Proyectos Postgrados de Ingenierías 2017-10

PORTADA Foto del campus.

Proyecto Postgrados 2017 Graduate Projects 2017-10

Primer semestre Académico - División de Ingenierías First Academic Semester – College of Engineering

1

CUERPO DIRECTIVO BOARD OF DIRECTORS Javier Páez Saavedra Decano / Dean Amparo Camacho Diaz Directora Académica / Academic Director Humberto Gómez Vega Director de Postgrados e Investigaciones / Research and Graduate Programs Director

2

Directores de Departamento / Chairs Luis Fuentes Pumarejo: Ingeniería Civil y Ambiental / Civil and Environmental Engineering Pedro Wightman Rojas: Ingeniería de Sistemas / Systems Engineering Mauricio Pardo González: Ingeniería Eléctrica y Electrónica / Electrical and Electronics Engineering Lina Prada Angarita: Ingeniería Industrial / Industrial Engineering Habib Zambrano: Ingeniería Mecánica / Mechanical Engineering

Coordinadores de Postgrado / Graduate Coordinators Julian Arellana Ochoa: Ingeniería Civil y Ambiental / Civil and Environmental Engineering Wilson Nieto: Ingeniería de Sistemas / Systems Engineering Juan Carlos Vélez Díaz: Ingeniería Eléctrica y Electrónica / Electrical and Electronics Engineering Guisselle García Llinás: Ingeniería Industrial / Industrial Engineering Mauricio Carmona García: Ingeniería Mecánica / Mechanical Engineering

3

ÍNDICE INDEX Presentación................................................................. 5 Preface............................................................................6 Maestría en Ingeniería Industrial.......................................................7 Master in Industrial Engineering.......................................................7 Doctorado en Ingeniería Mecánica…………………………………………..32 Ph.D in Mechanical Engineering………………………………………….33 Maestría en Ingeniería Mecánica......................................................36 Master in Mechanical Engineering....................................................37 Maestría en Ingeniería Civil......................................................50 Master in Civil Engineering....................................................51 Maestría en Ingeniería Eléctrica.......................................................55 Master in Electrical Engineering.......................................................56

4

PRESENTACIÓN Tengo el placer de presentar los proyectos de Postgrados de la División de Ingenierías que fueron realizados en el Primer semestre académico de 2017. La División de Ingenierías es una de las más robustas de la Universidad del Norte: cuenta con 6 programas de pregrados, 9 maestrías, y 5 doctorados. Además, un amplio portafolio de especializaciones que son ofrecidas desde la Dirección de Especializaciones de la Universidad.

Desde 2010 los seis programas de Ingenierías: Civil, de Sistemas y Computación, Eléctrica, Electrónica, Industrial y Mecánica fueron acreditados por EAC (Engineering Accreditation Commission) de la agencia ABET Inc. (Accreditation Board for Engineering and Technology), de Estados Unidos. De esta forma, Uninorte se convirtió en la primera universidad en Colombia en obtener esta certificación y una de las cuatro en Latinoamérica. En el 2016, los seis programas de pregrado en Ingenierías fueron acreditados por segunda vez.

Los departamentos de la División de Ingeniería agrupan a 62 doctores y 29 magísteres los cuales han guiado, apoyado y estimulado el trabajo de los estudiantes. En cuanto a sus grupos de investigación, son 11, de los cuales 4 se encuentran en categoría A1, máxima distinción de Colciencias para reconocer la calidad y pertinencia investigativa de la investigación en Colombia. La investigación que desarrollan estos grupos se destaca por la innovación y la vinculación a la industria, mediante proyectos universidad & empresa, y por su pertinencia en el entorno desde el Instituto de Estudios Hidráulicos y Ambientales –IDEHA-, el Instituto de Desarrollo Sostenible y el Centro de Excelencia en Puertos, Transportes y Logística.

Cordialmente

Javier A. Páez Saavedra Decano División de Ingenierías Universidad del Norte 5

PREFACE I am pleased to present the College of Engineering Capstone Design Projects completed during 2017 first academic semester. The College of Engineering is one of the most robust colleges at the university. It offers 6 bachelor's, 9 master's and 5 doctoral Programs. Additionally, it comprises a wide portfolio of specializations, which are offered by the Graduate Specialization Office.

Since 2010, our six Engineering Programs: Civil, Electrical, Electronics, Industrial, Mechanical and Systems Engineering have been accredited by the Engineering Accreditation Commission of ABET, Inc. United States of America. In this regard, Universidad del Norte became the first University in Colombia and the fourth in Latin America to be awarded with this certificate. For second time, our six Engineering Programs were accredited in 2016.

Departments of the Engineering College group 62 professors with Doctoral Degrees and 29 with Master Degrees, who have guided, supported and encouraged the work of students. Regarding to Research Groups, there are 11 groups and 4 of them are in the A1 category, the highest distinction from Colciencias to acknowledge the quality and pertinence of research in Colombia. The research developed by these groups stands out for the innovation and proximity to the industry, with university-industry projects and the pertinence in the environment provided by the Hydraulic and Environmental Studies Institute –IDEHA-, the Sustainable Development Institute and Port, Transport and logistics Centre of Excellence.

Cordially Javier A. PĂĄez Saavedra Dean College of Engineering Universidad del Norte

6

7

MAESTRÍA EN INGENIERÍA INDUSTRIAL

MASTER IN INDUSTRIAL ENGINEERING Diseño de un modelo de reabastecimiento multi-ítem basada en colaboración, como estrategia para reducir costos de importación de cargas de comercio exterior ................ 10 Design of a multi-item inventory model based on collaboration, as strategy to reduce import costs of foreign trade freight............................................................................ 12 Diseño de un modelo dinámico de asignación de recursos públicos para la formación de capital humano demandado por sectores estratégicos en crecimiento ............................ 14 Diseño de una metodología de evaluación para el proceso de diseño y desarrollo de servicios desde la ingeniería concurrente: caso sector publicitario ................................. 16 Evaluation methodology design for the services design and development process from concurrent engineering: advertising sector case ........................................................... 17 Diseño y validación de una metodología para dimensionamiento de capacidades de flotas de transporte basada en programación dinámica ......................................................... 18 Design and validation of a methodology for fleet capacities dimensioning based on dynamic programming ............................................................................................... 19 Diseño de una metodología de monitoreo y alerta temprana para programas de cofinanciación universitaria basado en análisis prospectivo. caso de estudio: programa ser pilo paga en la universidad del norte........................................................................... 20 Design of a monitoring and early warning methodology for university co-financing programs based on prospective analysis. case study: ser pilo paga program at universidad del norte .................................................................................................................. 22 Búsqueda bayesiana bajo escenarios de desastres dinámicos ........................................ 24 Bayesian search under dynamic disaster scenarios ....................................................... 26 8

Diseño de una metodología para evaluación de accesibilidad de transporte no motorizado ............................................................................................................................... 28 Design of a methodology for evaluation of accessibility of non-motorized transport ........ 29 Implementación de rugle para resolver el problema de enrutamiento de vehículos con ventanas de tiempo duras (vrphtw] ............................................................................ 30 Rugle´s implementation for solving the vehicle routing problem with hard time windows (vrphtw) ................................................................................................................... 31

9

DISEÑO DE UN MODELO DE REABASTECIMIENTO MULTI-ÍTEM BASADA EN COLABORACIÓN, COMO ESTRATEGIA PARA REDUCIR COSTOS DE IMPORTACIÓN DE CARGAS DE COMERCIO EXTERIOR Autor: Carlos Otero Palencia Tutor: Ing. René Amaya Mier, Ph.D.

El principal objetivo de un modelo de inventario suele ser satisfacer la demanda al mínimo costo (Silver, Pyke, & Peterson, 1998). El proceso de reabastecimiento implica incurrir en 2 tipos de costos; uno por ordenar y uno por mantenimiento de inventarios (Hax & Candea, 1983). Estos elementos pueden ser a su vez subdivididos, distinguiendo algunos de naturaleza fija. Por tanto, hace sentido el reabastecimiento conjunto de múltiples ítems, permitiendo así la oportunidad de explotar economías de escala; a través del uso eficiente de los recursos y costos involucrados en el proceso. Esta oportunidad es aún más evidente cuando la reposición de productos implica procesos de importación, ya que los costes fijos relacionados con las actividades de legalización, manipulación y transporte suelen ser elevados.

Esta situación de reabastecimiento multi-producto es ampliamente conocida en la literatura como el Problema de Reabastecimiento Conjunto (JRP). Desde su aparición en los trabajos realizados por Starr, M. K., & Miller (1962), el JRP ha sido reconocido por su potencial de aplicación en escenarios reales. Diferentes soluciones y variaciones del problema han sido propuestas durante casi 5 décadas, considerando que el JRP es un problema NP-Hard (Arkin, Joneja & Roundy, 1989). El mayor esfuerzo de esta línea de investigación ha girado en torno a encontrar la solución óptima del problema, por lo que es común encontrar como propuesta de solución métodos heurísticos (Aksoy y Erenguc, 1988; Khouja & Goyal, 2008). Sin embargo, la heurística propuesta por Kaspi & Rosenblatt (1991) llamada “RAND” ha sido una de las mejores. No obstante, en esta investigación se propuso un algoritmo genético (AG) como método de solución, conociendo los resultados altamente eficientes que este tipo de heurísticas ofrece. Khouja, Michalewicz, & Satoskar (2000) demostraron para el caso irrestricto del JRP que RAND y los AG son comparables, con una 10

diferencia de apenas 0,078% siendo superior RAND. Sin embargo los AG ofrecen la oportunidad de incorporar restricciones sólo haciendo pequeñas modificaciones al algoritmo, además el tiempo computacional requerido es considerablemente bajo.

Más allá del diseño de un método de solución eficiente, la finalidad de este trabajo consiste en demostrar el gran potencial que tienen las prácticas colaborativas en la cadena de suministros para reducir costos logísticos. Por tanto, fue vital el diseño de un modelo de inventarios que representara correctamente situaciones reales, razón por la cual se realizaron extensiones del clásico JRP. Una de las principales críticas al JRP, es que ignora restricciones (Goyal, 1975). En este sentido, algunos autores han dedicado esfuerzos, dando como resultado soluciones efectivas (Hoque, 2006, Khouja et al., 2000, Moon & Cha, 2006). Por otra parte, los supuestos básicos del JRP son también cuestionables; la demanda se considera determinista, el tiempo de abastecimiento o de respuesta del proveedor (Lead time) se considera insignificante, no se permiten descuentos por cantidad y mucho menos se considera escasez. Sin embargo, en los últimos años se ha sido notorio el interés por parte de investigadores del área en el diseño de un JRP más cercano a la realidad (Taleizadeh, Samimi y Mohammadi, 2015; Ai, Zhang y Wang, 2017) En nuestro modelo, se consideró la demanda como una variable estocástica y se consideró la existencia de restricciones; como lo son la capacidad de almacenamiento y de transporte. Sin embargo, la mayor diferencia entre JRP y nuestra propuesta es el uso de prácticas colaborativas entre empresas no competidoras, quienes comparten los costos fijos inherentes al proceso de abastecimiento y espacios de bodega. Este modelo ha sido denominado como el Problema de reabastecimiento conjunto colaborativo estocástico (S-CJRP). Esta situación puede ser modelada como un juego cooperativo (teoría de juegos). La mayor dificultad en este caso, es asegurar la estabilidad coalicional, es decir, satisfacer los intereses de los jugadores simultáneamente, evitando la disolución de las coaliciones. Para solucionar este problema, se hizo uso del Valor de Shapley como mecanismo para asignar los beneficios obtenidos producto de la colaboración.

