Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

A baseline for context-aware system for safety messages dissemination in VANETs

ABSTRACT Vehicular ad-hoc networks (VANETs) are mobile networks with highly dynamic contexts of operation. The design and application of context-aware systems could be critical to enhance the performance of protocols deployed in VANETs, which depend on both network and traffic conditions, to detect hostile communication environments, as well as to offer a novel way to make decisions in real-time. In this paper, we present a baseline study for the design of a context-aware system for dissemination of safety messages in VANETs. We model a realistic vehicular intersection and perform extensive simulations to evaluate two well-known dissemination mechanisms, namely the Slotted 1-persistence and the Traffic Adaptive Data Dissemination (TrAD) Protocol, with a set of parameters according to different operation scenarios. We show how the dissemination mechanisms’ performance could be improved, or worsened, by choosing a different set of parameter values. By characterizing the operation scenarios, it is possible to adequate the parameters of the dissemination mechanism with the values that work best in a given context, improving in this way the general performance of the dissemination mechanisms under study.

RESUMEN Los sistemas sensibles al contexto poseen un alto potencial para ser ser utilizados en redes móviles, pues, el contexto en el que operan es altamente dinámico. En particular, las redes vehiculares ad-hoc (VANETs, por su sigla en inglés) se desenvuelven en escenarios donde los sistemas sensibles al contexto podrían ser claves para mejorar el rendimiento de los protocolos que dependen de las condiciones de red y tráfico, para detectar entornos de comunicación hostiles, así como también para ofrecer una forma novedosa de tomar decisiones en tiempo real. En este artículo presentamos el estudio de una línea de base para el diseño de un sistema sensible al contexto para la diseminación de mensajes de seguridad en VANETs. Se modela de manera realista una intersección vehicular y se simulan extensivamente dos mecanismos de diseminación bien conocidos; el Slotted 1-persistence y el Traffic Adaptive Data Disemination (TrAD) Protocol, con conjuntos de parámetros según diferentes escenarios de operación. Los resultados demuestran cómo el rendimiento de los mecanismos de diseminación podría mejorar o empeorar al elegir un conjunto diferente de valores de parámetros. Al caracterizar los escenarios de operación acertadamente, es posible adecuar los parámetros de un mecanismo de diseminación con los valores que funcionan mejor en un contexto dado, mejorando de esta manera el desempeño general de los mecanismos estudiados.

Benefits of demands control in a smart-grid to compensate the volatility of non-conventional energies

ABSTRACT Uruguay is a leader in the usage of renewable energies, getting 96% of its electricity from an assorted assemble of such sources with an increasing percentage of non-conventional energies, of wind power mostly. As clean and financially stable as they are, non-conventional energies have weaknesses. Unlike thermic and most hydro-sources, wind and solar energies are not controllable,are intermittent and uncertain some hours ahead, complicating the short-term operation and maintenance of electrical systems. This work explores how to use smart-grids capabilities to adjust electricity demand as a hedge against novel short-position risks in the Uruguayan electricity market coming from the volatility of non-conventional renewables. This approach uses combinatorial optimization dispatch models to quantitatively assess benefits resulting from having demand control. Results show that for the Uruguayan context, the benefits are not only due to savings in production costs (generation). Smart-grid optimal dispatch-schedules are also less stressing regarding the operation of the grid itself.

RESUMEN Uruguay es líder en el uso de energías renovables, atendiendo el 96% de su demanda eléctrica con una mezcla de fuentes de este tipo, con crecimiento sostenido de renovables no-convencionales, de energía eólica fundamentalmente. Aunque limpias y ajenas a los vaivenes financieros, las no-convencionales presentan debilidades. A diferencia de las térmicas e hidráulicas, las energías eólica y solar no son controlables, son intermitentes e inciertas en las horas próximas, complicando la planificación, operación y mantenimiento al corto-plazo del sistema eléctrico. Este trabajo explora cómo usar las capacidades de los smart-grids para ajustar la demanda de electricidad, creando una cobertura contra esas nuevas posiciones de riesgo al corto-plazo en el mercado eléctrico uruguayo provenientes de la volatilidad de las renovables no-convencionales. La aproximación usa modelos de optimización combinatoria del despacho para cuantificar los beneficios resultantes del control de la demanda. Los resultados muestran que para el contexto Uruguayo, los beneficios no sólo provienen de los ahorros en producción (generación). La planificación óptima del despacho en smart-grids también resulta menos estresante para la operación de la misma red.

