Ingeniería

Señales Prometedoras en INGENIERÍA

Methodology for Designing Type-2 Fuzzy sets from Experts Opinions

Contexto: Existe una creciente necesidad de procesar la información proveniente del lenguaje humano, la cual incluye incertidumbre, con el fin solucionar problemas definidos en un determinado contexto. Método: Empleamos conjuntos difusos Tipo-2 a fin de representar y cuantificar el lenguaje humano, para lo cual presentamos una serie de aspectos metodológicos para su diseño. La propuesta se compone de tres actividades clave: (1) determinar la etiqueta lingüística(palabra), (2) definir su función de pertenencia y (3) recolectar la información desde los expertos. Resultados: Se aplica y valida la propuesta en un escenario real basado en conjuntos triangulares a través de la comparación de dos grupos de expertos. Se modela, procesa y analiza la información de entrada permitiendo hacer un manejo adecuado a la incertidumbre implícita en sus opiniones. Conclusiones: La metodología propuesta es aplicable a diferentes situaciones, donde múltiples sujetos expresan su opinión o percepción que manifiestan al rededor de determinado problema.

Context: There is a need for processing information coming from human like language that includes uncertainty in order to solve problems defined in that context. Method: We use Type-2 fuzzy sets for defining and measuring human like language, so we propose a methodology for designing them. The proposal is composed by three key steps:(1) defining a linguistic label (word), (2) defining its membership function, and (3) collecting information from experts. Results: The proposal is applied and validated in a real scenario based on triangular fuzzy sets through two different groups of experts. We present a proposal to model, process and analyze input information coming from experts that allows to do an appropriate handling of uncertainty present in people perceptions. Conclusions: The proposed methodology is applicable to different problems where different people express their opinions and/or perceptions about a specific problem.

Nie-Tan Method and its Improved Version: A Counterexample

Context: The bottleneck on interval type-2 fuzzy logic systems is the output processing when using Centroid Type-Reduction + Defuzzification (CTR+D method). Nie and Tan proposed an approximation to CTR+D (NT method). Recently, Mendel and Liu improved the NT method (INT method). Numerical examples (due to Mendel and Liu) exhibit the NT and INT methods as good approximations to CTR+D. Method: Normalization to the unit interval of membership function domains (examples and counterexample) and variables involved in the calculations for the three methods. Examples (due to Mendel and Liu) taken from the literature. Counterexample with piecewise linear membership functions. Comparison by means of error and percentage relative error. Results: NT vs. CTR+D: Our counterexample showed an error of 0:1014 and a percentage relative error of 30:53%. This is respectively 23 and 32 times higher than the worst case obtained in the examples. INT vs. CTR+D: Our counterexample showed an error of 0:0725 and a percentage relative error of 21:83%. This is respectively 363 and 546 times higher than the worst case obtained in the examples. Conclusions: NT and INT methods are not necessarily good approximations to the CTR+D method.

Contexto: El cuello de botella en sistemas de lógica difusa tipo-2 de intervalo es el procesamiento de salida que usa reducción de tipo centroide + defusificación (método CTR+D). Nie y Tan propusieron una aproximación a CTR+D (método NT). Recientemente, Mendel y Liu mejoraron la propuesta (método INT). Ejemplos debidos a Mendel y Liu exhiben a NT e INT como buenas aproximaciones a CTR+D. Método: Normalización al intervalo unitario de los dominios de las funciones de pertenencia (para ejemplos y contraejemplo) y de las variables que intervienen en los cálculos de los tres métodos. Ejemplos tomados de la literatura (debidos a Mendel y Liu). Contraejemplo con funciones de pertenencia lineales por tramos. Comparación por medio de métricas de error y porcentaje de error relativo. Resultados: NT vs. CTR+D: El contraejemplo mostró un error de 0.1014 y error relativo porcentual de 30.53%. Esto es respectivamente 23 y 32 veces mayor que el peor caso obtenido en los ejemplos. INT vs. CTR+D: El contraejemplo mostró un error de 0.0725 y error relativo porcentual de 21:83%. Esto es respectivamente 363 y 546 veces mayor que el peor caso obtenido en los ejemplos. Conclusiones: NT e INT no son necesariamente buenas aproximaciones al método CTR+D.