Finalmente, se desarrolló un caso de estudio en 4 empresas comercializadoras importadoras de autopartes. Se plantearon diferentes escenarios de operación para las empresas, simulando cambios en la demanda y los costos. En los escenarios positivos, las empresas lograron sacar un mejor provecho de la situación de mercado, mientras que en los escenarios negativos se obtuvo un menor impacto sobre la competitividad. Así mismo se desarrollaron 1.000 problemas distintos, demostrando ahorros potenciales en el orden del 28,7%.

11

DESIGN OF A MULTI-ITEM INVENTORY MODEL BASED ON COLLABORATION, AS STRATEGY TO REDUCE IMPORT COSTS OF FOREIGN TRADE FREIGHT Author: Carlos Otero Palencia Advisor: Ing. RenĂŠ Amaya Mier, Ph.D.

The main objective of an inventory model is usually to satisfy demand at the minimum cost (Silver, Pyke, & Peterson, 1998). The replenishment process implies to incur in 2 types of costs; a setup cost and a holding cost (Hax & Candea, 1983).

Into the former, there are elements of a fixed nature. Therefore, it makes sense to replenish jointly multiple items rather than a single. To include several items in an order allows the exploitation of economies of scale; savings could be achieved. When the supply of one or more products implies an importation, the fixed costs related to the legalization, manipulation and transport activities are usually high. Making the best use of these costs is ideal for improving the competitiveness of companies.

This type of multi-Ă­tem situation is widely recognized in the literature as the Joint Replenishment Problem (JRP). Since its appearance in the works made by Starr, M. K., & Miller (1962) the JRP has been recognized by its potential of application in real scenarios. Different solutions and variations of the problem have been proposed for almost 5 decades. However, the greatest effort has revolved around finding the optimal solution. Considering that the JRP ia a NP-Hard problem (Arkin, Joneja, & Roundy, 1989) most of the proposed solution methods have been heuristic. Aksoy & Erenguc (1988) reported a review of the literature on the methods of the solution available to that time. Subsequently, Khouja & Goyal (2008) presented a new review between 1989 and 2005, continuing the work of Aksoy & Erenguc. Within the available literature, there are some methods that stand out for their efficiency (Chakravarty, 1985; Goyal & A, 1979; Hariga, 1994; Kaspi & Rosenblatt, 1983, 1985, 1991; Klein & Ventura, 1995; Lee & Yao, 2003; Nilsson & Silver, 2007; Viswanathan, 2002, 1996). However, the heuristic proposed by (Kaspi & Rosenblatt, 1991) called RAND, has been a milestone in history. RAND is the comparison pattern of most publications that propose solution heuristics, both in restricted JRP and unrestricted versions. In our work we use algorithms genetics (GAs) which are comparable in 12

efficiency with RAND (Khouja, Michalewicz, & Satoskar, 2000). Another efficient technique available is the one proposed by Nilsson, Segerstedt, & van der Sluis (2007) who, through the use of the spreadsheet technique to solve the JRP, after a significant number of tests showed that may find better results than RAND, but is exceeded at the maximum error in large testing by 1.49%.

The present research proposes a logistics strategy that demonstrates potential to reduce the costs of supply. The main interest is to offer an inventory model close to the real problems, so are considered extensions of the classic JRP. One of the major criticisms of this problem is that it ignores important constraints such as storage, financial and transport capacity (Goyal, 1975). On this line a few works has been reports (Hoque, 2006; Khouja et al., 2000; Moon & Cha, 2006). On the other hand, the basic assumptions of the JRP are questionable; demand is considered deterministic, delivery time is insignificant, quantity discount are not allowed neither shortage. In recent years, the interest of researchers has been the design of a JRP closer to reality, just as Khouja & Goyal (2008) had supposed. In this sense, models have been proposed that give solution to situations typical of reality. Ai, Zhang, & Wang (2017) proposed a version that considers the case of perishable products, Taleizadeh, Samimi, & Mohammadi (2015), for example, Moon, Goyal, & Cha (2008) they considered that the shortage is a common problem of inventory, reason why they developed a technique to solve it and also consider temporary discounts.

In our model, we considered warehouse and transport capacity restrictions and a stochastic demand. However, the biggest difference between JRP and our proposal is the use of collaborative practices between non-competing vendors. Therefore, multiple buyers and suppliers are taken into account. This model has been called as the Stochastic Collaborative Joint Replenishment Problem (S-CJRP). This situation can be modeled as a collaborative game, and the greatest difficulty is to ensure stability among players, in other words to satisfy their interests simultaneously. On this occasion we have used the value of Shapley as a mechanism for sharing the benefits obtained through collaboration. The objective of this research is to demonstrate the potential of collaborative practices in inventories as a strategy to reduce costs. We developed 1.000 scenarios from a case study provide with numerical examples to illustrate savings from the proposed collaboration in actual inventory systems, in all cases consistently exhibiting a viable cost reduction in the order of 28,7%.

13

DISEÑO DE UN MODELO DINÁMICO DE ASIGNACIÓN DE RECURSOS PÚBLICOS PARA LA FORMACIÓN DE CAPITAL HUMANO DEMANDADO POR SECTORES ESTRATÉGICOS EN CRECIMIENTO Autor: Claudia Marcela García Pertuz Tutor: Ing. Alcides Santander Mercado, Ph.D.

El Gobierno invierte en proyectos de diferentes sectores para estimular el crecimiento económico y propender un mayor bienestar social. Estos proyectos a su vez demandan profesionales capacitados en temas relacionados. Por ejemplo un proyecto de construcción de un canal navegable, atraerá la instalación de puertos a orillas del río, los cuales van a requerir para su funcionamiento de un personal con conocimientos en servicios portuarios, seguridad, control de tráfico.

Lo ideal es que las regiones beneficiadas participen de las oportunidades laborales que se generen. Así que se identifica la necesidad de formar personas en aquellas áreas que no están disponibles en el mercado laboral de la región, para que no sea necesario traer personas de otros lugares.

Los gobiernos destinan fondos para invertir en educación en sus diferentes niveles.

Esta estrategia va enfocada a mejorar las capacidades del capital humano y elevar la productividad del país. Generalmente la financiación se ofrece mediante la figura de “becas condonables” para cubrir los costos de estudio, y una vez se culminen, pueda ser condonado según las cláusulas definidas.

Esta investigación desarrolla una metodología para abordar la planeación estratégica de la educación profesional financiada con recursos públicos. Dado que los resultados de la formación no son inmediatos es necesario planear con anticipación.

Se propone asignar los fondos para las necesidades de profesionales resultantes de los proyectos de inversión pública, con el fin de priorizar la inversión en áreas de mayor impacto. El objetivo es entregar una herramienta que sirva de soporte para las decisiones gubernamentales en la planeación de los programas de formación profesional de alto nivel.

14

DESIGN OF A DYNAMIC MODEL OF CAPITAL ALLOCATION FOR HUMAN RESOURCE EDUCATION DEMANDED BY STRATEGIC SECTORS IN GROWTH Author: Claudia Marcela GarcĂ­a Pertuz Advisor: Ing. Alcides Santander Mercado, Ph.D.

The government executes investment projects from different sectors to stimulate economic growth and promote greater social welfare. These projects require educated people on areas related to the expanding sector. For example a project to construct a waterway, will attract the installation of ports by the river, which will require for their operation and management a personnel with knowledge in inland port services, safety, traffic control.

Ideally, benefited regions should participate in the job opportunities that are generated. Hence the need to educate people in areas that are not available in the working market of the region is identified, in order to do not bring people from other places.

Governments allocate funds to invest in education at different levels. This strategy focuses on improving the capabilities of human capital and increasing the country's productivity. The financing usually is offered through the figure of "loan forgiveness programs" to cover the costs of study, and once they are completed, could be forgiven according to the defined clauses.

This research develops a methodology to approach the strategic planning of the professional education financed with public resources. Because the results of the education are not immediate, it is necessary to plan it with anticipation. It is proposed to allocate funds for the needs of professionals resulting from public investment projects, in order to prioritize investment in areas of greater impact.

The objective is to provide a support tool for government decisions in the planning of high-level professional education programs.

15

DISEÑO DE UNA METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN PARA EL PROCESO DE DISEÑO Y DESARROLLO DE SERVICIOS DESDE LA INGENIERÍA CONCURRENTE: CASO SECTOR PUBLICITARIO Autor: Dayni Mariet Reyes Sanjuan Tutor: Ing. Rita Patricia Peña, Ph.D. – Ing. Baena Niebles Ph.D.

La publicidad ha sido definida como una herramienta de comunicación que permite la entrega de mensajes controlados de forma masiva al mismo tiempo y a un bajo costo por mensaje. Las agencias de publicidad han presentado una crisis provocada por el descenso en el número de clientes que gestiona la agencia debido a la pérdida de creatividad a nivel de ideas, los procesos complejos en las interacciones entre el cliente y el proveedor, la falta de autonomía para la toma de decisiones en los procesos y excesivos métodos burocráticos. También se ha detectado que el 70% de los problemas relacionados con las artes gráficas se originan en la etapa de planeación causada por la falta de comunicación y fallas de planeación.

Por lo tanto la presente investigación presenta el diseño y validación de una propuesta metodológica para la evaluación del Proceso de Diseño y Desarrollo Publicitario (ADDP) desde la perspectiva de la Ingeniería Concurrente enmarcada bajo un enfoque de planificación estratégica. Para cumplir con tal objetivo se diseño en primer lugar un modelo para el ADDP que permite la concurrencia de actividades y con base en eso se estableció la metodología de evaluación. Producto de la metodología diseñada se realizó un instrumento de medición integrando factores organizacionales, tecnológicos, humanos, de información y de mercado que permita detectar falencias a lo largo del ciclo PHVA al momento de gestionar procesos en organizaciones en el campo publicitario, el cual fue validado en una empresa del sector en la ciudad de Barranquilla.

El proceso de validación permitió identificar fortalezas y debilidades de la herramienta diseñada en cuanto estructura conceptual, objetividad y aspectos de forma para realizar los ajustes pertinentes.

16

EVALUATION METHODOLOGY DESIGN FOR THE SERVICES DESIGN AND DEVELOPMENT PROCESS FROM CONCURRENT ENGINEERING: ADVERTISING SECTOR CASE Author: Dayni Mariet Reyes Sanjuan Advisor: Ing. Rita Patricia Peùa, Ph.D. – Ing. Baena Niebles Ph.D.

Advertising has been defined as a communication tool that allows the delivery of controlled messages massively at the same time and at a low cost per message.

Advertising agencies have experienced a crisis caused by the decline in the number of clients managed by the agency due to the loss of creativity at the level of ideas, complex processes in the interactions between the client and the supplier, the lack of autonomy for Decision-making in processes and excessive bureaucratic methods.

It has also been detected that 70% of problems related to the graphic arts originate in the planning stage caused by lack of communication and planning failures.

