Tesis doctoral

Degradación de contaminantes emergentes presentes en aguas reales empleando reactores solares a escala planta piloto

Los Contaminantes de Preocupación Emergente (CPEs) abarcan una amplia variedad de compuestos químicos (pesticidas, fármacos, compuestos perfluorados, etc.) que no son en la mayoría de los casos eficientemente degradados por las plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales. En este sentido, los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), representan una alternativa de depuración muy atractiva. Esta tesis doctoral propone el estudio sistemático, modelado y optimización del proceso foto-Fenton (PFF), principalmente a pH cercano a la neutralidad, utilizando Ferrioxalato como catalizador (proceso foto-Fenton/Ferrioxalato, PFF/FeOxa), aplicado a la remoción de paracetamol (PCT, modelo de contaminante) presente en medios acuosos reales, empleando reactores a escala laboratorio y planta piloto, activados con radiación artificial o solar natural. En una fase inicial de investigación, se emplearon herramientas de diseño de experimentos y superficie de respuesta para analizar la influencia de las principales variables operacionales sobre la efectividad del PFF/FeOxa. Esto es, temperatura, radiación, pH, concentración de especies activas, entre las más significativas. Posteriormente, se procedió al modelado de los PFF y PFF/FeOxa bajo diversas condiciones de reacción, empleando reactores fotoquímicos con múltiples geometrías y fuentes de radiación. Para todos los modelos desarrollados se obtuvo una correcta representación de las medidas experimentales realizadas para las principales especies reactivas presentes. Considerando que el peróxido de hidrógeno es uno de los principales reactivos químicos del PFF/FeOxa, se evaluó la intensificación del proceso empleando diversas estrategias de dosificación de agente oxidante (puntual, continua y combinaciones de ambas). Estas estrategias operativas fueron analizadas en reactores de laboratorio, y escaladas a reactores solares escala planta piloto empleando matrices acuosas reales. Se demostró la efectividad de los PFF y PFF/FeOxa estudiados en la eliminación no sólo del contaminante modelo y sus intermediarios de reacción, sino también en la reducción de la toxicidad de los efluentes tratados (Vibrio fischeri y células VERO), incluso en el tratamiento de matrices acuosas reales empleando fotorreactores activados con luz solar.

GIMÉNEZ, Bárbara Natalí

Modelado y simulación de fenómenos de flujo y transporte en medios porosos integrados a dispositivos de microfluídica

Los dispositivos de microfluídica analíticos basados en papel (μPADs) tienen numerosas ventajas: disponibilidad, bajo costo, autonomía, biocompatibilidad, compatibilidad con reacciones incluyendo especies pre-adsorbidas y potencial de empleo de electroforesis. En las etapas de diseño y optimización de estos dispositivos, son de gran utilidad las simulaciones computacionales. Las simulaciones permiten a los diseñadores de los dispositivos probar diferentes configuraciones, materiales y condiciones de operación de manera virtual, antes de pasar a la fabricación física. Esto no solo ahorra tiempo y recursos, sino que también proporciona una comprensión más profunda del comportamiento de los dispositivos en diferentes situaciones. La principal contribución de esta tesis consiste en el desarrollo, validación y publicación de varias herramientas de software numéricas de código abierto para la simulación de flujo y/o transporte en medios porosos destinadas a la caracterización de sustratos y el prototipado numérico de μPADs. Estas herramientas se pueden usar para predecir comportamientos y resultados, y así optimizar diseños sin necesidad de utilizar prototipos físicos. En conjunto con estas herramientas, se han estudiado, extendido, validado e implementado relaciones constitutivas aplicables al flujo capilar en papel. Las herramientas y modelos originales desarrollados constituyen un aporte significativo a la comunidad científico-tecnológica dedicada a esta temática, el cual se ve reflejado en las publicaciones con referato que compila esta tesis.