Doppler spectrum measurements of vehicular radio channels using a narrowband sounder

ABSTRACT This paper describes the implementation of a narrowband sounder for Doppler power spectrum (DPS) measurements of vehicular communication channels. The narrowband channel sounder is implemented using general purpose equipment, making such measurement platform easy to replicate for didactic and research purposes. To demonstrate the practical value of this framework, a measurement campaign was conducted to obtain empirical information about the spectral characteristics of vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) multipath radio channels in the 700 MHz band. The collected data were processed to compute the average Doppler shift and the Doppler spread of the measured channels. The obtained results show that the spectral properties of frequency-dispersive vehicular radio channels can be effectively analyzed using narrowband sounding principles.

RESUMEN Este trabajo describe la implementación de un sondeador de banda angosta para mediciones de espectro de potencia Doppler (EPD) de canales de comunicación vehicular. El sondeador de canal de banda angosta es implementado usando equipo de propósito general, por lo que esta plataforma de medición puede ser reproducida fácilmente para propósitos de docencia e investigación. Para ejemplificar el funcionamiento de la plataforma, se llevó a cabo una campaña de mediciones del EPD de canales de comunicación de vehículo a vehículo (V2V, por sus siglas en inglés) y de vehículo a infraestructura (V2I, por sus siglas en inglés) en la banda de 700 MHz. Los datos recolectados fueron procesados para obtener los momentos estadísticos relevantes del EPD de los canales medidos, es decir, el desplazamiento Doppler promedio y la dispersión Doppler. Los resultados obtenidos muestran que las características espectrales de los canales de comunicación vehicular con dispersión en frecuencia pueden ser investigadas usando principios de sondeo de banda angosta.

Towards the design and implementation of a Smart City in Bogotá, Colombia

ABSTRACT With the aim of improving the citizens quality of life; the study, design and development of smart cities have been worked in different parts of the world and Colombia is not excluded. Accordingly, this document presents the advances in the implementation of a platform prototype for joining smart developments in some universities from Bogotá-Colombia. First of all, some aspects to consider in the development of a Smart City are presented. Later, the importance of virtual environments and noise studies, the drain gratings to avoid flooding by rain and the use of the bicycle as an alternative means of transport is also shown.

RESUMEN El estudio, diseño y desarrollo de ciudades inteligentes con el objetivo de mejorar la calidad de vida de los ciudadanos se ha venido trabajando en varias partes del mundo y Colombia no es ajena a esta realidad. Es por eso por lo que en este documento se presentan los avances obtenidos en la implementación de un prototipo de plataforma para articular desarrollos inteligentes en algunas universidades de la ciudad de Bogotá-Colombia. En primera medida, se presentan aspectos a considerar en el desarrollo de una ciudad inteligente. Para terminar, también se trata la importancia de los entornos virtuales y estudios de ruido, rejillas de sumidero para evitar las inundaciones por lluvia y el uso de la bicicleta como medio alternativo de transporte aplicados bajo el concepto de ciudades inteligentes.

Dynamic minimum spanning tree construction and maintenance for Wireless Sensor Networks

ABSTRACT In a Wireless Sensor Network (WSN), finding the optimal route from each node to the sink is not a straightforward task because of the distributed and dynamic characteristics of the network. For instance, the network suffers frequent changes because the channel quality varies over time and the nodes can leave or join the network at any moment. In order to deal with this variability, we propose the Dynamic Gallager-Humblet-Spira (DGHS) algorithm that builds and maintains a minimum spanning tree for distributed and dynamic networks, and we have found that DGHS reduces the number of control messages and the energy consumption, at the cost of a slight increase in the memory size and convergence time. This paper presents a detailed description of the different stages of the DGHS algorithm (neighbor discovery, tree construction and data collection), an in-depth analysis of extensive results that validates our proposal, and an exhaustive description of the GHS limitations.

RESUMEN En una red inalámbrica de sensores (WSN por su sigla en inglés), encontrar la ruta óptima desde cada nodo al sumidero no es una tarea sencilla debido a las características distribuidas y dinámicas de la red. Por ejemplo, la red sufre cambios frecuentes porque la calidad del canal varía con el tiempo y los nodos pueden abandonar o unirse a la red en cualquier instante. Con el objetivo de controlar esta variabilidad, proponemos el algoritmo dinámico Gallager-Humblet-Spira (DGHS) que construye y mantiene un árbol de expansión mínima para redes dinámicas y distribuidas, y hemos encontrado que DGHS reduce el número de mensajes de control y el consumo de energía, a costa de un ligero aumento en el tamaño de la memoria y el tiempo de convergencia. Este artículo presenta una descripción detallada de las diferentes etapas del algoritmo DGHS (descubrimiento de vecinos, construcción del árbol y recopilación de datos), un análisis profundo de un conjunto extenso de resultados que validan nuestra propuesta, y una descripción exhaustiva de las limitaciones que tiene GHS.