Therefore the present research presents the design and validation of a methodological proposal for the evaluation of the Advertising Design and Development Process (ADDP) from the perspective of Concurrent Engineering framed under a strategic planning approach. To carry out this objective, a model for the ADDP that allows the concurrence of activities was first designed, and based on that, the evaluation methodology was established. As a result of the methodology, a measurement instrument was developed integrating organizational, technological, human, information and market factors that allowed the detection of failures during the PDCA cycle when managing processes in organizations in the field of advertising, which was validated in a company of the sector in the Barranquilla city.

The validation process allowed to identify strengths and weaknesses of the tool designed from conceptual structure, objectivity and aspects of form to make the relevant adjustments.

17

DISEÑO Y VALIDACIÓN DE UNA METODOLOGÍA PARA DIMENSIONAMIENTO DE CAPACIDADES DE FLOTAS DE TRANSPORTE BASADA EN PROGRAMACIÓN DINÁMICA Autor: Fernando A. Landazury Lemus Tutor: Ing. Alcides R. Santander Mercado Ph.D.

Asegurar la inclusión de un análisis económico-operativo y que a su vez mida el impacto en la sociedad en la etapa de diseño y conformación de flotas de transporte es una fase de la planeación vital para la eficiencia de los sistemas de transporte.

Esta investigación reseña el diseño y validación de una metodología de solución al problema de dimensionamiento, mezcla y ruteo de flotas de transporte (Fleet Size and Mix Vehicle Routing Problem) dinámico multiobjeitvo.

La metodología diseñada consta de tres fases, la primera fase se fundamenta en un algoritmo genético de ordenamiento no dominado elitista (NSGA-II) que modela el problema de asignación y conformación de flotas de transporte, la estructura del cromosoma utilizado es soportado en la formulación de un problema de programación dinámica. La segunda fase evalúa las flotas asignadas con base a los objetivos de maximización de la utilidad operativa y minimización del costo de las externalidades a partir de un algoritmo de ruteo de vehículos inspirado en el mecanismo de solución del algoritmo de programación dinámica. Por último, la tercera fase avalúa las soluciones finales que conforman el frente de pareto con respecto a elementos estocásticos inherentes a la operación a través de una simulación de las condiciones operacionales de la flota de vehículos.

La validación de la metodología diseñada es realizada a partir de la aplicación de la misma como soporte al proceso de diseño de embarcaciones fluviales con operación en el río Magdalena, arrojando como solución de la operación en el río, embarcaciones de similar capacidad con respecto al modelo de síntesis usado en la actualidad y con reducciones por el orden del 4% en los costos de las externalidades del transporte.

18

DESIGN AND VALIDATION OF A METHODOLOGY FOR FLEET CAPACITIES DIMENSIONING BASED ON DYNAMIC PROGRAMMING Author: Fernando A. Landazury Lemus Advisor: Ing. Alcides R. Santander Mercado Ph.D.

Ensuring the inclusion of an economic-operational analysis and measuring the impact on society at the stage of design and conformation of transport fleets is a vital planning phase for the efficiency of transport systems.

This research reviews the design and validation of a solution methodology to the Dynamic Multiobjective Fleet Size and Mix Vehicle Routing Problem.

The design methodology consists of three phases, the first one is based on an elitist non-dominated genetic algorithm (NSGA-II) that models the fleet composition, the structure of the chromosome used is supported in the formulation of a dynamic programming problem. The second phase evaluates the chromosomes based on the objectives of maximizing operating profit and minimizing the cost of externalities from a vehicle routing algorithm inspired by the solution mechanism of the dynamic programming algorithm. Finally, the third phase evaluates stochastic elements inherent to the operation in Pareto solutions through a simulation of the operational conditions of the fleet.

The validation of the methodology is carried out from the application as a support to the process of design of fluvial vessels with operation in Magdalena River, throwing boats of similar capacity with respect to the synthesis model used today and with reductions in the order of 4% in the costs of transport externalities.

19

DISEÑO DE UNA METODOLOGÍA DE MONITOREO Y ALERTA TEMPRANA PARA PROGRAMAS DE COFINANCIACIÓN UNIVERSITARIA BASADO EN ANÁLISIS PROSPECTIVO. CASO DE ESTUDIO: PROGRAMA SER PILO PAGA EN LA UNIVERSIDAD DEL NORTE Autor: Carolina Mariño Manrique Tutor: Ing. Ángel Gonzázlez Ariza, Ph.D.

El programa Ser Pilo Paga brinda a estudiantes de escasos recursos la oportunidad de estudiar en universidades acreditadas, de manera gratuita. Sin embargo, el aumento de la demanda y el cambio del perfil del estudiante de nuevo ingreso representan un reto para las universidades participantes del programa, pues deben mantener la calidad y mitigar el impacto del cambio. La acreditación en calidad permite que la universidad pueda participar en el programa, no obstante, es el reconocimiento de la misma el que motiva a los beneficiarios del programa a elegirla.

Así bien, las universidades se enfrentan al reto de lograr que el cambio en el perfil del nuevo estudiante, promovido por la política de inclusión del Estado, no afecte la acreditación ni el posicionamiento y reconocimiento de la misma.

Esta tesis plantea una metodología que facilita el proceso de toma de decisiones en las universidades, mediante el seguimiento a los indicadores que impactan en su posicionamiento en los rankings, ante programas de cofinanciación de la educación que suponen cambios en el perfil de los nuevos estudiantes. Esta metodología consta de cinco fases.

En la primera fase se propone la construcción de un DAFO y la aplicación del método del ábaco de Regnier para la jerarquización de las variables. En la segunda y tercera fase se plantea la aplicación de las herramientas Análisis Prospectivo MICMAC y MACTOR que mediante el análisis estructural permiten la identificación de variables y actores clave del sistema. En la cuarta fase se propone la aplicación del método de escenarios SmicProbExpert para la identificación del escenario deseable.

Finalmente, en la quinta fase se propone la construcción del CMI adaptado para el seguimiento de los objetivos estratégicos que impactan en los rankings mediante 20

indicadores de eficacia que permiten identificar el nivel de acercamiento al escenario deseado, asĂ­ como las acciones correctivas a tomar ante el incumplimiento de la meta. La metodologĂ­a es aplicable a diferentes programas de cofinanciaciĂłn y rankings y para cualquier IES con sistema de calidad implementado.

Los siguientes son los indicadores propuestos para el CMI: Indicadores 1

2

đ?‘’ ∑đ?‘›đ?‘œ=1 đ??¸đ?‘Łđ?‘œđ?‘œ

đ?‘’ ∑đ?‘š đ?‘–=1 đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– đ?‘šđ?‘’

��

3 đ?‘’ ∑đ?‘š đ?‘–=1 đ?‘Ľđ?‘– ∗ 100 đ?‘šđ?‘’

4 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– ∗ 100 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘–

5 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– ∗ đ??´đ?‘— ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘– ∗ 100 ∑đ?‘— đ??´đ?‘— ∀đ??´đ?‘— đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ľ đ??´đ?‘— = đ?‘¤đ?‘— ∗ đ?‘?đ?‘—

Donde: đ??¸đ?‘Łđ?‘œđ?‘œ đ?‘Ś đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– đ?‘ đ?‘œđ?‘› đ?‘™đ?‘Ž đ?‘’đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘˘đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ?‘‘đ?‘’đ?‘™ đ?‘œđ?‘?đ?‘—đ?‘’đ?‘Ąđ?‘–đ?‘Łđ?‘œ đ?‘œ đ?‘Ś đ?‘‘đ?‘’ đ?‘™đ?‘Ž đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž đ?‘– đ?‘›đ?‘’ đ?‘Ś đ?‘šđ?‘’ đ?‘ đ?‘œđ?‘› đ?‘’đ?‘™ đ?‘›Ăşđ?‘šđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘œ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘œđ?‘?đ?‘—đ?‘’đ?‘Ąđ?‘–đ?‘Łđ?‘œđ?‘ đ?‘Ś đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘–đ?‘Žđ?‘ đ?‘žđ?‘˘đ?‘’ đ?‘–đ?‘šđ?‘?đ?‘Žđ?‘?đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘› đ?‘’đ?‘› đ?‘’đ?‘™ đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ đ?‘’ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘– đ?‘’đ?‘ đ?‘’đ?‘™ đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘‘đ?‘’đ?‘ đ?‘’đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘› đ?‘™đ?‘Ž đ?‘’đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘˘đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ?‘‘đ?‘’ đ?‘™đ?‘Ž đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž đ?‘– đ?‘¤đ?‘— đ?‘’đ?‘ đ?‘’đ?‘™ đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘œ đ?‘‘đ?‘’đ?‘™ đ?‘–đ?‘›đ?‘‘đ?‘–đ?‘?đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘— y đ?‘?đ?‘— đ?‘’đ?‘ đ?‘’đ?‘™ đ?‘?đ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ đ?‘œđ?‘?đ?‘˘đ?‘?đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘› đ?‘’đ?‘™ đ?‘–đ?‘›đ?‘‘đ?‘–đ?‘?đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘—

En el caso de estudio se identificĂł un escenario compuesto de eventos como la continuidad de Ser Pilo Paga, la construcciĂłn de un plan de explotaciĂłn estadĂ­stica, el fortalecimiento de la participaciĂłn de los profesores en el seguimiento de los estudiantes, la integraciĂłn de las unidades estratĂŠgicas y el aumento del impacto regional. Durante el monitoreo se activaron varias alertas en el CMI indicando que si no se avanza en el cumplimiento de las estrategias es probable perder posiciones en el ranking MIDE. La metodologĂ­a propuesta es aplicable a todos los posibles elementos contemplados por el grupo de expertos mediante la construcciĂłn de un CMI basado en indicadores de eficacia en el que se triangulan los elementos identificados en la visiĂłn de futuro de los expertos, con los objetivos estratĂŠgicos de la IES y los indicadores de los rankings. Esto representa una alternativa de monitoreo en ausencia de datos histĂłricos.

Referencias: [1] Hazelkorn, E. (2007). The Impact of League Tables and Ranking Systems on Higher Education Decision Making. Higher Education Management and Policy , 87-110.

[2] Gurban, I., & Sudakova, A. (2015). The Development of Higher Education in Russia: an Assessment Methodology. Procedia, 596-605.

[3] Lin, M., Hu, J., Tseng, M., Chiu, A., & Lin, C. (2016). Sustainable development in technological and vocational higher education: balanced scorecard measures with uncertainty . Journal of Cleaner Production, 1-12.

21

DESIGN OF A MONITORING AND EARLY WARNING METHODOLOGY FOR UNIVERSITY CO-FINANCING PROGRAMS BASED ON PROSPECTIVE ANALYSIS. CASE STUDY: SER PILO PAGA PROGRAM AT UNIVERSIDAD DEL NORTE Author: Carolina Mariño Manrique Advisor: Ing. Ángel Gonzázlez Ariza, Ph.D.

The Ser Pilo Paga program offers to students with limited resources the opportunity to study at accredited universities, free of charge. However, the increasing demand and changing the profile of the new-entry student present a challenge for the universities participating in the program, as they must maintain quality and mitigate the impact of change.The quality accreditation allows the university to participate in the program, however, is their prestige that motivates students to choose the University. Thus, universities face the challenge of ensuring that the change in the profile of the new student, promoted by the State's inclusion policy, does not affect the accreditation or the positioning and their recognition.