GERLERO, Gabriel Santiago

Diseño Computacional de Metamateriales Mecánicos en Régimen Lineal y No Lineal

En esta tesis se aborda el problema de diseño computacional de metamateriales mecánicos en régimen elástico lineal y no lineal, orientados a diversas propiedades efectivas. Los metamateriales son un tipo especial de materiales compuestos que se conciben en dos escalas de longitud bien diferenciadas. Una escala superior o macroescala, donde se manifiestan las respuestas aparentes sobresalientes y donde el material puede ser explotado para aplicaciones específicas, y una escala inferior o microescala, donde es apreciable una distribución geométrica de sus constituyentes y donde se comporta como una estructura. El estudio y diseño de metamateriales comprende, por lo tanto, el análisis de ambas escalas. En esta tesis se desarrollan diversas herramientas y estrategias numéricas que asisten al diseño topológico computacional de metamateriales mecánicos. Para demostrar la validez de estas técnicas se eligen problemas de máxima exigencia para el desempeño˜no en la microescala, lo que se entiende como comportamiento extremo de los metamateriales. En primer lugar, se propone una metodología basada en emparentar los metamateriales con cristales. Esto permite asistir la metodología de homogeneización inversa, es decir diseño de compuestos con propiedades objetivo mediante optimización topológica, con propiedades fundamentales de la física de cristales. Sobresale en este sentido la conexión entre la simetría de la microarquitectura y la simetría de la respuesta efectiva. Esta metodología es aplicada al diseño de metamateriales elásticos lineales con propiedades extremas, lo que se entiende como materiales cuyas propiedades se ubican en la frontera de lo realizable. Los resultados logrados, permiten la identificación de características geométricas clave en el desempeño˜no. Este aprendizaje conlleva a la propuesta de microarquitecturas parametrizadas basadas en las topologías optimizadas. Estos nuevos metamateriales son más simples que los originales y logran un mejor desempeño˜no efectivo. Posteriormente, se aborda el diseño de metamateriales elásticos no lineales capaces de liberar energía extrínsecamente. El objetivo buscado es encontrar microarquitecturas que maximicen la capacidad de liberar energía. El comportamiento efectivo de estos materiales es no convexo en términos de energía de deformación, por lo que no es aceptable utilizar técnicas de homogeneización tradicionales. Como primera solución, se propone un modelo subrogado que reduce considerablemente el costo computacional de la evaluación de volúmenes de muestreo que incluyen un alto número de celdas unidad. Además, se expone una concepción novedosa del análisis multiescala necesario para este tipo de metamateriales, el cual involucra la relajación de funciones de energía no convexas y establecer variables internas, y está concebido como un modelo generalizado estándar en la macroescala. Se muestran también los pasos dados en la dirección de optimizar topológicamente estos compuestos y las dificultades encontradas. Seis trabajos completos surgen como resultado de los estudios de esta tesis, cinco de ellos publicaciones en revistas y una publicación en un congreso internacional.