A bi-objective integer programming model for locating garbage accumulation points: a case study

ABSTRACT Enhancing efficiency in Municipal Solid Waste (MSW) management is crucial for local governments, which are generally in charge of collection, since this activity explains a large proportion of their budgetary expenses. The incorporation of decision support tools can contribute to improve the MSW system, specially by reducing the required investment of funds. This article proposes a mathematical formulation, based on integer programming, to determine the location of garbage accumulation points while minimizing the expenses of the system, i.e., the installment cost of bins and the required number of visits the collection vehicle which is related with the routing cost of the collection. The model was tested in some scenarios of an important Argentinian city that stills has a door-to-door system, including instances with unsorted waste, which is the current situation of the city, and also instances with source classified waste. Although the scenarios with classified waste evidenced to be more challenging for the proposed resolution approach, a set of solutions was provided in all scenarios. These solutions can be used as a starting point for migrating from the current door-to-door system to a community bins system.

RESUMEN Aumentar la eficiencia en la gestión de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) es crucial para los gobiernos municipales, que son los que generalmente se encargan de la recolección, ya que esta actividad consume un porcentaje importante de sus recursos presupuestarios. La incorporación de herramientas de apoyo a la toma de decisiones puede contribuir a mejorar el sistema de gestión de RSU, especialmente reduciendo los costos de inversión requeridos. Este artículo propone una formulación matemática, basada en programación entera, para determinar la localización de puntos de acumulación de residuos minimizando los costos del sistema, incluyendo tanto el costo de instalación de los contenedores como la cantidad de visitas necesarias del vehículo de recolección, lo cual está relacionado con los costos de la logística de recolección. El modelo se aplicó en un conjunto de escenarios reales de una importante ciudad argentina que todavía utiliza un sistema de puerta a puerta, incluyendo tanto instancias que donde los residuos son recolectados sin clasficar, como actualmente se realiza en esta ciudad, como instancias que incorporan la clasificación en origen de los mismos. A pesar de que los escenarios con clasificación en origen resultaron más desafiantes para el algoritmo de resolución propuesto, se obtuvieron un conjunto de soluciones factibles para todos los escenarios planteados. Estas soluciones pueden ser utilizadas como un punto inicial para migrar desde un sistema de puerta a puerta a uno de contenedores comunitarios.

A comprehensive review of the impact of transmission technologies on the electrical grid

ABSTRACT The electrical infrastructure needs the integration of communication technologies, and in recent decades the progress has been significant. Therefore, this work presents the latest advances in this subject, as well as new functionalities.. The work brings together the advances in automation, from the early stages to the present day. At the moment, the Smart Grid needs to use communication technologies to enable a response to demand, which will allow a different relationship between customer and company. The work presents the existing network architectures and communication protocols used in the Smart Grid. The document presents the challenges of electrical infrastructure, and shows the benefits and drawbacks of different communication technologies. In summary, the paper shows the parallel evolution of the communication technologies and the electrical grid, as a basic aspect for the development of new functionalities and services for all the agents involved in the power generation-transmission-distribution system.

RESUMEN La infraestructura eléctrica necesita la integración de tecnologías de comunicación, y en las últimas décadas el progreso ha sido significativo. Por lo tanto, este trabajo presenta los últimos avances en este tema, así como las nuevas funcionalidades. El trabajo reúne los avances en automatización, desde las primeras etapas hasta la actualidad. En este momento, Smart Grid necesita utilizar tecnologías de comunicación para permitir una respuesta a la demanda, lo que permitirá una relación diferente entre el cliente y la empresa. El trabajo presenta las arquitecturas de red existentes y los protocolos de comunicación utilizados en la red inteligente. El documento presenta los desafíos de la infraestructura eléctrica y muestra los beneficios e inconvenientes de las diferentes tecnologías de comunicación. En resumen, el documento muestra la evolución paralela de las tecnologías de comunicación y la red eléctrica, como un aspecto básico para el desarrollo de nuevas funcionalidades y servicios para todos los agentes involucrados en el sistema de generación-transmisión-distribución de energía.