This thesis proposes a methodology that facilitates the decision-making process in the universities, through the monitoring of the indicators that impact on their positioning in the rankings, for co-financing programs of education that involve changes in the profile of the new students. This methodology consists in five phases.

In the first phase we propose the construction of a SWOT and the application of Regnier's abacus method for the hierarchy of variables. In the second and third phases, the application of the tools Prospective Analysis MICMAC and MACTOR are proposed, which through structural analysis allow the identification of variables and key actors of the system. In the fourth phase we propose the application of the SmicProbExpert scenarios method for the identification of the desirable scenario.

Finally, in the fifth phase we propose the construction of the BSC adapted to follow the strategic objectives that impact on the rankings through indicators of effectiveness that allow the identification of the level of approach to the desired scenario, as well as corrective actions to be taken in the event of non-compliance of 22

the goal. This methodology is applicable to different programs of co-financing and rankings, and for any HEI with implemented quality system.

The following are the proposed indicators for the BSC: Indicators 1

2

đ?‘’ ∑đ?‘›đ?‘œ=1 đ??¸đ?‘Łđ?‘œđ?‘œ

đ?‘’ ∑đ?‘š đ?‘–=1 đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– đ?‘šđ?‘’

��

3 đ?‘’ ∑đ?‘š đ?‘–=1 đ?‘Ľđ?‘– ∗ 100 đ?‘šđ?‘’

4 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– ∗ 100 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘–

5 ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– ∗ đ??´đ?‘— ∑đ?‘–đ?‘— đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘— ∗ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘– ∗ 100 ∑đ?‘— đ??´đ?‘— ∀đ??´đ?‘— đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ľ đ??´đ?‘— = đ?‘¤đ?‘— ∗ đ?‘?đ?‘—

Where: đ??¸đ?‘Łđ?‘œđ?‘œ đ?‘Ś đ??¸đ?‘Łđ?‘’đ?‘– đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘’ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘’đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘˘đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘–đ?‘œđ?‘› đ?‘œđ?‘“ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘œ đ?‘œđ?‘?đ?‘—đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘–đ?‘Łđ?‘’ đ?‘Žđ?‘›đ?‘‘ đ?‘œđ?‘“ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘– đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘Ś đ?‘›đ?‘’ đ?‘Žđ?‘›đ?‘‘ đ?‘šđ?‘’ đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘’ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘›đ?‘˘đ?‘šđ?‘?đ?‘’đ?‘&#x; đ?‘œđ?‘“ đ?‘œđ?‘?đ?‘—đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘–đ?‘Łđ?‘’đ?‘ đ?‘Žđ?‘›đ?‘‘ đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘–đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąâ„Žđ?‘Žđ?‘Ą đ?‘–đ?‘šđ?‘?đ?‘Žđ?‘?đ?‘Ą đ?‘–đ?‘› đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘’ đ?‘ đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ đ?‘‰đ?‘‘đ?‘– đ?‘–đ?‘ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘‘đ?‘’đ?‘ đ?‘–đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘‘ đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘˘đ?‘’ đ?‘–đ?‘› đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘’đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘˘đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘–đ?‘œđ?‘› đ?‘œđ?‘“ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘– đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘’đ?‘”đ?‘Ś đ?‘–đ?‘¤đ?‘— đ??źđ?‘ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘¤đ?‘’đ?‘–đ?‘”â„Žđ?‘Ą đ?‘œđ?‘“ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘— đ?‘–đ?‘›đ?‘‘đ?‘–đ?‘?đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x; and đ?‘?đ?‘— đ?‘–đ?‘ đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘?đ?‘œđ?‘ đ?‘–đ?‘Ąđ?‘–đ?‘œđ?‘› đ?‘œđ?‘?đ?‘?đ?‘˘đ?‘?đ?‘–đ?‘’đ?‘‘ đ?‘–đ?‘› đ?‘Ąâ„Žđ?‘’ đ?‘— đ?‘–đ?‘›đ?‘‘đ?‘–đ?‘?đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;

In the case study, a scenario was identified, composed of events such as the continuity of Ser Pilo Paga, the construction of a statistical exploitation plan, the strengthening of teachers' participation in student follow-up, the integration of strategic units and the increased regional impact. During the monitoring several alerts were activated in the BSC indicating that, if the University do not progress in compliance with the strategies, the institution could lose positions in the MIDE ranking.

The proposed methodology is applicable to all possible elements contemplated by the group of experts through the construction of a BSC based on efficiency indicators in which the elements identified in the experts' view are triangulated with the strategic objectives of the HEI and the rankings indicators. This represents an alternative of monitoring in the absence of historical data.

References: [1] Hazelkorn, E. (2007). The Impact of League Tables and Ranking Systems on Higher Education Decision Making. Higher Education Management and Policy , 87-110.

[2] Gurban, I., & Sudakova, A. (2015). The Development of Higher Education in Russia: an Assessment Methodology. Procedia, 596-605.

[3] Lin, M., Hu, J., Tseng, M., Chiu, A., & Lin, C. (2016). Sustainable development in technological and vocational higher education: balanced scorecard measures with uncertainty . Journal of Cleaner Production, 1-12.

23

BÚSQUEDA BAYESIANA BAJO ESCENARIOS DE DESASTRES DINÁMICOS Autor: José Daniel Betancourt Reyes Tutor: Ing. Gina María Galindo Pacheco, Ph.D.

Las misiones de búsqueda y rescate son escenarios de toma de decisiones complejos en los cuales se cuenta con una cantidad limitada de recursos, los cuales deben ser distribuidos de forma estratégica a fin de encontrar a las personas extraviadas de forma oportuna. En esta tesis consideramos aquellos escenarios de búsqueda en los cuales la región de interés se encuentra afectada por algún tipo de amenaza dinámica como un incendio forestal o un huracán. A pesar de que un gran número de misiones de búsqueda tienen lugar bajo estas condiciones, y aun cuando la Teoría de Búsqueda es un área de estudio con más de medio siglo de desarrollo, a nuestro mejor conocimiento, este tipo de problema de búsqueda no había sido considerado en previamente en otra investigación.

Nuestra propuesta está orientada a diseñar planes de búsqueda capaces de adaptarse al comportamiento dinámico de la amenaza y evitar que ésta alcance a las personas extraviadas. A fin de hacer nuestra metodología adaptativa ante la dinámica de la amenaza, diseñamos un protocolo de búsqueda que consta de cuatro pasos: (1) Monitoreo de la amenaza; (2) Pronóstico de la amenaza; (3) Planeación de la misión; (4) Exploración. Estos cuatro pasos deben ser ejecutados de forma iterativa como se muestra en la Figura 1 a fin de mantener actualizada la información acerca del estado de la amenaza.

Figura 1. Misión adaptativa mediante horizonte rodante

El alcance de esta investigación estuvo enfocado al proceso de planeación, para el cual construimos un modelo de programación matemática considerando dos funciones objetivo: una de ellas asigna recursos de búsqueda a las zonas más riesgosas a fin de encontrar victimas que están en peligro inminente. La segunda 24

asigna recursos a las zonas donde es más probable que se encuentren las personas.

Para solucionar el problema, implementamos tres métodos de optimización multiobjetivo: (1) Epsilon-constraint; (2) Método Lexicográfico; y (3) Colonia de Hormigas. Los dos primeros son métodos exactos en los cuales se resuelve nuestro modelo de programación, y el tercero es una meta-heurística que busca soluciones atractivas en un menor tiempo computacional.

A fin de validar nuestros métodos, realizamos dos grupos de experimentos computacionales. El primero de ellos, orientado a comparar los tres métodos de solución en cuanto a tiempo de procesamiento y calidad de solución. Durante este experimento se hicieron múltiples corridas en las cuales se solucionó el problema para una única ventana de pronóstico. Los siguientes parámetros se hicieron variar durante las pruebas: número de agentes (2 - 4), la duración de la ventana de pronóstico (9 – 27 seg) y el tamaño de la región (5.184 – 14.400 m2). Los escenarios considerados corresponden a algunas de las instancias de búsqueda más grandes probadas hasta ahora para problemas de búsqueda. Este experimento permitió identificar la utilidad de cada método en función del tamaño de la instancia. Los resultados de este experimento se resumen de forma conceptual en la Figura 2.

Figura 2. Resultados Experimento 1

Durante el segundo experimento, validamos la metodología de planeación adaptativa mediante horizonte rodante. Para este fin, construimos una simulación para la propagación de un incendio forestal, haciendo uso de Autómatas Celulares.

En este caso, cada una de las corridas ejecutó el conjunto de los cuatro pasos hasta encontrar a la persona extraviada o hasta que esta fuera alcanzada por la amenaza.

Con el ánimo de probar la utilidad de nuestros métodos en un escenario de búsqueda con agentes robóticos autónomos, después de cada proceso de planeación, utilizamos un tomador de decisiones artificial, el cual permite elegir de forma autónoma, una de las múltiples soluciones que se obtienen al solucionar un problema multi-objetivo. Durante este experimento, nuestra metodología permitió encontrar a la persona en aproximadamente un minuto de exploración, aproximadamente el 75% de las veces.

Esta tesis fue nominada para la distinción Cum Laude por un comité internacional compuesto por tres jurados expertos en el área de Logística Humanitaria, Optimización Multi-objetivo e Investigación de Operaciones.

25

BAYESIAN SEARCH UNDER DYNAMIC DISASTER SCENARIOS Author: JosĂŠ Daniel Betancourt Reyes Advisor: Ing. Gina MarĂ­a Galindo Pacheco, Ph.D.

Search and Rescue (SAR) is a hard decision making context where there is available a limited amount of resources that should be strategically allocated over the search region in order to find missing people opportunely. In this thesis, we consider those SAR scenarios where the search region is being affected by some type of dynamic threat such as a wildfire or a hurricane. In spite of the large amount of SAR missions that consistently take place under these circumstances, and being Search Theory a research area dating back from more than a half century, to the best of our knowledge, this kind of search problem has not being considered in any previous research.

Our proposal is oriented to deliver search plans capable of adapting to the dynamic behavior of the threat and avoid it to reach the missing people. With the purpose of making our methodology adaptive to the dynamics of the threat, we designed a search protocol composed by for main steps: (1) Monitoring of the threat; (2) Forecasting of the threat; (3) Mission planning; (4) Exploration. In order to keep updated information about the state of the threat, those four steps should be executed in an iterative fashion as it is shown in Figure 1.

Figure 1. Adaptive mission through Rolling horizon approach

The scope of this thesis mainly covered the planning process, to which we built a mathematical programming model considering two objective functions: one of them assigns search resources to riskiest zones, aiming to find victims which are at imminent risk. The second function assigns resources to zones where it is more probable to find people. To solve the problem, we implemented three multi-objective 26

solution methods: (1) Epsilon-constraint; (2) Lexicographic Method; and (3) Ant Colony Optimization. The first two are exact solution methods which solve our mathematical programing model. By its side, the third method is a meta-heuristic which aims to find attractive solutions in less computational time.