ROSSI CABRAL, Néstor Oscar

Evaluación del impacto de la expansión agrícola en el hidroclima del Gran Chaco

La deforestación en el sur de Sudamérica es un problema ambiental apremiante que ha persistido durante décadas, convirtiendo la región en una de las zonas más afectadas a nivel mundial. Los principales impulsores de esta deforestación son la expansión de la frontera agrícola, la cría de ganado y la tala ilegal. En particular, el Gran Chaco, una de las regiones más grandes de Sudamérica, ha sufrido niveles alarmantes de deforestación en los últimos años. Esta región es conocida por su destacada diversidad biológica, con una amplia gama de especies vegetales y animales. El Gran Chaco se divide en dos ecorregiones dominantes: el Chaco Húmedo y el Chaco Seco. De estas, el Chaco Seco es la ecorregión que ha experimentado la tasa de deforestación más significativa, lo que ha resultado en graves consecuencias ambientales. Los cambios en el uso y cobertura del suelo (LULCCs, por sus siglas en inglés) impactan tanto las condiciones del suelo como de la atmósfera que lo rodea al influir en las interacciones suelo- atmósfera. Este fenómeno es particularmente evidente en el sur de Sudamérica, donde existe un fuerte acoplamiento entre el suelo y la atmósfera que afectan las diferentes componentes del ciclo hidrológico. Cuando la vegetación natural es reemplazada por pasturas, cultivos u otros tipos de usos del suelo, se producen cambios en las propiedades biofísicas relacionadas con la vegetación, como el albedo, la resistencia estomática y la rugosidad de la superficie. Estas alteraciones, a su vez, afectan el funcionamiento del ecosistema y los flujos de agua y energía en la superficie, lo que modifica el transporte de humedad y calor en la atmósfera. Como resultado, los LULCCs inevitablemente provocan cambios en el estado del clima local, pero también pueden afectar las condiciones hidroclimáticas de regiones cercanas o distantes, por ejemplo a través de cambios en el caudal de los ríos y la dinámica atmosférica. Las profundas alteraciones en los patrones de uso del suelo han motivado esta investigación, cuyo objetivo general es explorar los LULCCs más prevalentes en el Chaco Seco desde 2001 hasta 2015 y sus impactos en el clima regional. Además, este estudio busca comprender las posibles consecuencias en el Gran Chaco de una continuidad en el avance intensivo de la frontera agrícola dentro del Chaco Seco. Para abordar las metas planteadas, se utilizó un modelo climático regional (RCM, del inglés Regional Climate Model). Los RCMs resultan la mejor herramienta para este tipo de investigación, ya que simulan las interacciones suelo-atmósfera, permitiendo investigar la respuesta atmosférica a los LULCCs. Utilizando un RCM, se realizaron experimentos de sensibilidad modificando el mapa de cobertura de suelo para simular diversos escenarios de LULCCs. Para tener en cuenta los cambios en la cobertura del suelo en las simulaciones climáticas, se incorporaron mapas de cobertura del suelo del satélite Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) en el modelo de suelo (LSM, por su sigla en inglés) acoplado al modelo climático. Estos mapas de alta resolución, están disponibles desde el 2001. La primera actividad de está investigación fue analizar el proceso de cambios de cobertura desde el 2001 hasta el 2015 a partir de los mapas de MODIS. El producto MODIS, además de la información de cobertura, brinda información sobre la incerteza/confiabilidad de los datos. Para la mayor parte del dominio, los valores de confianza son en general, superiores al 75 %. Sin embargo, la región del Chaco Seco mostró valores de confianza ligeramente más bajos (superiores al 71 %). Es importante destacar que la calidad del producto MODIS muestra una mejora a lo largo del tiempo, en particular, del período de trabajo (2001-2015). Los mapas de MODIS indican que los tipos de cobertura predominantes en el Chaco Seco incluyen sabana, sabana leñosa, bosque, pasturas, matorrales y cultivos. En tan solo quince años, entre el año 2001 a 2015, los cambios en la cobertura del suelo afectaron al 18% de todo el Chaco Seco. No obstante, las observaciones indican que las coberturas asociadas a la agricultura descaceleraron su avance a partir del 2007, probablemente debido a la implementación de la Ley Argentina Nº 26.331 para la Protección de Bosques Nativos. Por otro lado, el análisis de los cambios indica que la mayoría de los cambios observados en la cobertura del suelo entre 2001 y 2015 podrían estar relacionados con procesos de deforestación, mientras que el resto corresponde a cambios clasificados como "otros", que no necesariamente están vinculados a procesos de deforestación (por ejemplo, de pasturas a cultivos), y cambios denominados "ilógicos", que son inconcebibles en el mundo real y pueden atribuirse a errores en el proceso de clasificación aplicado por MODIS (por ejemplo, el cambio de sabana leñosa a bosque caducifolio). Luego, se realizaron tres conjuntos (ensambles) de simulaciones desde enero de 2014 hasta junio de 2016 utilizando el modelo climático regional Weather Research and Forecasting (WRF) que utiliza como LSM (del inglés, Land Surface Model) el modelo Noah Multi-Physics (Noah-MP) con el fin de investigar los efectos de los LULCCs en el Chaco Seco. En el primer ensamble se utilizó el mapa de cobertura de suelo MODIS correspondiente a 2015 (de aquí en adelante ensamble CONTROL), el segundo utilizó el mapa de 2001 (de aquí en adelante ensamble PASADO), y el tercero empleó un mapa sintético generado mediante la expansión intensiva de áreas de cultivos y pasturas observadas en el mapa del 2015 (de aquí en adelante ensamble FUTURO). Previo a la evaluación comparativa de los ensambles, se validó la capacidad de simulación de WRF comparando el ensamble CONTROL con un variado conjunto de observaciones grilladas. Esta evaluación demostró que el modelo WRF tuvo un buen desempeño para la región de interés. En particular, la precipitación simulada coincide estrechamente con las observaciones en el Gran Chaco, aunque se observan pequeños sesgos negativos en el Chaco Húmedo. La humedad del suelo en la superficie y en la zona de raíces también muestra una buena concordancia con las estimaciones satelitales, aunque se observan algunos sesgos secos en el Chaco Húmedo en consistencia con el déficit de precipitación que WRF simula en esta parte del Gran Chaco. Por último, la temperatura a 2m de altura del modelo muestra una alta correlación con las observaciones en todo el Gran Chaco. La comparación entre ensambles se focaliza en los meses de verano (DEF), período en el cual el ciclo hidrológico es más activo y las interacciones suelo-atmósfera son más evidentes, dando lugar a cambios más notorios, dada la prevalencia de dichas interacciones en esta estación. En particular, la comparación entre el ensamble CONTROL y PASADO indica que los LULCCs producidos entre el 2001 y el 2015 producen una distribución heterogénea de cambios positivos y negativos en los flujos de radiación en superficie. No obstante, los lugares donde se produjo deforestación muestran una alteración significativa de la radiación neta, el flujo de calor sensible y, en menor medida, el flujo de calor latente. Por su parte, los cambios en el calor sensible influyen en la temperatura, causando un calentamiento en las áreas deforestadas y un enfriamiento en las áreas con otros LULCCs. Estos cambios alteran el ciclo del agua, forzando condiciones generalmente más secas en el Chaco Seco. La precipitación mostró cambios localmente significativos, con disminuciones e incrementos observados en diferentes áreas. La humedad del suelo siguió el patrón de la precipitación, mostrando cambios locales netos negativos. En síntesis, los LULCCs ocurridos en los primeros quince años de este siglo condujeron a veranos más secos y calientes en el Chaco Seco. La comparación entre el ensamble CONTROL y FUTURO muestra que el avance intensivo de la frontera agrícola sobre la vegetación nativa produce una disminución general del Índice de Área Foliar (LAI, por su sigla en inglés) y un aumento en el albedo. Esto, a su vez, tiene efectos significativos en el balance de energía, reduciendo aún más la radiación neta (debido al aumento de la radiación saliente de onda corta) y debilitando los flujos en la superficie, lo que resulta en condiciones más secas, menor precipitación, humedad del suelo, evapotranspiración y escorrentía. La intensiva expansión agrícola en el Chaco Seco, no solo tiene un impacto local sino también en la región aledaña del Chaco Húmedo, donde se observa una extensión de las condiciones secas, pero con anomalías de menor intensidad. En resumen, los resultados sugieren que la deforestación continua y la expansión agrícola en la región del Chaco Seco están alterando el hidroclima regional. Estos cambios afectan tanto las áreas que presentan cambios de uso de suelo dentro del Chaco Seco, como las zonas que no modificaron su cobertura, tanto dentro del Chaco Seco, como en el Chaco Húmedo. Los cambios en las variables hidroclimáticas conducen, en términos generales, a una reducción de la precipitación, con suelos más secos y condiciones más cálidas durante los meses de veranos. Estos hallazgos enfatizan la falta de sostenibilidad de las prácticas actuales de uso del suelo en el Chaco Seco y resaltan la necesidad de una gestión sostenible del uso del suelo para preservar la integridad ecológica e hidrológica de esta región.

