. Un ligero incremento en la eficiencia térmica del freno (0,91%) se logra con la adición de antioxidantes a plena carga. Los resultados experimentales se comparan con el análisis de varianza y el resultado es simplemente el mismo que el de la experimentación.

Effect of surface hardness and roughness produced by turning on the torsion mechanical properties of annealed AISI 1020 steel

ABSTRACT This paper presents the results of experimental work carried out to study the influence of surface integrity, measured as hardness (HV) and roughness (Ra) on torsional properties of annealed AISI 1020 steel machined by turning using carbide insert tools. The results showed a reduction in ductility when hardness and roughness increase, caused by the plastic deformation induced after machining. It was shown that the shear yield strength increases, as a consequence of the material strengthening by work-hardening and the rise of stress concentrators. Further, the ultimate shear strength increases with surface hardness, having the opposite effect when the surface roughness caused greater stress concentration.

RESUMEN Este artículo presenta los resultados del trabajo experimental llevado a cabo para estudiar la influencia de la integridad superficial, medida como dureza (HV) y la rugosidad (Ra) en las propiedades a torsión del acero AISI 1020 recocido torneado con herramientas de corte con inserto de carburo. Los resultados mostraron una reducción de la ductilidad con el aumento de la dureza y rugosidad, causado por la deformación plástica inducida después del mecanizado. Se demostró que el límite elástico de cizalladura aumenta como consecuencia del endurecimiento del material y el incremento de concentradores de esfuerzos. Además, la resistencia máxima a la cizalladura aumenta con la dureza de la superficie, pero tiene el efecto contrario cuando la rugosidad de la superficie provoca una mayor concentración de esfuerzos.

Identification of the characteristics incident to the detection of non-technical losses for two Colombian energy companies

ABSTRACT The study of non-technical losses affecting energy trading companies has guided the researchers' perspective on different techniques and tools that allow them to detect, and why not, to forecast such losses. In the search for a solution to the problem, the different researchers rely on variables that, in many cases, the same marketing companies, from their practical experience, have been considered as incidents in the identification of the problem. However, most of the studies carried out do not support their solutions with the fact that each trading company retains particular data in which both, technical and socio-economic characteristics recorded, are not necessarily shared in their databases. In this work, we follow up on some of the characteristics registered by two Colombian energy trading companies, which serve two different regions of the country in terms of topography and idiosyncrasy. In particular, attention is focused on two characteristics measured in both companies, which by their nature, will always be on the data of any energy trading company: Consumption in kWh, and the period, measured in months. For this purpose, Benford curves analysis, MultiDimensional Scaling (MDS), and hierarchical cluster will be implemented. Finally, it will be studied if the incidence of the variables visualized in the studies presented is reflected in the decision tree model.

RESUMEN El estudio de las pérdidas no técnicas que afectan a las empresas comercializadoras de energía ha orientado la mirada de los investigadores hacia diferentes técnicas y herramientas que les permitan detectar y pronosticar dichas pérdidas. En la búsqueda de una solución al problema los diferentes investigadores se apoyan en variables que, en muchos casos, las mismas empresas comercializadoras, desde su experiencia práctica han determinado como incidentes en la identificación del problema. Sin embargo, la mayor parte de los estudios realizados no anteponen a sus soluciones el hecho de que cada empresa comercializadora registra en su conjunto de datos una serie de características, tanto técnicas como socioeconómicas, que no necesariamente comparten entre ellas. En este trabajo se hace seguimiento a algunas de las características registradas por dos empresas comercializadores de energía colombianas, las cuales atienden dos regiones diferentes del país en cuanto a topografía, e idiosincrasia. De manera particular, se centra la atención en dos características medidas en ambas empresas, y que, por su naturaleza, siempre estarán en los datos de cualquier empresa comercializadora de energía, El Consumo en kWh, y el Periodo, medido en meses. Con este propósito se implementarán análisis de curvas Benford, escalamiento multidimensional MDS, y clúster jerárquico, para finalizar estudiando finalmente si la incidencia de las variables visualizada en los estudios planteados se refleja en el modelo de árboles de decisión.

Information quality and quantity-based model to represent the appropriateness of software requirements elicitation techniques

ABSTRACT To capture information about the needs of stakeholders and the problem domain and to specify the requirements of planned software, developers can use several elicitation techniques from various sciences such as the social sciences or psychology. Each technique has different performance depending on the context in which it is applied. Therefore, to know which requirements elicitation technique is the most appropriate, it is necessary to understand the meaning of appropriate technique. Practitioners and researchers have differing views of the techniques suitability. This paper proposes a model to represent the appropriateness of elicitation techniques. The model uses an estimator calculated through the variables of requirements quantity and quality. To illustrate the proposal, it was validated with data from an experiment found in the related literature. Our work aims to unify an appropriateness construct, which can help standardize future empirical studies and thus facilitate the creation of a body of knowledge on requirements elicitation techniques.

RESUMEN Para capturar información de las necesidades de los stakeholders y del dominio del problema, y luego conformar los requisitos del software a construir, los desarrolladores tienen a disposición una miríada de técnicas de educción, provenientes de diversas ciencias como las ciencias sociales o la sicología. Por su naturaleza, cada técnica tiene un desempeño diferente dependiendo del contexto en que aplica. Por lo tanto, para saber qué técnica de educción de requisitos es la más adecuada es necesario saber qué deberíamos entender por “técnica más adecuada”. Tanto desarrolladores como investigadores, y entre investigadores, tienen visiones diferentes de la bondad de las técnicas. Este trabajo propone un modelo para representar el constructo de adecuación de las técnicas de educción. Este modelo utiliza un estimador de adecuación, el cual se calcula a través de las variables de cantidad y calidad de requisitos. El modelo propuesto fue validado con datos de un experimento encontrado en la literatura. Este modelo pretende unificar el constructo de adecuación, lo que puede contribuir a uniformar futuros estudios empíricos y así, facilitar la conformación de un cuerpo de conocimientos sobre las técnicas de educción de requisitos.