A Methodological Proposal to Measure the Impact of Electric Vehicles on the Electric Grid

Context: Based on the projected trend of electric vehicles and charging stations, it is necessary to study how is the interaction between these new elements and the electrical network. For this, a review of literature on the impact of electric vehicles on the distribution networks, with reference to countries like Spain, Chile and Co-lombia was made. Method: Possible circuits that can be impacted by electric vehicles and the impact of different modes of transport in the electrical power quality, by simulations in MATLAB tool was determined. The information used for this research was obtained from various systems of enterprise management, the official website of the secretariats of mobility and UPME, research of domestic and foreign universities,Internet pages manufacturers of electric vehicles and charging stations, and IEEE standards, among others. Results: A series of stages, steps, activities, outputs and responsible was obtained, associated with electric models, for determining in an orderly manner, the impact of different modes of electrical transport in both the chargeability of the distribution system, and the quality of the energy at any point in the network. Also, a use case for a city in which enough information from their electrical circuits and location of possible installation sites of charging stations be taken validated. Conclusions: From the perspective of the application of the methodology in a use case, these results will determine how to adapt and change the infrastructure of the power grid sector companies, where there is a massive incursion of different modes of electric transportation.

Contexto: Partiendo de las expectativas de evolución del vehículo eléctrico y las estaciones de recarga, se hace necesario estudiar cómo será la interacción entre estos nuevos elementos y la red eléctrica. Con este propósito se realizó una revisión de literatura acerca del impacto de los vehículos eléctricos en las redes de distribución, tomando como referencia países como España, Chile y Colombia. Método: Se establecieron los posibles circuitos susceptibles de ser impactados por los vehículos eléctricos y se determinó el impacto de los diferentes modos de transporte eléctrico en la calidad de la energía, mediante simulaciones realizadas en la herramienta MATLAB. La información que sirvió para hacer este trabajo de inves-tigación se obtuvo de varios de los sistemas de gestión de la empresa, de las páginas oficiales de las secretarías de movilidad y de la UPME, trabajos de investigación de universidades nacionales y extranjeras, páginas de internet de fabricantes de vehículos eléctricos y de estaciones de carga y estándares de IEEE, entre otros. Resultados: Se obtuvo una serie de etapas, pasos, actividades, salidas y responsables, asociados con modelos eléctricos, que permiten determinar de una manera ordenada el impacto de los diferentes modos de transporte eléctrico, tanto en la cargabilidad del sistema de distribución, como en la calidad de la energía en cualquier punto de la red. Asimismo, se validó un caso de uso para una ciudad en laque se tuviera información suficiente de sus circuitos eléctricos y de ubicación de posibles sitios de instalación de electrolineras. Conclusiones: Desde la perspectiva de la aplicación de la metodología en un caso de uso, estos resultados permitirán determinar cómo debe adaptarse y cambiar la infraestructura de la red eléctrica de las empresas del sector, cuando haya una incursión masiva de los diferentes modos de transporte eléctrico.

Performance of the Sewage Treatment Plant of São João de Iracema (Brazil)

Contexto: Algunos de los más importantes parámetros medidos en las plantas de tratamiento de aguas residuales -PTAR- son: materia orgánica, sólidos y organismos fecales. El objetivo de este trabajo fue realizar el diagnóstico del desempeño de la PTAR de São João de Iracema en la remoción de dichos parámetros. Método: Se realizó un estudio batimétrico de las lagunas anaerobia y facultativa; se monitorearon el afluente y efluente de la PTAR en tres temporadas climáticas diferentes, cada una con duración de tres meses, por medio de la medición de oxígeno disuelto, pH, temperatura, DBO, DBO filtrada, DQO, sólidos y coliformes. Resultados: Se registraron acumulaciones de lodos del 1,3 y 6,5%del volumen de las lagunas anaerobia y facultativa; la remoción media de DBO fue del 73,6%, inferior al 80% recomendado por la legislación brasilera; la cantidad media de coliformes fecales en el efluente final fue de 9,55*106/100mL, que superó el máximo permitido de 1000/100mL. Conclusiones: La PTAR necesita implementar un sistema de pos-tratamiento que garantice remoción adicional de materia orgánica y coliformes para ajustar el efluente a la normatividad ambiental.