María Agostina BRACALENTI

Modelación hidrológica superficial en cuencas de llanura: perspectiva histórica y futura basada en un enfoque de calibración multivariable

El objetivo de esta tesis fue contribuir al conocimiento del funcionamiento hidrológico de grandes cuencas de llanura, mediante la implementación del modelo de capacidad de infiltración variable (VIC) en la cuenca de los Bajos Submeridionales, una región extensa (~54 000 km2), pobremente monitoreada hidrometeorológicamente. La región posee muy escasa pendiente y una dinámica hídrica compleja, altamente condicionada por el estado de almacenamiento antecedente, y un régimen climático de variabilidad espacial y temporal significativa. La discretización espacial fue de 5 km, y la temporal de 6 hr, otorgando al modelo una importante resolución para el análisis. La respuesta del sistema fue estudiada durante el periodo 2000-2019 y ante distintos escenarios de cambio climático en el corto y el largo plazo (2020-2100). Los datos de forzamiento meteorológico fueron obtenidos de bases de datos globales, apropiadamente evaluadas frente observaciones. La parametrización del modelo fue definida usando diversas bases de datos globales, recuperaciones satelitales, valores publicados en la literatura y datos de campo. Los parámetros más sensibles fueron calibrados en una estrategia de calibración manual multivariable, en el periodo 2016-2018, que abarcó el análisis de la humedad de suelo (HS), de la evapotranspiración real (ET) y el caudal (Q), respectivamente comparados con el Q observado en la estación de aforo a la salida de la cuenca y con estimaciones independientes de HS y ET. El modelo logra capturar las tendencias estacionales de Q, ET y HS, ocurridas en la región durante el periodo histórico. La simulación de ET es adecuada y se relaciona con el gradiente de precipitación y con el control superficial que ejercen los distintos tipos de cobertura vegetal, mientras que el Q simulado es sobreestimado. Las proyecciones muestran que a medida que aumenta el nivel de emisiones de gases de efecto invernadero se producirían periodos de crecidas y sequías más prologados e intensos, no obstante, las incertidumbres asociadas a las proyecciones del clima son significativas. Esta tesis constituye un avance en el refinamiento espacial de la modelación en la zona. Para optimizar el modelado y la gestión de los recursos hídricos en el contexto de cambio climático es necesario evaluar cuidadosamente el efecto de los sesgos e incertidumbres asociadas a los datos de forzamiento y la resolución espacial de modelación, así como la mejora de la representación de flujos laterales, la dinámica del nivel freático y de la variabilidad espacial del clima.