In order to validate our methods, we executed two sets of computational experiments. The first of them, was intended to compare the three solution methods in terms of computational time and solution quality. In this experiment we performed multiple runs of our methods, where we solved the problem for a single forecast window. The following parameters where tested at different levels: number of search agents (2 – 4), length of forecast window (9 – 27 sec) and the size of the search region (5.184 – 14.400 m2). The scenarios considered here correspond to some of the largest instances tested until now for search problems. This experiment allowed us to identify the utility of each method depending on the size of the instance.

Results are resumed conceptually in Figure 2.

Figure 2. Results from Experiment 1.

In the second experiment, we validated the adaptive planning methodology through rolling horizon approach. For this purpose, we built a computer simulation based on Cellular Automata, for the propagation of a wildfire. In this case, each run performed iteratively the four steps until the missing person was found or reached by the threat.

Aiming to test the suitability of our methods for SAR missions involving robotic autonomous agents, after each planning process, we implemented an artificial decision maker, which allows to reduce the number of solutions of a multi-objective problem for multiple to a single one. In this set of experiments, our methodology was able to find the missing person in about one minute of exploration, approximately the 75% of times.

This thesis was nominated for Cum Laude distinction by an international committee of three experts in the area of Humanitarian Logistics, Multi-objetive Optimization and Operations Research.

27

DISEÑO DE UNA METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN DE ACCESIBILIDAD DE TRANSPORTE NO MOTORIZADO Autor: María Alejandra Saltarín Molino Tutor: Ing. Ruben Yie Pinedo, Ph.D. – Ing. Julian Arellana Ochoa, Ph.D.

Una adecuada infraestructura vial de transporte no motorizado considera ventajas de tipo social, económica y ambiental. En el contexto social, las condiciones viales apropiadas estimulan a las personas a caminar, lo cual incide a mejorar sus condiciones físicas.

En el aspecto ambiental, unas condiciones adecuadas de infraestructura vial incentivan a las personas a caminar o manejar bicicleta, disminuyendo la generación de gases contaminantes que causan degradación al medio ambiente.

Aun así, se han presentado más estudios que evalúan y priorizan inversiones de transporte motorizado. Por ello, se propone la construcción de indicadores de accesibilidad para medir la facilidad con la que un peatón o ciclista transita de un origen hacia un destino.

Aunque, en la literatura existe multiplicidad de indicadores estimados en distintos contextos, los autores no han establecido la importancia de cada atributo basado en un modelo de elección discreta considerando un gran número de variables y segmentado por propósito de viaje.

Por lo anterior, en esta investigación se propone construir un índice calculando la importancia de cada atributo mediante un modelo de elección discreta considerando un gran número de variables relacionadas con movilidad, seguridad vial, comodidad y seguridad ante robos. La recopilación de los datos se realizó por medio de los servicios de Google y el índice se construyó según las características del usuario.

Los resultados obtenidos establecen que la seguridad ante robos es el aspecto más importante para los peatones, el cual es poco considerado en la literatura. El nivel de servicio es uno de los índices más utilizados y considera el ancho del andén para su explicación, aunque las condiciones del andén y los obstáculos en las vías son más importantes que el ancho de éste.

En el caso de la aplicación realizada a la accesibilidad para ciclistas, los resultados establecen que las vías principales son más demandadas por ellos, pero son las más inseguras ante accidentes. Asimismo, se corrobora que las personas de estratos bajos eligen la bicicleta como modo de transporte para propósito de trabajo.

28

DESIGN OF A METHODOLOGY FOR EVALUATION OF ACCESSIBILITY OF NON-MOTORIZED TRANSPORT Author: María Alejandra Saltarín Molino Advisor: Ing. Ruben Yie Pinedo, Ph.D. – Ing. Julian Arellana Ochoa, Ph.D.

An adequate road infrastructure for non-motorized transportation bring social, economic and environmental advantages. In social context, a suitable built environment conditions promote cycling and walking activities, which enhance the physical conditions of the citizens.

In environmental aspect, this type of transportation helps to reduce polluting gases that causes environmental degradation. Albeit, have been presented more researches that assess and prioritize motorized transportation. Thus, this study propose the construction of bikeability and walkability index in order to assess and prioritize infrastructure investments.

In literature exists a multiplicity of this indicators estimated in different context, nevertheless authors did not stablish an accessibility index segmented by travel purpose, and to date there are not an assessment methodology in which importance of each factors are scored directly, considering a structured statistical analysis.

Therefore, we propose to construct an index in which the importance of each factor are calculated through a discrete choice model considering the users perceptions on different factors related to security, road safety, comfort and attractiveness. In addition, we suggest a method to prioritize infrastructure investments by a direct model demand calculated using an accessibility index as explicative variable of the travel flow.

The results of the assessment methodology stablished that principal roads presented more bicycle trips than other links of the bicycle network, even though those links presented low values of bikeability index due to unsafety problems. Also, cyclists for leisure purpose preferred that road counts with cycle infrastructure, while cyclist for utilitarian purpose preferred cycling in zones with high levels of safety and with adequate built environment conditions. Finally, the relationship between built environment factors and cycling behavior are corroborated because of the results of the direct demand model.

The walkability index application stablished that crime safety is the most important aspect for pedestrians, although in literature this variable is not often applied to construct the indicator. The level of service is a measure frequently used to assess pedestrian network considered variables as sidewalk width, nevertheless the results of the perception surveys suggest that quality of pavement and obstacles on sidewalks are more important aspect when a person decide to walk.

29

IMPLEMENTACIÓN DE RUGLE PARA RESOLVER EL PROBLEMA DE ENRUTAMIENTO DE VEHÍCULOS CON VENTANAS DE TIEMPO DURAS (VRPHTW] Autor: Mayra Xiomara Gamboa Ramírez Tutor: Ing. Ruben Dario Yie Pinedo, Ph.D.

Los VRP y sus variantes, son unos de los problemas de optimización combinatoria más tratados en la literatura. Estos ya han demostrado ser NP-Hard, debido a que, a medida que aumenta el número de nodos en la red objeto de estudio, el espacio de soluciones a explorar se incrementa de manera desmesurada, por lo tanto, una búsqueda exhaustiva entre todo el espacio de soluciones posible no sería factible y aún no se conoce un algoritmo en Tiempo Polinomial P, para resolverlos de manera óptima.

La presente investigación pretende aprovechar el gran potencial que esconde la plataforma online Google Maps, con el fin de resolver la variante más tratada en la literatura del VRP: EL Problema de Enrutamiento de Vehículos con Ventanas de Tiempo Duras (VRPHTW), sometido a rutas con congestión en determinadas horas del día. A través de RuGle, una herramienta informática de código abierto, desarrollada en el lenguaje de programación Ruby y basada en la API de Google Maps, para resolver este problema combinatorio multiobjetivo.

Para las instancias de prueba se utilizaron ubicaciones reales, y para calcular la distancia, tiempo de viaje con estimación de tráfico y sin ella, entre los nodos que conforman la red objeto de estudio (instancias), se empleó la API de Google Maps.

30

RUGLE´S IMPLEMENTATION FOR SOLVING THE VEHICLE ROUTING PROBLEM WITH HARD TIME WINDOWS (VRPHTW) Author: Mayra Xiomara Gamboa Ramírez Advisor: Ing. Ruben Dario Yie Pinedo, Ph.D.

The VRPs and their variants are some of the combinatorial optimization problems most frequently treated in the literature. These problems have been proving to be NP-Hard, because, as the number of nodes in the network under study increases, the space of solutions to be explored grows in an excessive way, therefore, an exhaustive search among all Space of possible solutions would not be feasible and an algorithm in Polynomial Time P is still not known to solve them to optimality.

The present research intends to take advantage of the great potential that the online platform Google Maps hides, in order to solve the variant more treated in the literature of the VRP: The Vehicle Routing Problem with Hard Time Windows (VRPHTW), submitted to routes with Congestion at certain times of the day. Through RuGle, an open source computer tool, developed in the Ruby programming language and based on the Google Maps API, that point to solve this multiobjective combinatorial problem.

For the test instances, real locations were used, and to calculate the distance between the nodes, the travel time with traffic estimation and without it, the Google Maps API was used.

31

32

DOCTORADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

Ph.D IN MECHANICAL ENGINEERING Aportación al estudio y modelado termodinámico en motores de combustión interna ................................................................................................................. 34 Contribution to study and thermodynamic modeling in internal combustion engines ................................................................................................................. 35

33

APORTACIÓN AL ESTUDIO Y MODELADO TERMODINÁMICO EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Autor: Jorge Duarte Tutor: Ing. Antonio Bula, Ph.D.

En la actualidad, debido a la innovación en motores de combustión interna y el uso de nuevos combustibles se hace necesario realizar secuencias extensas de pruebas experimentales, con el fin de verificar el desempeño, emisiones e identificar potenciales mejoras en este tipo de máquinas térmicas. Este compromiso de mejora ha conllevado a que los motores Diésel se conviertan en la alternativa preferida para aplicaciones de automotrices. Lo anterior se ve reflejado en el crecimiento continuo de las ventas de vehículos equipados con dicho motor, sobre todo en aplicaciones de alta potencia.

Muchos estudios de caracterización de motores de combustión interna tienen como resultado final la caracterización de una variable en particular. En la presente tesis doctoral se integra un modelo de diagnóstico de la combustión con un modelo predictivo, lo cual va a permitir que tenga capacidad de predicción. Con el fin de hacer más robusto el modelo termodinámico diagnóstico-predictivo implementado, se desarrolló un modelo mejorado para la caracterización de deformaciones y holguras del mecanismo biela – manivela, el cual afecta directamente la capacidad de predicción y es una de mayores fuentes de incertidumbre en el modelado termodinámico de motores de combustión interna. De igual manera, como resultado de la presente tesis doctoral se desarrolló un modelo de inyección mejorado, el cual tiene la capacidad de estimar los retrasos electromecánicos y la tasa de combustible inyectado en función del tipo de inyector, tiempo de energización y presión de inyección. La integración de los modelos descritos anteriormente con el modelo diagnóstico-predictivo implementado permite una descripción un poco más completa de los fenómenos en estudio.

34

CONTRIBUTION TO STUDY AND THERMODYNAMIC MODELING IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES Author: Jorge Duarte Advisor: Ing. Antonio Bula, Ph.D.

At present, due to the innovation in internal combustion engines and the use of new fuels, it is necessary to carry out extensive sequences of experimental tests, in order to verify the performance, emissions and identify potential improvements in this type of thermal machines. This commitment to improvement has led to Diesel engines becoming the preferred alternative for automotive applications. This is reflected in the continued growth of sales of vehicles equipped with this engine, especially in high power applications.

Many characterization studies of internal combustion engines result in the characterization of a particular variable. In this doctoral thesis a model of combustion diagnosis is integrated with a predictive model, which will allow it to have predictive capacity. In order to make the diagnostic-predictive thermodynamic model more robust, an improved model was developed for the characterization of crank-crank mechanism deformations and looseness, which directly affects the predictive capacity and is one of the largest sources of uncertainty in the thermodynamic modeling of internal combustion engines. Likewise, as a result of this doctoral thesis an improved injection model was developed, which has the capacity to estimate the electromechanical delays and the injected fuel rate as a function of injector type, energization time and injection pressure. The integration of the models described above with the diagnostic-predictive model implemented allows a slightly more complete description of the phenomena under study.