Context: Some of the most important parameters measured in the sewage treatment plant -STP- are: organic matter, solids and faecal organisms. The objective of this work was to diagnose the performance of São João de Iracema STP for those parameters removal. Method: A batimetric survey of the anaerobic and facultative lagoons; the STP influent and effluent monitoring in three different climate seasons of 3-month long each were conducted by dissolved oxygen, pH, temperature, BOD, filtered BOD, COD, solids and coliforms measuring. Results: Sludge accumulations of 1.3 and 6.5% in the anaerobic and facultative lagoons were registered; average BOD removal was of 73.6%, smaller than the 80% recommended by Brazilian legislation; the average faecal coliform number on final effluent was of 9.55*106/100mL, above the per-missible limit of 1000/100mL. Conclusions: The STP needs to set-up a post treatment system that guarantees additional organic matter removal and fecal coliforms in order to adjust the effluent quality to the environmental legislation standards.

Local and Global Path Generation for Autonomous Vehicles Using Splines

Context: Before autonomous vehicles being a reality in daily situations, outstanding issues regarding the techniques of autonomous mobility must be solved. Hence, relevant aspects of a path planning for terrestrial vehicles are shown. Method: The approached path planning technique uses splines to generate the global route. For this goal, waypoints obtained from online map services are used. With the global route parametrized in the arc-length, candidate local paths are computed and the optimal one is selected by cost functions. Results: Different routes are used to show that the number and distribution of waypoints are highly correlated to a satisfactory arc-length parameterization of the global route, which is essential to the proper behavior of the path planning technique. Conclusions: The cubic splines approach to the path planning problem successfully generates the global and local paths. Nevertheless, the use of raw data from the online map services showed to be unfeasible due the consistency of the data. Hence, a preprocessing stage of the raw data is proposed to guarantee the well behavior and robustness of the technique. Keywords: Path planning, Spline, Arc-length, Curvilinear space.

Contexto: Antes que los vehículos autónomos sean una realidad en situaciones cotidianas temas pendientes de las técnicas de movilidad autónoma deben ser resueltos. Por eso, en este artículo es presentado una técnica de planeamiento de trayectorias para vehículos terrestres. Método: La técnica de planeamiento de trayectorias utiliza splines para generar la ruta global. Para eso, se utilizan puntos obtenidos por servicios en línea de mapas digitales. Sobre esta ruta global, parametrizada por el arco de la distancia, son generadas rutas locales y seleccionada una trayectoria optima por diferentes funciones de costo. Resultados: Diferentes rutas de pruebas se utilizan para mostrar que el número y la distribución de los puntos de la ruta global están altamente correlacionados con una parametrización exitosa en el arco de la distancia de las splines, lo cual es esencial para un correcto funcionamiento de la técnica de planeamiento de trayectorias. Conclusiones: El enfoque splines cúbicas al problema de planificación de trayectoria generó correctamente las trayectorias globales y locales. Sin embargo, el uso de los datos en bruto de los servicios de mapas en línea demostró ser inviable debido a inconsistencia de algunos datos. Por lo tanto, se propone una etapa de preprocesamiento de los datos en bruto para garantizar la robustez de la técnica.

A Compressive System Matrix Design in Spectral Imaging by a Homogenization Algorithm

Context: Compressive spectral imaging systems (CSI) use a focal plane array (FPA) to measure twodimensional (2D) coded projections of a three-dimensional (3D) spatiospectral scene. A reconstruction algorithm based on compressive sensing theory exploits the projections to retrieve the underlying 3D scene. Compressive sensing relies on two principles: Sparsity and incoherence. Higher incoherence drives to better-reconstructed image quality. In CSI systems, a random design of the coded apertures elements guarantees a high incoherence between the sensing matrix and the representation basis. However, when a coded aperture is designed completely random, it is possible that some voxels not be sensed at all or they be sensed more than once. Method: This paper presents a random algorithm for a colored coded apertures design by homogenizing defined parameters of the colored coded aperture snapshot spectral imaging system (C-CASSI) representative matrix. Homogenization parameters guarantee that all voxels are sensed at least once. The homogenization is achieved by weighting the selected parameters of the matrix, in this case, the average of unblocking elements per column and the average of unblocking elements per row. Results/Conclusions: Simulations show a higher performance in the PSNR of the reconstructed images by using the proposed approach, as compared to traditional random coded apertures.