Espinosa Gómez, Edna Lucía

Procesamiento de señales relacionadas con patologías del sueño

Una gran porción de la población humana adulta sufre de algún trastorno del sueño, siendo el síndrome de apnea obstructiva del sueño (SAOS) uno de los que tiene mayor prevalencia. El procedimiento de diagnóstico estándar para determinar la presencia de patologías del sueño y cuantificar su severidad es la polisomnografía (PSG), un estudio en el que se registran numerosas variables fisiológicas durante el sueño nocturno en un lugar especializado para tal fin, llamado laboratorio del sueño. Este procedimiento resulta costoso, complejo y poco accesible para la población, lo que conduce a un subdiagnóstico generalizado de este tipo de patologías. Por estas razones, existe un creciente interés en reducir la necesidad de estudios de PSG para analizar el sueño del paciente, el cual se ha materializado en el desarrollo de varias propuestas cuyo objetivo es realizar un cribado de las patologías del sueño, teniendo el doble objetivo de permitir obtener un conocimiento general de su prevalencia en la población y de decidir qué porción de los sujetos atendidos necesitan realmente un estudio más complejo para ser debidamente diagnosticados. Entre las propuestas más prometedoras se encuentra la oximetría de pulso, destacándose por su bajo costo, la simpleza de su instrumentación y su accesibilidad. A partir de este dispositivo se pueden obtener estimaciones de la frecuencia cardíaca y de la saturación periférica de oxígeno en sangre que resultan particularmente útiles para numerosas patologías del sueño, teniendo además la ventaja de ser un equipamiento que interfiere mínimamente con el sueño del sujeto monitoreado. Un indicador muy importantes para evaluar en los estudios de sueño es el tiempo total de sueño (TTS). Ninguno de los métodos de cribado para patologías del sueño tienen capacidad de obtener el TTS, el cual, en estudios más complejos y en el estado del arte en general, es estimado principalmente mediante electroencefalografía. Abordando este inconveniente de los métodos de cribado, el objetivo de esta tesis es desarrollar algoritmos que permitan estimar el TTS utilizando oximetría de pulso. Varios estudios sugieren que los cambios en el sistema nervioso central durante la noche se ven reflejados en modificaciones en la dinámica de varias señales fisiológicas, entre ellas las señales cardíacas. Dado que el oxímetro de pulso provee una estimación de la frecuencia cardíaca, a través de ella se pueden registrar estos cambios y, con un procesamiento adecuado, clasificar el estado del sueño en despierto y dormido. Esto, a su vez, puede complejizarse de forma que los algoritmos ya no sólo sean capaces de diferenciar entre los estados de despierto y dormido, sino que puedan clasificar automáticamente las fases del sueño en su totalidad, las cuales proveen información fundamental en los estudios del sueño. Además, esta técnica presenta una ventaja adicional para el cribado del SAOS, una patología caracterizada por la interrupción de las vías aéreas y, asociado a ello, un descenso en el nivel de oxígeno en sangre que puede ser detectado indirectamente por el oxímetro a través de la stimación de la saturación periférica de oxígeno en sangre. Una de los indicadores más importantes para la severidad del SAOS es el índice de apnea/hipopnea (AHI, por sus siglas en inglés) que mide la frecuencia de estas interrupciones respecto al TTS. Existen varios métodos de cribado capaces de detectar estas desaturaciones, sin embargo ninguno de ellos tiene acceso al TTS. La primera contribución de esta tesis es un algoritmo basado en métodos clásicos que permite clasificar el estado del sueño en despierto y dormido utilizando la señal de frecuencia cardíaca provista por un oxímetro de pulso comercial. En este algoritmo se extrajeron 70 características mediante medidas de entropía y de complejidad, métodos para análisis del dominio de la frecuencia y del dominio tiempo-escala, así también como estadísticos clásicos. Sobre el espacio de características obtenido se realizó una reducción dimensional mediante métodos de selección. Luego, las características seleccionadas se utilizaron en dos clasificadores: uno basado en máquinas de soporte vectorial y otro basado en bosques aleatorios. Los resultados obtenidos, aunque alentadores por ser un primer trabajo, pusieron en eviencia la necesidad de desarrollar un método que tome en consideración la información del contexto para clasificar los segmentos de frecuencia cardíaca. De esta forma, y como segunda contribución, se desarrolló un método que realiza la clasificación en forma secuencial. Es decir, que la clasificación de un segmento dado dependerá de la información actual, pero también se relacionará con la información pasada y futura. La introducción de esta propiedad se logró mediante la creación de un algoritmo basado en unidades recurrentes con compuertas (GRU, por sus siglas en inglés). La arquitectura consiste en dos capas de GRU bidireccionales que clasifican el sueño en despierto y dormido. A diferencia del caso anterior, se utilizó como entrada para este algoritmo tanto la frecuencia cardíaca como la saturación de oxígeno en sangre, ambas provenientes de un oxímetro de pulso. Los resultados obtenidos por la red neuronal propuesta son comparables con algoritmos del estado del arte que utilizan señales muchísimo más informativas, con la sola excepción de los algoritmos basados en electroencefalografía. Para este algoritmo, además, presentamos una variación que permite una mayor discriminación de las fases del sueño, según se establece en los criterios de la Academia Americana de Medicina del Sueño (AASM), ampliamente aceptados en todo el mundo. Con este resultado, superamos el estado del arte de todos los métodos para cribado automático de las fases del sueño. Dada su naturaleza secuencial, las GRU tienen una serie de desventajas en lo que respecta al cálculo paralelo necesario para entrenar el algoritmo, lo que conduce a un aprendizaje muy lento y, a su vez, genera una gran demanda en la memoria computacional. Por esta razón, la tercera y última contribución de esta tesis es un método basado en mecanismos de atención que permiten superar esta desventaja, obteniendo entrenamientos hasta 10 veces más rápidos y sin una pérdida significativa de desempeño. La arquitectura de este algoritmo se compone de redes convolucionales temporales (del inglés TCN), capaces de extraer en forma automática características de la señal, que luego son procesadas mediante un tipo especial de redes neuronales que únicamente utilizan mecanismos de atención llamados transformers. A partir de estos desarrollos observamos que las redes de atención también fueron capaces de modelar las dependencias temporales presentes entre los estados de sueño despierto y dormido. El logro de una estimación confiable del TTS y de una correcta clasificación de las fases del sueño, tanto en su versión simplificada (despierto y dormido) como en su versión completa (fases del sueño según AASM), constituyen el aporte principal de esta tesis doctoral. Como cierre de esta tesis y para establecer los futuros lineamientos que continuarán estos desarrollos, realizamos un análisis preliminar de la variación del desempeño de un algoritmo de cribado del SAOS al incorporar el TTS estimado por nuestros métodos para calcular la frecuencia de los eventos respiratorios. Los resultados sugieren una leve mejora respecto a utilizar una aproximación al TTS mediante el tiempo total del registro y alientan a seguir trabajando en esta línea.

CASAL, Ramiro

Nuevos Enfoques de Aprendizaje Profundo Robustos y con Restricciones para el Análisis de Imágenes