35

36

MAESTRÍA EN INGENIERÍA MECÁNICA

MASTER IN MECHANICAL ENGINEERING Control de un prototipo híbrido de generación de energía eléctrica de baja potencia: solar fotovoltaica – generador por combustión ............................................. 38 Control of a hybrid prototype of low – power electric power generation: photovoltaic panel – generator by combustion ................................................................ 40 Diseño y desarrollo de una estrategia de detección temprana de fallas, especializada en distritos de frio, hibridizando modelos estadisticos multivariados y conocimiento operacional del sistema .............................................................................. 42 Design and development of an early fault detection and diagnosis strategy, trained for district cooling systems, combining multivariate statistical models and operational knowledge of the system ............................................................................ 44 Una teoría no clásica termoelástica para el análisis de la calefacción láser ultrafast ................................................................................................................. 46 A non-clasical thermoelastic theory for the analysis of ultrafast laser heating . 47 Influencia de los parámetros de corte en la vida útil de herramientas con recubrimiento usadas en operaciones de microfresado de titanio comercialmente puro para aplicaciones biomédicas............................................................... 48 Influence of cutting parameters in life of coated tool used in commercially pure titanium micromilling operations for biomedical applications .......................... 49

37

CONTROL DE UN PROTOTIPO HÍBRIDO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE BAJA POTENCIA: SOLAR FOTOVOLTAICA – GENERADOR POR COMBUSTIÓN Autor: Albert Deluque Pinto Tutor: Ing. Nestor Durango Padilla, Msc.

La integración de fuentes convencionales de generación de energía eléctrica, con fuentes no convencionales como la energía solar fotovoltaica, es una alternativa para propiciar la transición entre el uso de un tipo de energía a otra. Lo anterior en busca de aprovechar los recursos energéticos alternativos con los que cuenta el país, y a su vez favorecer la conservación del medio ambiente.

En la presente investigación se realizó el diseño e implementación de un sistema de control para la integración de una fuente de energía no convencional con una fuente de energía convencional. Con dichas fuentes se conformó un prototipo híbrido de generación de energía eléctrica de 1.3kW en, el cual se escogió un generador solar fotovoltaico como fuente de generación de energía alternativa y un generador por combustión a gasolina. La integración de estas fuentes se logró mediante el diseño de un sistema de control compuesto por un controlador difuso FLC (Fuzzy Logic Controller) para la frecuencia, un controlador PI (Proporcional Integral) para el voltaje y un control para el manejo de la entrega de potencia.

En la Figura 1 se muestra el esquema general utilizado para el sistema energético propuesto en la presente investigación en, el cual se utilizaron diversos tipos de sensores para monitorear variables como la frecuencia, el voltaje y la potencia.

Figura 1. Configuración del sistema hibrido de generación de energía eléctrica.

Los resultados muestran que es posible conformar un generador híbrido de energía eléctrica con dos fuentes de energía de diferente naturaleza por medio de 38

controladores, logrando mantener variables como el voltaje y la frecuencia bajo niveles aceptables de operación. Así mismo se demuestra que mediante los controladores utilizados es posible que, a pesar de las perturbaciones, el generador fotovoltaico no se desconecte del prototipo y siga inyectando energía al sistema. En la Figura 2 se muestra la respuesta del prototipo ante diferentes condiciones de operación.

a)

b)

c)

d)

Figura 2. Respuesta del sistema ante diferentes condiciones de operación: a) Respuesta ante un cambio en la irradiación, b) Respuesta ante una desconexión de carga, c) Respuesta ante una conexión de carga, d) Respuesta ante una desconexión del sistema fotovoltaico.

De lo anterior es importante resaltar que el sistema de control implementado para el acople de la fuente alternativa con la convencional respondió satisfactoriamente ante los cambios de carga manteniendo tanto el voltaje como la frecuencia en rangos aceptables de operación, teniendo en cuenta que es un sistema de baja potencia cuyas variables (frecuencia y voltaje) se ven afectadas ante cualquier variación en la carga.

39

CONTROL OF A HYBRID PROTOTYPE OF LOWPOWER ELECTRIC POWER GENERATION: PHOTOVOLTAIC PANEL - GENERATOR BY COMBUSTION Author: Albert Deluque Pinto Advisor: Ing. Nestor Durango Padilla, Msc.

The integration of conventional sources of electricity generation with unconventional sources, such as solar photovoltaic energy, is an alternative to promote the transition between the use of one type of energy to another. The foregoing in order to take advantage of the alternative energy resources available in the country and in turn favor the conservation of the environment.

In the present investigation the design and implementation of a control system for the integration of an unconventional energy source with a conventional energy source was realized. With these sources was formed a hybrid prototype of electric power generation of 1.3kW in, which a solar photovoltaic generator was chosen as a source of alternative energy generation and a generator by gasoline combustion.

The integration of these sources was achieved by designing a control system composed of a fuzzy logic controller (FLC) for the frequency, a PI controller (Proportional Integral) for the voltage and a control for the management of the delivery of power.

Figure 1 shows the general scheme used for the energy system proposed in the present research in which various types of sensors were used to monitor variables such as frequency, voltage and power.

Figure 3. Configuration of the Hybrid Electric Power Generation System

40

The results show that it is possible to form a hybrid generator of electric energy with two different energy sources by means of controllers, managing to maintain variables such as voltage and frequency under acceptable levels of operation. It is also demonstrated that using the controllers used it is possible that, despite the disturbances, the photovoltaic generator does not disconnect from the prototype and continue to inject energy into the system. Figure 2 shows the prototype response to different operating conditions.

a)

b)

c)

d)

Figure 4. Response of the system to different operating conditions: a) Response to a change in irradiation, b) Response to a load disconnection, c) Response to a load connection, d) Response to a disconnection of the photovoltaic system.

From the above it is important to note that the control system implemented for the coupling of the alternative source with the conventional one responded satisfactorily to the load changes maintaining both the voltage and the frequency in acceptable operating ranges, taking into account that it is a system of Low power whose variables (frequency and voltage) are affected by any variation in load.

41

DISEÑO Y DESARROLLO DE UNA ESTRATEGIA DE DETECCIÓN TEMPRANA DE FALLAS, ESPECIALIZADA EN DISTRITOS DE FRÍO, HIBRIDIZANDO MODELOS ESTADÍSTICOS MULTIVARIADOS Y CONOCIMIENTO OPERACIONAL DEL SISTEMA Autor: Cinthia Audivet Durán Tutor: Ing. Marco E. Sanjuán M., Ph.D.

En los últimos cinco años el mercado de las herramientas de detección y diagnóstico automático de fallas (AFDD, por sus siglas en inglés) en edificios comerciales ha crecido exponencialmente. Este tipo de herramientas convierten millones de datos, provenientes de los sistemas automáticos de gestión de edificaciones, en información útil y procesable para determinar la presencia de ineficiencias operacionales y desperdicios energéticos.

Un importante reto de las herramientas AFDD es la necesidad de brindar diagnósticos certeros, evitar falsas alarmas y reducir la tasa de fallas no detectadas (missed detections), teniendo en cuenta que cada edificación es única, es decir, existen diferentes perfiles de comportamiento, sistemas y tipos de equipos. Esto implica desarrollar plataformas informáticas que se encuentren en la capacidad de ayudar a sus clientes a identificar, investigar y seguir la pista a ineficiencias propias de sus edificaciones, para priorizar actividades de mantenimiento, reducir consumos de energía y mejorar el confort de los usuarios.

Esta investigación está enfocada en el diseño y desarrollo de una estrategia de detección temprana de fallas, especializada en distritos de frío, que haga uso de técnicas de detección basadas en datos históricos y conocimiento operacional del proceso. Este objetivo está centrado en cuatro pilares fundamentales: i) Detección temprana de fallas, ii) reducción del tiempo de detección, la tasa de falsas alarmas y missed detections en comparación con PCA Convencional, iii) identificación de variables defectuosas y iv) diferenciación entre estados de operación y condiciones de riesgo del proceso. El interés en estudiar los distritos de frío nace de la popularidad que han tomado con el transcurso de los años por su alta eficiencia en especial en zonas con alta densidad de edificaciones.

42

La estrategia propuesta se diferencia de las reportadas en la revisión del estado del arte, porque utiliza técnicas de agrupamiento estático para encontrar correlaciones e interacciones entre las variables medidas durante la operación en condición normal, para luego sacar provecho de ellas y disminuir el tiempo de detección. Se consideró que además de las operaciones anteriores, es necesario realizar un proceso de agrupamiento previo a la construcción del modelo estadístico que revele la relación que existe entre las observaciones tomadas durante la operación en condición normal. Estas interacciones se relacionan con los distintos estados de operación a los que se ven sometidos estos sistemas, que al final terminan siendo una combinación de las distintas respuestas de las variables ante variaciones en cargas térmicas, temperatura ambiente, envejecimiento del proceso, entre otras.

Adicionalmente la técnica de agrupamiento de datos estática utilizada permite afinar el proceso de remoción de outliers, para ocultar aquellas condiciones atípicas de operación que podrían afectar la identificación de fallas incipientes durante su etapa de desarrollo temprano.

Los resultados exhibidos demuestran que la estrategia propuesta tiene un desempeño superior a la técnica de referencia, PCA Convencional, porque logró detectar una condición anómala con magnitud inferior con menor retraso, es decir, mostró sensibilidad superior a la técnica de referencia. El límite inferior de desempeño de la estrategia propuesta está acotado por PCA convencional, es decir en el escenario más crítico lo que puede pasar es ser igual de eficiente que la técnica de referencia en el proceso de detección, sobre todo cuando la falla se muestra de forma abrupta o ha crecido lo suficiente. Los porcentajes de falsas alarmas no son mayores al 1% y el límite inferior de la tasa de missed detections encontrado es 10%, mientras que para la técnica de referencia se encontraron tasas de missed detections desde 62%.

La técnica de detección propuesta ofrece robustez en el desempeño del estadístico SPE o Q, es decir permite detectar la influencia de las fallas aun en el espacio residual. Adicionalmente, el proceso de identificación de estados de operación resulta útil sobre todo en aquellos sistemas donde no se posee suficiente información de su operación en condición normal. El índice de estado presentado es una herramienta capaz de describir el patrón de comportamiento de la interacción entre las variables medidas y detectar anomalías en el sistema.

Por último, el proceso de identificación de variables defectuosas resulta sumamente útil cuando el sistema reacciona similarmente ante condiciones distintas, por ejemplo, en presencia de una fuga que consume gran cantidad de agua enfriada pero también cuando existe ensuciamiento en las tuberías. Es por ello que aislar y conocer la participación de las variables en el estadístico permite crear un cuadro de diagnóstico más certero y acciones correctivas tempranas.

43

DESIGN AND DEVELOPMENT OF AN EARLY FAULT DETECTION AND DIAGNOSIS STRATEGY, TRAINED FOR DISTRICT COOLING SYSTEMS, COMBINING MULTIVARIATE STATISTICAL MODELS AND OPERATIONAL KNOWLEDGE OF THE SYSTEM Author: Cinthia Audivet Durรกn Advisor: Ing. Marco E. Sanjuรกn M., Ph.D.