Approaching the concepts of ecosystems resilience and stability through spatiotemporal system dynamics and agent-based modelling

ABSTRACT We introduce a simplified ecohydrological model to quantitatively assess the resiliency and stability of ecosystems over long periods. The model couples a hydrological soil moisture balance with a set of spatiotemporal systems dynamics and agent-based algorithms to represent the interactions among several plant populations in a gridded area under different water, soil and temperature constraints. We characterize the plant populations by allometric rules (i.e., power laws for generational and reproductive times; linear approximations for water and temperature gains, losses and optimal values; and a set of intra and interspecific interaction rules based on high, optimal and low competition responses among the populations), that represent different plant phenotypes. We define the disturbances by a clearance of populations in an area within the model’s domain and calculate the resiliency and stability with simple indices to determine the ability of the ecosystem to recover from a disturbance. The indices evaluated on each population and over the structure of the entire ecosystem show how the populations respond differently to disturbances, following patterns similar to those expected in nature. The model can represent the spatial and temporal succession of the ecosystem after being disturbed, suggesting how the differences in the phenotypical characteristics of plant populations can be advantageous or disadvantageous for the ecosystem recovery.

RESUMEN Se presenta un modelo ecohidrológico simplificado para evaluar cuantitativamente la resiliencia y estabilidad de los ecosistemas durante largos períodos. El modelo acopla el balance hidrológico de humedad del suelo con un conjunto de dinámicas espaciotemporales de sistemas y algoritmos basados en agentes para representar las interacciones entre varias poblaciones de plantas en un área de grilla bajo diferentes restricciones de agua, suelo y temperatura. Las poblaciones de plantas se caracterizan por reglas alométricas (por ejemplo, leyes de potencia para tiempos generacionales y reproductivos; aproximaciones lineales para ganancias de agua y temperatura; pérdidas y valores óptimos; y un conjunto de reglas de interacción intra e interespecíficas basadas en respuestas de competencia altas, óptimas y bajas entre las poblaciones), que representan diferentes fenotipos de plantas. Los trastornos se determinan por una remoción de las poblaciones en un área dentro del dominio del modelo. La resistencia y la estabilidad se calculan con índices simples para determinar la capacidad del ecosistema para recuperarse de una perturbación. Los índices evaluados en cada población y sobre la estructura de todo el ecosistema muestran cómo las poblaciones responden de manera diferente a los disturbios, siguiendo patrones similares a los esperados en la naturaleza. El modelo puede representar la sucesión espacial y temporal del ecosistema después de ser perturbado, lo que sugiere que las diferencias en las características fenotípicas de las poblaciones de plantas pueden ser ventajosas o desventajosas para la recuperación del ecosistema.

Oxidative dehydrogenation of propane with cobalt, tungsten and molybdenum based materials

ABSTRACT Oxidative dehydrogenation of propane is a reliable alternative for olefins production. This paper presents the results obtained on oxidative dehydrogenation of propane by using two materials based on cobalt, tungsten, and molybdenum. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), temperature programmed reduction (TPR), thermogravimetric analysis (TGA), and differential thermal analysis (DTA). The CoMo(y material was calcined at 623 K, transforming itself to β-CoMoO4 phase (CoMo(623), the same phase is observed when the material is calcined at 873 K (CoMo(y873). CoMo(y623 showed the best performance in oxidative dehydrogenation of propane, a yield to propene of 3.4% was obtained at 623 K using a space velocity of 100 mLg-1min-1. CoWs(y was calcined at 673 K, a low crystallinity wolframite was obtained. This material has a high selectivity to propene and low yield. CoMo(y873 has a selectivity and conversion within the range of the results reported in the literature. This is a prospective catalyst for the oxidative dehydrogenation of propane; it was stable for 24 h of continuous operation at 773 K.

RESUMEN La deshidrogenación oxidativa de propano es una alternativa interesante para la obtención de olefinas. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en la deshidrogenación oxidativa de propano utilizando dos materiales a partir de cobalto, tungsteno y molibdeno. Los materiales fueron caracterizados utilizando Difracción de Rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y análisis térmico diferencial (DTA). El material CoMo(y al ser calcinado a 623 K se transforma en la fase β-CoMoO4 (CoMo(y623), la misma fase es obtenida cuando el material se calcina a 873 K (CoMo(y873). CoMo(y623 muestra un buen desempeño en la deshidrogenación oxidativa de propano, se obtuvo un rendimiento a propeno de 3,4% a una temperatura de 623 K y una velocidad espacial de 100 mL g-1 min-1. El material CoWs(y fue calcinado a 673 K, obteniéndose una fase wolframita de baja cristalinidad. Este material presenta una alta selectividad a propeno y un bajo rendimiento. CoMo(y873 presenta una buena actividad y selectividad, comparable con otros materiales reportados en la literatura, y su potencial como catalizador en la deshidrogenación oxidativa de propano se hace más evidente con la prueba que muestra ser estable durante 24 h de operación continua a 773 K.