La rápida evolución de las tecnologías de captura y procesamiento de imágenes en las últimas décadas ha desencadenado un proceso de producción masiva de datos, transformando la manera en que percibimos y utilizamos la información visual. Este cambio se ha visto impulsado en gran medida por los avances en visión computacional y aprendizaje automático, destacando especialmente el éxito alcanzado por las redes neuronales convolucionales, que han superado las capacidades humanas en diversas aplicaciones. Sin embargo, la implementación de estas tecnologías sigue presentando desafíos en cuanto a la calidad de los resultados y a su capacidad para adaptarse a condiciones cambiantes. Esta tesis seenfoca en dos aspectos clave que apuntan a superar estos desafíos: desarrollar modelos que generen resultados realistas y sean robustos frente a cambios en el dominio de los datos. En la primera parte de esta tesis, nos enfocaremos en un problema conocido como registración deformable de imágenes, de fundamental importancia especialmente en el ámbito biomédico. Aquí, la tarea consiste en alinear dos imágenes, deformando una de ellas para que se asemeje a la otra. Cuando se trata de imágenes médicas, uno de los mayores desafíos es garantizar resultados anatómicamente plausibles, en el sentido de que las deformaciones aplicadas no resulten en imágenes irrealistas donde los órganos han sido completamente deformados. Aunque las redes convolucionales han mejorado la precisión y velocidad de la registración, el realismo sigue siendo un obstáculo. En esta investigación, se propone mejorar el realismo en modelos de registración por medio de la incorporación de restricciones anatómicas durante el proceso de optimización que penalicen deformaciones que no sean consistentes con la anatomía observada en las imágenes. Otro desafío crucial es la robustez frente a los cambios de dominio, donde los modelos de aprendizaje deben adaptarse a nuevas distribuciones de datos. En la segunda parte de esta tesis, se presenta un nuevo método de generalización de dominio en el contexto de la clasificación de imágenes con redes neuronales convolucionales, que busca mejorar la robustez de los modelos frente a cambios en la distribución. Se introduce una perspectiva para el tratamiento de los gradientes en problemas de generalización de dominio, en donde la diversidad de dominios puede generar inconsistencias en el gradiente. Se presentan estrategias de acuerdo basadas en cirugía de gradientes para reducir las discrepancias entre los dominios y mejorar la capacidad de generalización del modelo a dominios nuevos. Finalmente, el último capítulo de la tesis está abocado al estudio de la relación entre cambio de dominio y sesgo en modelos utilizados para el análisis de imágenes. Dicho sesgo suele manifestarse como un rendimiento sistemáticamente dispar en distintas poblaciones. En particular, se abordan problemas con imágenes de rostros humanos e imágenes médicas, donde el cambio de dominio está relacionado a distintos grupos demográficos, y el objetivo es poder determinar cuando un modelo será propenso a sesgarse frente a grupos demográficos definidos por algún atributo en particular, como el sexo o la edad. Se aborda el escenario donde hay cambios de dominio en una población de interés y nose tienen las salidas correctas del modelo, lo que dificulta evaluar si un modelo muestra sesgos frente a determinados atributos demográficos. Para enfrentar este problema, se proponen enfoques no supervisados que evalúan conjuntos de modelos entrenados en diferentes grupos demográficos y miden las inconsistencias entre sus salidas. Esto da como resultado un índice que sirve como indicador de posibles sesgos en nuevas poblaciones de interés.

MANSILLA, Lucas Andrés

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Diseño y aplicación de estrategias de control predictivo económico - estocástico para la gestión de microrredes eléctricas