An exponential grow on Automatic Fault Detection and Diagnosis Tools (AFDD) for Commercial/Residential Buildings has been evidenced over the past five years. AFDD tools transform raw data from Building Management Systems into a set of variables intended to identify or diagnose deficiencies in process operation as well as potential energy losses spots.

The main challenge for AFDD tools for Commercial/Residential Buildings relies on the need to provide reliable diagnosis (avoiding false alarms and reducing missed detection rates) regardless of the uniqueness (location, occupancy, equipment) of each edification. Therefore, AFDD tools must be able to help the customer to identify and track the specific deficiencies of his edification, to further schedule maintenance activities, reduce operational cost and improve user comfort.

The aim of this thesis is to design an Early Fault Detection Strategy for District Cooling Systems incorporating Historical Process Data Records and Expert Knowledge. The main cornerstones to accomplish the aforementioned goal are: i) Early Fault Detection, ii) Reduction of Time-Before-Detection, False Alarms and Missed Detection rates compared to Conventional Principal Component Analysis (PCA), iii) Identification of Faulty Variables and iv) Differentiation between Process Normal Operational States Shifts and Process Faulty Condition. Special interest is placed on District Cooling Systems as they gain popularity over the recent years due to its high operational efficiency when working to building clusters.

The strategy differentiates from previous reported ones as it incorporates static grouping techniques to identify correlations and interactions among measured variables during normal operational conditions. Further, the strategy considers an additional clustering step before statistical model construction. The clusters formed 44

contain the information related to process normal operational stages consequence of disturbances as thermal loads, room temperature, process ageing, among others.

The clustering step further tunes the outliers (atypical data) removal step improving the diagnosis reliability.

Implementation of the proposed strategy reveal that the fault detection and missed detection rates remained below 1% and 10% respectively. As a comparison, PCA reported missed detection rates as high as 62%. Further, the strategy was able to identify anomalous conditions at early stages compared to conventional PCA. It is worth mentioning that, the technique will always perform equal-to or superior-to Conventional PCA by design.

A particular finding is the increased reliability and sensibility of the SPE or Q statistic for early fault detection, suggesting that the strategy is special operative with the residual space. The additional clustering stage proves to be useful for algorithm implementation under constrains as unknown process normal operational stages. In this regard, the Index of Operational States is a valuable tool to improve diagnosis reliability. Last but not least, the Identification of Faulty Variables is necessary to differentiate a particular set of failures that makes the system respond in a similar fashion. As an example, a leak or a heat exchanger fouling condition will eventually led to a higher chilled water consumption. Identification of Faulty Variables will allow to improve diagnosis as the contribution of each variable to the corresponding statistics is different for each case.

45

A NON-CLASSICAL THERMOELASTIC THEORY FOR THE ANALYSIS OF ULTRAFAST LASER HEATING Autor: Juan C. Galvis Tutor: Ing. Habib Zambrano, Ph.D. – Ing. Alejandro Pacheco, Ph.D.

Hay dos aspectos de la teoría clásica de termo-elasticidad que deben ser advertidos.

El primero es acerca de la ecuación de calor parabólica, la cual considera que las perturbaciones térmicas se sienten de manera instantánea en todos los puntos del dominio. Aún más, de acuerdo a ley de Fourier de conducción de calor, el campo vectorial de este mismo siempre alcanza estado estable de manera inmediata. Por lo tanto, dichos modelos violan la verdadera naturaleza de los auténticos mecanismos de transporte de calor, a saber, estos son colisiones cuánticas las cuales no son procesos instantáneos. El otro aspecto es acerca de una restricción para el uso valido del modelo clásico en sí. Dicha restricción trata de que el modelo clásico de termo-elasticidad es solo valido para fenómenos en los que el cambio de temperatura con respecto a la temperatura inicial es muy pequeño. Esto último induce una ecuación linealizada de energía termo-mecánica, la cual en la literatura es usualmente obtenida al reemplazar directamente la variable temperatura por la temperatura inicial. Tal linealización matemáticamente no tiene sentido, pero físicamente implica que la ecuación solo es válida para procesos isentrópicos con campos iniciales de temperatura homogéneos. En realidad, este último aspecto lo presentan también las teorías actuales de termo-elasticidad. Los dos aspectos anteriores son primordiales para muchos casos de ingeniería, entre tantos, como para procesos criogénicos y de láseres. Este último proceso está siendo recientemente muy usado en muchas aplicaciones e.g. micro y nano-fabricación, mediciones no destructivas, creación de patrones en nano superficies, caracterización de materiales, endurecimiento localizado de superficies, etc.

Este trabajo establece una teoría no lineal de termo-elasticidad en la que la paradoja de la propagación inmediata de perturbaciones térmicas no aparece. Esto se logra al tener en cuenta la verdadera naturaleza de las colisiones cuánticas y su dinámica.

Además, se postula y demuestra formalmente un teorema de updating approach con el fin de mitigar y controlar adecuadamente las restricciones de los rangos de 46

temperatura y deformación que aparecen en las teorías de termo-elasticidad actuales y en la clásica.

47

A NON-CLASSICAL THERMOELASTIC THEORY FOR THE ANALYSIS OF ULTRAFAST LASER HEATING Author: Juan C. Galvis Advisors: Ing. Habib Zambrano, Ph.D. – Ing. Alejandro Pacheco, Ph.D.

There are two aspects of classical thermoelasticity which have to be pointed out.

The first one is about the parabolic heat equation which considers thermal disturbances propagation at infinite speed. Furthermore, according to the Fourier law, the heat flux field of any domain reaches steady state of heat conduction instantaneously. Such models violate the real nature of heat transport mechanisms, namely, quanta collisions which are not instantaneous processes. The other one is about a restriction which comes from the formulation of the theory itself. Such restriction consists of classical theory only being valid for cases in which the temperature changes with respect to the initial temperature are much smaller than the initial temperature. This leads to a linearized form of the thermomechanical energy equation, which in the literature is usually obtained by direct replacing of the temperature variable by the initial temperature. Such linearization has no mathematical sense but physically it has indeed, it implies that the model is only valid for isentropic processes with homogeneous initial temperature fields. Actually, the latter shortcoming is presented in current theories as well. These two aspects are imperative for many cases, inter alia, cryogenic and short-pulsed laser heating processes. The latter is being recently used for many applications e.g. micro and nanomachining, nondestructive testing, laser patterning, thin film deposition, materials characterization, local surface hardening, etc.

This dissertation establishes a nonlinear thermoelastic theory in which the inherent paradox of thermal disturbances propagation at infinite speed is eliminated by taking into account the real nature of quanta collisions, which are the actual mechanisms of heat transfer. In addition, an updating approach for its formulation is proposed in order to mitigate the limited temperature and strain ranges involved in the classical and novel theories of thermoelasticity.

48

INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE CORTE EN LA VIDA ÚTIL DE HERRAMIENTAS CON RECUBRIMIENTO USADAS EN OPERACIONES DE MICROFRESADO DE TITANIO COMERCIALMENTE PURO PARA APLICACIONES BIOMÉDICAS Autor: Michael Miranda Giraldo.

Tutor: Ing. Jovanny Pacheco B, Ph.D.

En la presente investigación se hace un análisis del desempeño de herramientas de carburo de tungsteno recubiertas con AlTin para diferentes condiciones de mecanizado (de ranuras), asistido con aire, sobre Titanio grado 2. Para el estudio de las herramientas se utilizaron micro-fresas de punta plana con dos filos de 500 micras de diámetro con un recubrimiento en AlTin, herramientas de amplio uso en la fabricación de implantes biomédicos a micro-escala, y el centro de mecanizado KERN-EVO de ultra precisión.

Una vez definidos los niveles de operación de los cada uno de los parámetros de corte (giro del husillo, avance por diente y profundidad de corte), se efectuó la caracterización del Titanio comercialmente puro Gr2 mediante el estudio de la microestructura utilizando la técnica de metalografía y el ensayo de micro-dureza Vickers.

La evaluación inicial y final del estado superficial y la medición de las herramientas se realizó mediante el uso de microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés). Finalmente se realizó un estudio de las rebabas generadas en las probetas de Titanio, por medio del reconocimiento de imágenes en un microscopio óptico y la estimación de un indicador llamado índice de rebaba que relaciona que el área de rebaba por ranura con el área del piso de la ranura.

Los datos recolectados permitieron la identificación de los factores significativos para el desgaste del filo de la herramienta y el índice de rebaba producido, y la generación de los modelos que predicen el desgaste del filo de la herramienta y la cantidad de rebabas que se produce respectivamente, según los parámetros de corte en el área estudiada. Así mismo esta investigación evidencio la relación que existe entre el desgaste de la herramienta ya la generación de rebaba el cual está sujeto a la variación de los parámetros de corte, de tal manera que controlando el desgaste la herramienta se puede controlar la formación de rebaba, de tal forma que es posible crear una correlación entre el desgaste de la herramienta y la cantidad de rebaba producida.

49

INFLUENCE OF CUTTING PARAMETERS IN LIFE OF COATED TOOL USED IN COMMERCIALLY PURE TITANIUM MICROMILLING OPERATIONS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS Author: Michael Miranda Giraldo Advisor: Ing. Jovanny Pacheco B, Ph.D.

In the current investigation an analysis of the performance of AlTin coated tungsten carbide tools is performed for different conditions of machining (of slots), assisted with air, on Titanium grade 2. For the performed study, 500 microns-diameter 2flute solid carbide square-end mills with AlTin coating were used. These tools are widely used in micro-scale biomedical implants manufacturing. The machining center KERN-EVO Ultra precision was also used.

Once the operating levels of each cutting parameter (spindle, tooth feed and cut depth) were defined, the commercially pure Titanium Gr2 was characterized by the study of its microstructure via metallography and Vickers microhardness test. The initial and final evaluation of the surface and the measurement of the tools were perfomed using scanning electron microscopy (SEM). Finally, a study of the burrs generated in the Titanium specimens was carried out by means of the image recognition in an optical microscope and the estimation of an indicator called burr index, which relates the burr area by groove with the floor area of slot.

The data collected allowed the identification of significant factors for tool edge wear and burr index produced and the generation of models that predict tool wear and the amount of burrs produced respectively, according to the cutting parameters in the studied area. Also, this research showed the relationship between the wear of the tool and the generation of burr, which is subject to variation of the cutting parameters so that (by controlling the wear) the tool can control the formation of burr, allowing the creation of a correlation between the wear of the tool and the amount of burr produced.

50

51

MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL

MASTER IN CIVIL ENGINEERING Determinación y análisis de modelos de correlación de respuestas estructurales asociadas a las variables de diseño de cascarones en concreto mediante medotología de superficie de respuesta .................................................................... …….52 Determination and analysis of correlation models of structural responses associated with concrete casket design variables through response surface methodology...53 Evaluación del comportamiento a compresión pura de secciones tipo cajón a partir de perfiles de acero en “c” laminados en frío con diferentes configuraciones de soldadura................................................................................................... 54

52

DETERMINACIÓN Y ANÁLISIS DE MODELOS DE CORRELACIÓN DE RESPUESTAS ESTRUCTURALES ASOCIADAS A LAS VARIABLES DE DISEÑO DE CASCARONES EN CONCRETO MEDIANTE METODOLOGÍA DE SUPERFICIE DE RESPUESTA Autor: José Luis Ahumada Villafañe Tutor: Ing. Andrés Guzmán Guerrero, Ph.D.