Analysis and characterization of PV module defects by thermographic inspection

ABSTRACT Being able to detect, to identify and to quantify the severity of defects that appear within photovoltaic modules is essential to constitute a reliable, efficient and safety system, avoiding energy losses, mismatches and safety issues. The main objective of this paper is to perform an in-depth, onsite study of 17,142 monocrystalline modules to detect every single existing defect, classifying them in different groups, studying the variance of the same kind of defect in different modules and the patterns of each group of thermal defects. Results can be useful in a subsequent development of a software to automatically detect if a module has an anomaly and its classification. Focusing on the results obtained, all faults detected have been classified in five different thermographic defects modes: hotspot in a cell, bypass circuit overheated, hotspot in the junction box, hotspot in the connection of the busbar to the junction box and whole module overheated. An analysis of patterns of the different defects is included, studiyng location within the module, size and temperature statistical results, as average temperature, standard deviation, maximum temperature, median and first and third quartile.

RESUMEN Ser capaz de detectar, identificar y cuantificar la gravedad de los defectos que aparecen en los módulos fotovoltaicos es esencial para constituir un sistema fiable, eficiente y seguro, evitando pérdidas de energía, desajustes y problemas de seguridad. El objetivo principal de esta investigación es realizar un estudio de 17.142 módulos monocristalinos para detectar cada defecto existente, clasificándolos en diferentes grupos, estudiando la varianza del mismo tipo de defecto en diferentes módulos y los patrones de cada grupo de defectos térmicos. Los resultados obtenidos pueden ser útiles en el desarrollo posterior de un software de detección automática de anomalías en módulos y su clasificación. Atendiendo a los resultados obtenidos, los defectos detectados se han clasificado en cinco modos de fallo termográficos: sobrecalentamiento en celdas, en circuito bypass, en la caja de conexiones, en la conexión entre la barra colectora (busbar) y la caja de conexiones y en el módulo completo. Se incluye un análisis de patrones de los diferentes defectos, estudiando su ubicación dentro del módulo, tamaño y resultados estadísticos de temperatura, como temperatura promedio, desviación estándar, temperatura máxima, mediana y primer y tercer cuartil.

Scrum+: A scaled Scrum for the agile global software development project management with multiple models

ABSTRACT Nowadays, carrying out a project management is difficult in any situation, even more in global projects of software development, whose environment faces different aspects that make this type of projects even more difficult to manage, for example: lack of coordination, lack of face to face communication, temporary differences, cultural diversity and application of different standards, models and approaches. With the aim of supporting agile global software development (AGSD) project management when multiple models are present, we have defined Scrum+, which is a guide based on Scrum and defines a set of activities, tasks, roles and criteria to support AGSD projects in multimodel environments. We carried out the harmonization of agile approach Scrum along with project management practices defined in multiple models such as: ISO/IEC 15504, ISO 9001 and CMMI-DEV. Likewise, the evaluation of the proposal has been conducted through: (i) its application in a focus group with experts in different related areas and (ii) its assessment of the degree of agility by means 4-DAT method. Based on the analysis of the results and the comments obtained in the focus group, Scrum+ seems to be clear, adequate, and agile. The guide proposed here can serve as reference for studying further aspects related to agile software scaled projects.

RESUMEN Actualmente, llevar a cabo la gestión de proyectos es difícil en cualquier situación, incluso más en proyectos globales de desarrollo de software, cuyo entorno enfrenta diferentes aspectos que dificultan aún más la gestión de este tipo de proyectos, por ejemplo: falta de coordinación, falta de comunicación cara a cara, diferencias temporales, diversidad cultural y aplicación de diferentes estándares, modelos y enfoques. Con el objetivo de apoyar la gestión de proyectos de desarrollo global de software ágil (DGSA) cuando varios modelos están presentes, hemos definido Scrum+, el cual es una guía basada en Scrum y define un conjunto de actividades, tareas, funciones y criterios para apoyar proyectos DGSA en entornos de multiples modelos. Llevamos a cabo la armonización del enfoque ágil Scrum junto con las prácticas de gestión de proyectos definidas en múltiples modelos, tales como: ISO/IEC 15504, ISO 9001 y CMMI-DEV. Asimismo, la evaluación de la propuesta se realizó a través de: (i) su aplicación en un grupo focal con expertos en diferentes áreas relacionadas y (ii) su evaluación del grado de agilidad mediante el método 4-DAT. Basado en el análisis de los resultados y los comentarios obtenidos en el focus group, se puede considerar que Scrum+ es claro, adecuado y ágil. La guía propuesta aquí puede servir como referencia para estudiar otros aspectos relacionados con proyectos escalados de software ágil.