La generación del recurso eléctrico en el mundo está fuertemente ligada a la utilización de combustibles fósiles. Hace tiempo que se intentan implementar diferentes estrategias con el objetivo de reducir el consumo de este tipo de combustibles, debido principalmente a la necesidad de tratar los siguientes ítems: (i) reducir la emisión de gases que provocan el efecto invernadero y así evitar una crisis climática, (ii) proponer medios para la generación de energía, que no solamente sean libres de contaminación, sino que también su desarrollo e implementación modifiquen lo mínimo posible el ecosistema natural, (iii) dar cuenta del inevitable agotamiento de estos recursos fósiles les almacenados en la naturaleza desde hace millones de años y (iv) contemplar el continuo e intenso aumento en la demanda de energía eléctrica. Utilizar los recursos de energía renovables (RERs) como medio principal para la generación de electricidad, surge entonces como una solución concreta y eficiente para dar alcance a los puntos indicados. Entre las características a destacar de los RERs, se debe mencionar la contaminación ambiental prácticamente nula que generan, su cualidad de abundantes e ilimitados y la gran variedad de opciones existentes. Sin embargo, también presentan algunos rasgos indeseables, como su carácter intermitente y aleatorio. Es precisamente en estas características donde se centran los mayores retos tecnológicos e ideológicos para lograr su aceptación y gestión de forma eficiente y confiable. El concepto de microrred eléctrica representa una interesante herramienta para facilitar la inclusión de los RERs al sistema eléctrico como fuente de generación distribuida en pequeña y mediana escala. Una microrred es un sistema en el que coexisten fuentes de generación, medios para el almacenamiento de energía y un conjunto de cargas que representan diferentes perfiles de consumo. Pueden funcionar de manera aislada de una red eléctrica o conectada a ella, lo que habilita el intercambio del recurso energético de forma bidireccional. Debido a su concepción modular, las microrredes se consideran como unidades independientes con capacidad de autocontrol, lo que plantea importantes retos para las estrategias destinadas para este fin. Los objetivos requeridos para poder controlarlas de forma eficiente son variados (debido a que contienen dinámicas muy diferentes) y son abordados a través de estructuras jerárquicas de control, donde el nivel superior se indica como el sistema de gestión para la energía (EMS). En esta tesis se proponen y desarrollan esquemas de control para el EMS de las microrredes basado en la estrategia de control optimizante conocida como control predictivo basado en modelos (MPC). Se considerará con especial interés el modo de operación en el que las microrredes se encuentran conectadas a una red eléctrica, lo que habilita la posibilidad de que estos sistemas modulares participen como un agente activo dentro del mercado para el comercio de la energía. La primera propuesta consiste en un controlador predictivo económico (EMPCT), que cuenta con la capacidad de mantener la estabilidad y factibilidad ante posibles cambios del ´índice de desempeño establecido, lo que genera modificaciones del punto de equilibrio óptimo hacia donde el controlador debe guiar el sistema. Estas variaciones son ocasionadas por la dinámica misma de la microrred o también por cambios en los objetivos de gestión por parte de su propietario. Los índices que se proponen como funcional de costo para el problema matemático del EMPCT, consideran tantos aspectos económicos como dinámicos del sistema. Por otro lado, como en la mayoría de los problemas de control reales, las microrredes son afectadas por perturbaciones e incertidumbres, lo que acentúa el reto de poder gestionarlas bajo un criterio óptimo. Por ello, también se propone una estructura de control óptimo para poder controlar de forma eficiente este tipo de sistemas perturbados. Precisamente las perturbaciones o variables no manipuladas se corresponden con el comportamiento aleatorio de los RERs utilizados para generar electricidad y con la demanda de energía por parte de las cargas existentes en una microrred; siendo que para la implementación de las estrategias EMPCT se utilizan predicciones de estas variables a lo largo del horizonte de control establecido. Un enfoque de MPC estocástico basado en escenarios (SCMPC) en conjunto con el EMPCT ya indicado, forma parte de la estructura de control optima propuesta. Al mismo tiempo, las microrredes constituyen un eslabón crucial en el cambio de paradigma que se está experimentando para la concepción de las futuras redes eléctricas. Esta reestructuración se refiere de pasar de esquemas unidireccionales, centralizados y con centros de generación a gran escala, donde los roles de producción y consumo de electricidad están marcados, a uno descentralizado, con características bidireccionales para el comercio de energía, que permite que los usuarios pierdan su carácter pasivo de simples consumidores, y se alienta el uso de recursos renovables y sistemas en pequeña escala para la generación. Esta nueva red eléctrica, denominada red inteligente, puede definirse como una red compuesta por nodos inteligentes que pueden operar, comunicarse e interactuar en la distribución eficiente de recursos eléctricos a sus consumidores. Precisamente estos nodos o distritos energéticos son las microrredes. Frente a este nuevo escenario, se requiere desarrollar estrategias de control para estas nuevas redes inteligentes, donde se considere explícitamente la interacción entre los distintos nodos que la forman. En relación a ello, se extiende el controlador EMPCT por medio de un enfoque coalicional, al caso donde el sistema este constituido por un grupo o comunidad de microrredes, donde cada una de estas tiene su propio controlador local, lo cual nos acerca a este nuevo concepto de red eléctrica. Es interesante aclarar que una estrategia coalicional se diferencia del enfoque distribuido en que la partición del sistema (la agrupación de nodos o coaliciones) varia con el paso del tiempo, lo cual se traduce en una mejora del desempeño global para el sistema. En el controlador predictivo económico coalicional desarrollado en este documento, se utiliza la rama correspondiente a la teoría de juegos que trata con los juegos cooperativos n-personales. Este marco conceptual teórico-matemático, brinda las bases necesarias para formular un criterio de decisión para poder determinar que coalición o agrupamiento de microrredes resulta ser la mejor opción para alcanzar un objetivo prefijado. Para cada estrategia de control propuesta para el EMS de las microrredes, se han realizado diferentes simulaciones con el objetivo de mostrar su desempeño y poder analizarlas. En estas se muestra el comportamiento de los sistemas controlados, bajo la acción de las variables manipuladas generadas por los controladores óptimos desarrollados. Finalmente, se presentan las conclusiones y futuras líneas de investigación.

Alarcón, Martín Alejandro

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Desarrollo de estrategias y algoritmos de cálculo de alto desempeño para la resolución de problemas acoplados ter-fluido dinámicos de gran escala