Contexto: Los sistemas de muestreo compresivo de imágenes espectrales (CSI, por su sigla en inglés) cuentan con una matriz de plano focal (FPA) para medir proyecciones codificadas bidimensionales (2D) de una escena espacio-espectral de tres dimensiones. Un algoritmo de reconstrucción basado en la teoría de muestreo compresivo aprovecha las proyecciones para recuperar la escena 3D. La teoría de muestreo compresivo se basa en dos principios: dispersión e incoherencia. Un alto grado de incoherencia conduce a mayor calidad en las reconstrucciones. En los sistemas CSI, un diseño aleatorio de las aperturas codificadas asegura una alta incoherencia entre la matriz de muestreo y la base de representación dispersa. Sin embargo, si un código de apertura se diseña completamente aleatorio es probable que algunos voxeles no sean muestreados en absoluto, o, por el contrario, que la información sea muestreada redundantemente. Método: Este artículo presenta un algoritmo aleatorio para el diseño de las aperturas codificadas de color por medio de la homogeneización de los parámetros de la matriz representativa del sistema de muestreo de imágenes espectrales basado en aperturas codificadas de color (C-CASSI, por su sigla en inglés). Los parámetros de homogeneización garantizan que todos los voxeles sean muestreados al menos una vez. La homogeneización se logra mediante la ponderación de algunos parámetros de la matriz representativa, en este caso, el promedio de elementos de paso por columnas y por filas. Resultados/Conclusiones: Las simulaciones muestran que usando el método propuesto se obtiene una mejora en la calidad en términos de PSNR con las imágenes reconstruidas en comparación con las aperturas aleatorias tradicionales.

Adaptive Beamforming for Moving Targets Using Genetic Algorithms

Context: This works investigates the use of Genetic Algorithm (GA) for beamforming on a Code Division Multiple Access (CDMA) environment under different Signal-to-Noise Ratios (SNR), assuming a reference signal is known. Method: The GA is a method inspired in evolutionary principles to optimize an objective function by choosing the best candidates of a population. The population is randomly generated to ensure high diversity and get a global optimization. On the other hand, the Least Means squares (LMS) algorithm is an adaptive algorithm with guaranteed convergence as long as a reference signal is known. Results: The GA converged faster than the LMS in all tested scenarios. Besides, GA achieved best results in pointing the beam for uncorrelated static sources. Additionally, proper tuning of GA parameters allowed fast convergence and improved tracking of moving targets. Conclusions: The simulation results confirm that the GA is able to obtain a convergent and accurate tool for beamforming and tracking of moving targets, given a reference signal. Hence, GA turns to be promising in replacing LMS on Smart Antenna Systems for increasing channel capacity.

Contexto: En este trabajo se investiga el uso de un Algoritmo Genético (GA) para la conformación del haz de un arreglo de antenas en ambientes de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) bajo diferentes relaciones SeËnal a Ruido, asumiendo que la seËnal de referencia es conocida. Método: El Algoritmo Genético es un método inspirado en principios evolutivos, usado para optimizar una función objetivo seleccionando los mejores candidatos de una población. La población es generada aleatoriamente para asegurar alta diversidad y conseguir una optimación global. Por otro lado, el algoritmo LMS es un algoritmo que garantiza la convergencia siempre y cuando la seËnal de referencia sea conocida. Resultados: El GA converge más rápidamente en que el algoritmo LMS en todos los escenarios probados. Además, el GA consiguió mejores resultados apuntando el haz para fuentes estáticas descorrelacionadas. Adicionalmente, una apropiada selección de los parámetros del GA permite una mayor velocidad de convergencia y un mejorado rastreamiento de fuentes en movimiento. Conclusiones: Los resultados de las simulaciones confirman que el GA es una herramienta capaz de obtener una convergencia y precisión en la conformación del haz y el rastreamiento de fuentes en movimiento dada una seËnal de referencia. Por lo tanto, el GA resulta prometedor para sustituir el algoritmo LMS en sistemas de antenas inteligentes y aumentar la capacidad del canal.

A Comparison Between the Centroid and the Yager Index Rank for Type Reduction of an Interval Type-2 Fuzzy Number

Context: There is a need for ranking and defuzzification of Interval Type-2 fuzzy sets (IT2FS), in particular Interval Type-2 fuzzy numbers (IT2FN). To do so, we use the classical Yager Index Rank (YIR) for fuzzy sets to IT2FNs in order to find an alternative to the centroid of an IT2FN. Method: We use a simulation strategy to compare the results of the centroid and the YIR of an IT2FN. This way, we simulate 1000 IT2FNs of the following three kinds: gaussian, triangular, and non symmetrical in order to compare their centroids and YIRs. Results: After performing the simulations, we compute some statistics about its behavior such as the degree of subsethood, equality and the size of the Footprint of Uncertainty (FOU) of an IT2FN. A description of the obtained results shows that the YIR is less wide than centroid of an IT2FN. Conclusions: In general, YIR is less complex to obtain than the centroid of an IT2FN, which is highly desirable in practical applications such as fuzzy decision making and control. Some other properties regarding its size and location are also discussed.