A linear regression pattern for electricity price forecasting in the Iberian electricity market

ABSTRACT The Iberian Market for Electricity resulted from a cooperation process developed by the Portuguese and Spanish administrations, aiming to promote the integration of the electrical systems of both countries. This common market consists of organised markets or power exchanges, and non-organised markets where bilateral over-the-counter trading takes place with or without brokers. Within this scenario, electricity price forecasts have become fundamental to the process of decision-making and strategy development by market participants. The unique characteristics of electricity prices such as non-stationarity, non-linearity and high volatility make this task very difficult. For this reason, instead of a simple time forecast, market participants are more interested in a causal forecast that is essential to estimate the uncertainty involved in the price. This work focuses on modelling the impact of various explanatory variables on the electricity price through a multiple linear regression analysis. The quality of the estimated models obtained validates the use of statistical or causal methods, such as the Multiple Linear Regression Model, as a plausible strategy to achieve causal forecasts of electricity prices in medium and long-term electricity price forecasting. From the evaluation of the electricity price forecasting for Portugal and Spain, in the year of 2017, the mean absolute percentage errors (MAPE) were 9.02% and 12.02%, respectively. In 2018, the MAPE, evaluated for 9 months, for Portugal and Spain equals 7.12% and 6.45%, respectively.

RESUMEN El Mercado Ibérico de Electricidad resulta del proceso de cooperación entre las administraciones de Portugal y España con el objetivo de promover la integración de los sistemas eléctricos de ambos países. Este mercado común consiste en mercados organizados o intercambios de potencia, y mercados no organizados donde el comercio bilateral de venta libre se realiza con o sin intermediarios. Dentro de este escenario, la previsión de los precios de energía ha tomado un papel fundamental en el proceso de decisión y estrategia de desarrollo para los mercados participantes. Las características de precios de energía tales como la no-estacionalidad, no linealidad y la alta volatilidad hace que este trabajo sea más complejo. Así, en lugar de una simple previsión, los participantes están más interesados en las causas, que es esencial para estimar el precio. Esta investigación analiza el impacto de variables externas en los precios de electricidad utilizando un modelo de regresión lineal. La calidad de los modelos estimados obtenidos valida el uso de métodos estadísticos o causales, como una estrategia plausible para obtener previsiones causales de los precios de la electricidad a mediano y largo plazo. A partir de la evaluación de la previsión del precio de la electricidad para Portugal y España, para el año 2017, los errores porcentuales absolutos medios (MAPE) fueron de 9.02% y de 12.02%, respectivamente. Para el año de 2018, el MAPE, evaluado para 9 meses, para Portugal y España equivale a 7.12% y 6.45%, respectivamente.

Waste generation prediction under uncertainty in smart cities through deep neuroevolution

ABSTRACT The unsustainable development of countries has created a problem due to the unstoppable waste generation. Moreover, waste collection is carried out following a pre-defined route that does not take into account the actual level of the containers collected. Therefore, optimizing the way the waste is collected presents an interesting opportunity. In this study, we tackle the problem of predicting the waste generation ratio in real-world conditions, i.e., under uncertainty. Particularly, we use a deep neuroevolutionary technique to automatically design a recurrent network that captures the filling level of all waste containers in a city at once, and we study the suitability of our proposal when faced to noisy and faulty data. We validate our proposal using a real-world case study, consisting of more than two hundred waste containers located in a city in Spain, and we compare our results to the state-of-the-art. The results show that our approach exceeds all its competitors and that its accuracy in a real-world scenario, i.e., under uncertain data, is good enough for optimizing the waste collection planning.

RESUMEN El desarrollo insostenible de los países ha creado un problema debido a la imparable generación de residuos. Más aún, la recogida de residuos se realiza siguiendo una ruta predefinida que no tiene en cuenta el nivel real de los contenedores recogidos. Por lo tanto, optimizar la forma en que se recolectan los residuos presenta una oportunidad interesante. En este estudio, abordamos el problema de predecir la tasa de generación de residuos en condiciones reales, es decir, bajo incertidumbre. En particular, utilizamos una técnica neuroevolutiva profunda para diseñar automáticamente una red recurrente que encapsula el nivel de llenado de todos los contenedores de residuos en una ciudad a la vez, y estudiamos la idoneidad de nuestra propuesta cuando nos enfrentamos a datos ruidosos y defectuosos. Validamos nuestra propuesta utilizando un caso real, que consta de más de doscientos contenedores de residuos ubicados en una ciudad de España, y comparamos nuestros resultados con el estado del arte. Los resultados muestran que nuestra propuesta supera a todos sus competidores y que su precisión en un escenario del mundo real, es decir, bajo datos inciertos, es lo suficientemente buena para optimizar la planificación de la recolección de residuos.