El presente trabajo de investigación se centra en el desarrollo de estrategias y algoritmos para la resolución de problemas acoplados termo-fluido dinámicos mediante la aplicación de la técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés Computatinal Fluid Dynamics), utilizando el método de volúmenes finitos (Finite Volume Method, FVM) y técnicas de cálculo de alto rendimiento (High-performance computing, HPC). La aplicación tecnológica de dichos algoritmos se orienta hacia la mejora del desempeño térmico y fluido dinámico de un radiador de transformador de potencia, específicamente durante su funcionamiento en modo ONAN (por Oil-Natural, Air-Natural), es decir que tanto la circulación del aire entre las aletas del radiador como la circulación del aceite en los conductos de refrigeración se dan por convección natural. Los transformadores de potencia son elementos fundamentales en una red eléctrica, permitiendo la transmisión eficiente de energía eléctrica a lo largo de largas distancias y su transformación a diferentes niveles de tensión. El correcto funcionamiento de estos equipos es esencial para garantizar la confiabilidad y estabilidad del suministro eléctrico en la sociedad moderna. El radiador de un transformador de potencia, de gran altura pero con dimensiones reducidas para la circulación de aire y aceite, presenta desafíos computacionales significativos debido a la necesidad de generar mallas con una gran cantidad de celdas para una precisión adecuada. Este requisito de alta resolución conduce a un excesivo tiempo de cómputo, lo que hace impracticable buscar mejoras y proponer soluciones ingenieriles convencionales. Sin embargo, las estrategias y algoritmos desarrollados en esta investigación no solo son aplicables a los radiadores de transformadores eléctricos de potencia, sino que también tienen potencial en otras situaciones que involucren el fenómeno de transferencia de calor y geometrías con altas relaciones de aspecto, donde se requiera un análisis detallado de la interacción entre el calor y el flujo de fluidos. Esta amplia gama de aplicaciones abarca desde el sector eléctrico hasta otros campos industriales y ambientales, donde comprender en detalle la transferencia de calor y el comportamiento del flujo de fluidos es esencial. Para abordar estos desafíos, se proponen diversas estrategias y metodologías, que incluyen el tratamiento con condiciones periódicas, la implementación de fuerzas de cuerpo, la aplicación de la ley de porosidad, con el objetivo de analizar dos interfaces clave: la interfase entre la chapa del radiador y el aceite interno, y la interfase entre la chapa y el aire circulante externo. Se exploran aplicaciones prácticas, como la implementación de generadores de vórtices para la interfaz del aire y la utilización de indentaciones (estampado) en la chapa para la interfaz del aceite. Los resultados obtenidos a partir de estas propuestas se han publicado en revistas especializadas, demostrando mejoras significativas en el desempeño térmico del radiador del transformador de potencia. Además, las soluciones propuestas no presentarían obstáculos significativos ni acarrearían costos excesivos adicionales en el proceso de fabricación de los radiadores. Esta afirmación se basa en la simplicidad geométrica de las soluciones y se respalda por consideraciones de ingeniería. Esta tesis presenta una contribución significativa tanto desde una perspectiva de ingeniería práctica como en el desarrollo de estrategias numéricas avanzadas. Las estrategias propuestas, como el tratamiento de condiciones de borde periódicas con un factor de decaimiento adaptado a geometrías con alta relación de aspecto, la implementación de mallas embebidas y la inclusión de términos fuente en las ecuaciones de momento de Navier-Stokes, se han demostrado altamente efectivas en la resolución de problemas termo-fluido dinámicos en radiadores de transformadores de potencia. Estas estrategias ofrecen ventajas cuantificables, como la reducción significativa del tiempo de cálculo, un uso más eficiente de los recursos computacionales y la capacidad de predecir flujos secundarios. Esto hace que sea viable explorar y proponer soluciones ingenieriles con un enfoque más rápido y preciso. Además, es importante destacar que todas estas estrategias se implementaron en el software Code_Saturne, una plataforma de código abierto y licencia GNU-LGPL, lo que significa que están disponibles para la comunidad científica e industrial. Los detalles completos sobre la implementación y programación de estas estrategias se encuentran en la documentación del software, permitiendo su replicación y utilización por parte de otros investigadores y profesionales del campo. Esta accesibilidad y su demostrada eficacia hacen que estas estrategias sean valiosas contribuciones al avance de la simulación termo-fluido dinámica y la ingeniería de sistemas de enfriamiento.

Dorella, Jonathan Jesús

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Optimización de la cadena de suministros forestal considerando criterios ambientales

En esta tesis se aborda el diseño óptimo de la industria forestal desde un enfoque de Cadena de Suministro (CS). Éste consiste en determinar qué tipo y tamaño de plantas instalar, en qué sitio localizarlas, el flujo existente entre los diferentes elementos que componen el sistema, la cantidad de cada producto a elaborar, entre otros. En general, hasta ahora, el diseño se ha realizado con criterios económicos, por ejemplo, maximizando beneficios, sin incluir otros aspectos como aquellos vinculados al ambiente donde operan los diferentes elementos de la CS. En este sentido, esta tesis tiene como principal objetivo incluir la perspectiva ambiental en el diseño de la CS forestal con el fin de mejorar la sustentabilidad del sistema. En una primera instancia, se hace especial énfasis en el uso de residuos y subproductos generados a lo largo de los diferentes procesos de este tipo de industria, con el objetivo de aprovechar material que, en parte, se desperdicia actualmente. En una segunda instancia, en respuesta a la necesidad de generar herramientas y enfoques que permitan considerar cuestiones vinculadas al entorno de los sitios donde operan las unidades productivas de la CS, se presenta una metodología, basada en la Evaluación de Impacto Ambiental. Ésta permite tener en cuenta aspectos del medio natural y social en el diseño de la CS forestal, lo cual, en esta tesis, se realiza a partir de considerar cuestiones vinculadas con la normativa y la creación e implementación de indicadores. Por lo mencionado previamente, se trata, entonces, de un problema de toma de decisiones, donde además de considerar aspectos vinculados a los elementos de la CS, también se tienen en cuenta aquellos vinculados a su entorno. Esto se aborda mediante la programación matemática, la cual permite optimizar un sistema considerando diferentes criterios. En este sentido, si bien el enfoque económico es fácilmente tenido en cuenta en este abordaje, hay que realizar un esfuerzo significativo para incluir los aspectos del medio natural y social en un formato compatible con un modelo matemático, principalmente porque presentan un alto grado de subjetividad en su valoración y complejidad en su análisis.

Campanella, Sandra Romina