Esta investigación generó un modelo estadístico de correlación que permite determinar, de manera directa, las respuestas estructurales máximas como esfuerzos de compresión, tensión, cortante, von Mises y deflexiones, en un cascarón de concreto del tipo paraboloide cilíndrico, cuando es sometido a cargas gravitacionales distribuidas uniformemente sobre su superficie. Se plantearon tres etapas para desarrollar las ecuaciones de correlación como son: modelación computacional en la que se generaron las respuestas estructurales, análisis estadístico en las que se obtuvo las ecuaciones de correlación y la construcción de un modelo experimental a escala real que permitió la validación de la ecuación de correlación de deflexión.

La modelación computacional abarcó el uso del software SAP2000 V14 para determinar los valores máximos de esfuerzos de compresión (COMP), tensión (TEN), cortante (CORT), von Mises (VM) y deflexión (DEF) para cada combinación de parámetros geométricos y mecánicos (luz, altura, espesor y resistencia a la compresión). El tratamiento estadístico de los resultados de la modelación computacional abarcó el diseño factorial completo de tres niveles y tres factores 33, determinación de correlaciones mediante análisis estadístico ANOVA y seguimiento de la metodología de superficie de respuesta (MSR), obteniendo los modelos de correlación de respuestas estructurales. El modelo experimental a escala real consistió en la construcción de un cascarón tipo siguiendo los parámetros geométricos, resistencia mecánica de los materiales y cargas impuestas del modelo computacional. Finalmente, se midió la deflexión en el modelo experimental lo que permite validar la respuesta de deflexión en el modelo computacional y a su vez sirve como insumo para la generación de la ecuación de correlación.

53

DETERMINATION AND ANALYSIS OF CORRELATION MODELS OF STRUCTURAL RESPONSES ASSOCIATED WITH CONCRETE CASKET DESIGN VARIABLES THROUGH RESPONSE SURFACE METHODOLOGY Author: José Luis Ahumada Villafañe.

Advisor: Ing. Andrés Guzmán Guerrero, Ph.D.

This research generated a statistical correlation model that allows direct determination of the maximum structural responses such as compression, stress, shear stress, von Mises and deflections in a cylindrical paraboloid type concrete shell when subjected to evenly distributed gravitational loads on its surface. Three stages were developed to develop the correlation equations such as: computational modeling in which the structural responses were generated, statistical analysis in which the correlation equations were obtained and the construction of a real scale experimental model that allowed the validation of the deflection correlation equation.

The computational modeling encompassed the use of the SAP2000 V14 software to determine the maximum values of compression stress (COMP), stress (TEN), shear (CORT), von Mises (VM) and deflection (DEF) for each combination of geometric parameters and (span, height, thickness and compressive strength). The statistical treatment of the results of the computational modeling included the full factorial design of three levels and three factors 33, determination of correlations by statistical analysis ANOVA and monitoring of surface response methodology (MSR), obtaining the correlation models of responses structural. The experimental scale model consisted of the construction of a shell type following the geometric parameters, mechanical resistance of the materials and imposed loads of the computational model. Finally, the deflection was measured in the experimental model, which allows to validate the deflection response in the computational model and in turn serves as input for the generation of the correlation equation.

KEY WORDS: Concrete shell, correlation equations, response surfaces, membranes, housing of social interest and roofing.

54

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN PURA DE SECCIONES TIPO CAJÓN A PARTIR DE PERFILES DE ACERO EN “C” LAMINADOS EN FRÍO CON DIFERENTES CONFIGURACIONES DE SOLDADURA Autor: Walter Camilo Tovar Coquies Tutor: Ing. Andrés Guzmán, Ph.D.

En Colombia actualmente existe un auge en la utilización de secciones tipo cajón a partir de perfiles de acero en “c” laminados en frío con diferentes configuraciones de soldadura sometidos a carga axial pura.

Este estudio compara las resistencias nominales experimentales a compresión pura, con los parámetros de diseño según el vigente reglamento colombiano (NSR-10).

Se ensayaron un total 25 secciones armadas, las cuales se conformaron mediante perfiles en “C” de acero galvanizados, descritas en las normas vigentes (AISI-S100, 2007) (NSR-10), con configuraciones de apoyos biarticulado y empotrado-articulado, usando distintas separaciones entre cordones de soldadura, aplicándoles principalmente cargas monotónicas.

El análisis experimental se complementa con modelaciones lineales mediante software de elementos finitos y de diseño de acero laminados en frío, con el objetivo de caracterizar el comportamiento de los perfiles y determinar si la práctica constructiva va de la mano con los parámetros del reglamento NSR-10.

Básicamente los objetivos de la investigación consisten en establecer la resistencia teórica de las columnas tipo cajón laminadas en frío, teniendo en cuenta la separación de los cordones de soldadura a lo largo de su longitud y diferentes condiciones de apoyo, seguidamente de la evaluación de la resistencia experimental de las columnas tipo cajón laminadas en frío y finalmente validar el modelo computacional y valorar los efectos que causan las distintas configuraciones de los cordones de soldadura en el comportamiento y resistencia de las columnas ante cargas axiales de tipo concéntrico.

Los resultados obtenidos La tendencia actual de colocar menos cordones de soldadura para mantener en contacto mediante sus pestañas dos perfiles en C, es una práctica de la cual no se debe abusar hasta establecer parámetros de seguridad que garanticen un comportamiento más cercano a la realidad.

Al no estar los resultados experimentales dentro de los parámetros del reglamento NSR-10 se recomienda no seguir usando esta práctica en la conformación de 55

secciones armadas, pues no es posible predecir el comportamiento de forma precisa de acuerdo a la reglamentaciรณn vigente. Al estar esta prรกctica constructiva por fuera de la normatividad se recomienda suspender su uso en campo, pues basados en los resultados obtenidos se demuestra que se obtienen valor de carga axial inferiores a los teรณricos.

56

EVALUATION OF THE PURE COMPRESSION BEHAVIOR OF BOX SECTIONS FROM COLD ROLLED "C" STEEL PROFILES WITH DIFFERENT WELDING CONFIGURATIONS Author: Walter Camilo Tovar Coquies Advisor: Ing. AndrĂŠs GuzmĂĄn, Ph.D. Currently, there is in Colombia a boom in the use of box sections from cold rolled "c" steel profiles with different weld configurations subjected to pure axial loading.

This study compares the experimental nominal resistances to pure compression, with the design parameters according to the current Colombian regulation (NSR-10).

A total of 25 built up sections were tested, which were formed by galvanized steel "C" profiles, described in the current standards (AISI-S100, 2007) (NSR-10), with pinned-pinned and fix-pinned, using different separations between weld leaces, applying monotonic charges.

The experimental analysis is complemented by linear modeling using finite element and cold rolled steel design software to characterize the behavior of the profiles and to determine if the constructive practice goes hand in hand with the parameters of the NSR-10 regulation.

Basically, the research aims to establish the theoretical resistance of the cold-rolled box columns, taking into account the separation of the weld laces along their length and different support conditions, followed by the evaluation of the resistance experimental study of the cold rolled drawer columns and finally validate the computational model and evaluate the effects caused by the different configurations of the weld beads in the behavior and resistance of the columns to axial loads of the concentric type.

All results obtained a current trend of placing less welding beads to keep two tabs in contact with their tabs in C is a practice that should not be abused until safety parameters are established that guarantee a behavior closer to reality.

In the absence of experimental results within the parameters of the NSR-10 regulation, it is recommended not to continue using this practice in the formation of box sections, since it is not possible to accurately predict the behavior. This is according to current regulations.

As this constructive practice is outside the norm, it is recommended to suspend its use in the field, because based on the results obtained it is shown that axial load values are obtained inferior to the theoretical ones 57

58

MAESTRÍA EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

MASTER IN ELECTRICAL ENGINEERING Distribution network reconfiguration applying a modified binary bat algorithm….57

59

DISTRIBUTION NETWORK RECONFIGURATION APPLYING A MODIFIED BINARY BAT ALGORITHM. Autor: Michell Josep Quintero Durán Tutor: Ing. Jose Daniel Soto Ortiz, Msc. – Ing. Jhon Edwin Candelo Becerra, Msc.

Las redes de distribución están diseñadas para proporcionar energía a los usuarios.

Sin embargo, las pérdidas de potencia activa son inevitables, ya que los conductores ofrecen resistencia al flujo de corriente. La reconfiguración de las redes de distribución es una opción ampliamente utilizada para reducir las pérdidas. Esto es posible con la ayuda de interruptores instalados en el sistema, ya que pueden cambiar la topología del sistema modificando su interacción de un estado abierto a un estado cerrado, o viceversa. Para lograr este enfoque, se requieren algoritmos potentes para encontrar una solución óptima o casi óptima en un tiempo razonable, porque las operaciones de distribución se realizan en períodos de tiempo cortos.

Cuando una red de distribución es lo suficientemente grande, no es posible realizar todas las combinaciones en los estados de los switches, porque pasaría más tiempo del permitido para los operadores del sistema en tomar una decisión. Las técnicas metaheurísticas se utilizan para reducir el consumo de tiempo de CPU, mientras permiten la adquisición de buenas soluciones. En este trabajo, se propone un Algoritmo de Murciélago Binario Modificado para desarrollar el proceso de reconfiguración, y se compara con las técnicas metaheurísticas más utilizadas, como Optimización de Enjambre de Partículas (PSO) y Algoritmo Genético (GA). Las evaluaciones se realizaron en un sistema de prueba a pequeña escala (alimentador de prueba de 13 nodos IEEE) y un sistema de prueba a gran escala (alimentador de prueba de 123 nodos IEEE). Los resultados demuestran que este nuevo enfoque puede implementarse en sistemas de distribución reales.

60

DISTRIBUTION NETWORK RECONFIGURATION APPLYING A MODIFIED BINARY BAT ALGORITHM. Autor: Michell Josep Quintero Durån Advisor: Ing. Jose Daniel Soto Ortiz, Msc. – Ing. Jhon Edwin Candelo Becerra, Msc.

Distribution networks are designed to deliver power to users. However, real power losses are unavoidable, since conductors offers resistance to the current flow.

Reconfiguration of distribution networks is a widely-used option to reduce losses.

This is possible with the aid of switches that are installed in the system, since they may change the topology of the system modifying their interaction from an opened state to a closed state, or vice versa. To accomplish this approach, strong algorithms are required to find an optimal or near optimal solution in a reasonable time, because distribution operations are done in short time-periods. Where a distribution network is large enough, performing all possible combinations on states of switches is not allowable, because it would spend more time than system operators need to take a decision. Metaheuristic techniques are used for reducing cpu time consumption while acquiring good solutions. In this work, a Modified Binary Bat Algorithm is proposed for developing the reconfiguration process, and is compared against the most used metaheuristic techniques, such as Particle Swarm Optimization (PSO) and Genetic Algorithm (GA). The evaluations were done on a small-scale test system (IEEE 13node test feeder) and a large-scale test system (IEEE 123-node test feeder). The results demonstrate that this new approach can be implemented in real distribution systems.

61