Contexto: Hay una necesidad por defuzzificar y rankear Conjuntos Difusos Tipo-2 de Intervalo(IT2FS), en particular Números Difusos Tipo-2 de Intervalo (IT2FN). Para ello, usamos el Índice de Yager (YIR) para conjuntos difusos aplicado a IT2FNs con el fin de encontrar una alternativa al centroide de un IT2FN. Método: Usamos una estrategia de simulación para comparar los resultados del centroide y del YIR de un IT2FN. Así pues, simulamos 1000 IT2FNs de cada uno de los siguientes tres tipos: gausianos, triangulares y asimétricos para comparar sus centroides y YIRs. Resultados: Después de realizar las simulaciones, se calculan algunas estadastísticas de su comportamiento como el grado de cobertura y de igualdad relativas del YIR respecto al centroide así como el tamaño de la Huella de Incertidumbre (FOU) de un IT2FN. La descripción de los resultados obtenidos muestra que el YIR es menos amplio que el centroide. Conclusiones: En general, el YIR es menos complejo de obtener que el centroide de un IT2FN, lo cual es altamente deseable en aplicaciones prácticas como toma de decisiones y control. Otas propiedades relacionadas con su tamaño y ubicación también son discutidas.

A Hybrid Mixed-Integer Optimization and Clustering Approach to Selective Collection Services Problem of Domestic SolidWaste

Context: Waste generation is causing profound negative impacts on our natural environment. Because of that, processes related to waste collection, transportation, transformation and final disposal have increased its importance and major efficiencies are is desirable. We propose a Mixed Integer Programming model and clustering approach for waste collection and transportation process. Method: An optimization model, inspired on Bogotá context is proposed, to maximize the amount of waste collected, considering real-life aspects of this activity in the city. For large instances in which there is a big computational cost, we proposed an alternative solution of two stages, firstly a clustering step and then a routing step. Results: In small instances of up to 1453 collection sites grouped in 13 blocks and 51 corners, the model result in an overall collection covering of 100%. For large instances, there are variations between the results of each clustering method. The results suggests that the sweep algorithm is better to clustering the collection sites. Conclusions: Our proposed model is able to find a solution the waste collection problem in Bogota case considering the vehicle capacity, maximum workday duration and the planning horizon of two days according with the collection process in Bogota. We test three clustering methods in order to group the collection sites and to reduce the complexity of the problem, and then we solve the model using a commercial solver. For the small instances, our model run very fast but in the large in-stances the computational time was increased. Future work will focus in the validation and search of solution methods improving the performance with the proposed model.

Contexto: La generación de residuos está causando profundos y negativos impactos en nuestro ambiente. Por esto, procesos relacionados con la recolección, el transporte, la transformación y la disposición final de residuos han ganado importancia y se propende a su eficiencia. Un modelo de programación entera mixta y de agrupación es propuesto para los procesos de recolección y transporte de residuos. Método: Se propone un modelo de optimización, inspirado en el contexto de Bogotá, cuyo objetivo es maximizar la cantidad de residuos recolectados teniendo en cuenta las características reales de esta actividad en la ciudad. Para instancias grandes en las que el costo computacional es muy alto, se proponen una alternativa de solución de dos etapas, clusterizar primero y rutear después. Resultados: En pequeñas instancias de hasta 1453 puntos de recolección agrupados en 13 bloques y 51 esquinas, nuestro modelo logró el cubrimiento total de la recolección. Para grandes instancias, existen variaciones entre los resultados de cada método de agrupación. Conclusiones: Nuestro modelo propuesto es capaz de encontrar una solución al problema de recolección de residuos en caso de Bogotá considerando la capacidad de los vehículos, la duración máxima de una jornada de trabajo y el horizonte de planificación de dos días de acuerdo con el proceso de recolección de Bogotá. Probamos tres métodos de agrupación para agrupar los sitios de recolecci ón y para reducir la complejidad del problema, y luego se resuelve el modelo usando un paquete comercial. Para instancias pequeñas, nuestro modelo es rápido, pero en grandes instancias se aumenta el tiempo de cálculo. Los trabajos futuros se centrarán en la bÃºsqueda y validación de métodos con el propósito de encontrar aquel que tenga un mejor desempeño con el modelo propuesto.