Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Electricity demand forecasting in industrial and residential facilities using ensemble machine learning

ABSTRACT This article presents electricity demand forecasting models for industrial and residential facilities, developed using ensemble machine learning strategies. Short term electricity demand forecasting is beneficial for both consumers and suppliers, as it allows improving energy efficiency policies and the rational use of resources. Computational intelligence models are developed for day-ahead electricity demand forecasting. An ensemble strategy is applied to build the day-ahead forecasting model based on several one-hour models. Three steps of data preprocessing are carried out, including treating missing values, removing outliers, and standardization. Feature extraction is performed to reduce overfitting, reducing the training time and improving the accuracy. The best model is optimized using grid search strategies on hyperparameter space. Then, an ensemble of 24 instances is generated to build the complete day-ahead forecasting model. Considering the computational complexity of the applied techniques, they are developed and evaluated on the National Supercomputing Center (Cluster-UY), Uruguay. Three different real data sets are used for evaluation: an industrial park in Burgos (Spain), the total electricity demand for Uruguay, and demand from a distribution substation in Montevideo (Uruguay). Standard performance metrics are applied to evaluate the proposed models. The main results indicate that the best day ahead model based on ExtraTreesRegressor has a mean absolute percentage error of 2.55% on industrial data, 5.17% on total consumption data and 9.09% on substation data.

RESUMEN Este artículo presenta modelos de pronóstico de demanda eléctrica industrial y residencial, aplicando aprendizaje automático combinado. El pronóstico de demanda eléctrica a corto plazo beneficia a consumidores y proveedores, ya que permite mejorar las políticas de eficiencia energética y el uso racional de los recursos. Se desarrollan modelos de inteligencia computacional para el pronóstico diario de demanda eléctrica y una estrategia híbrida para construir el modelo de pronóstico diario basado en modelos para la próxima hora. Se aplican tres métodos de preprocesamiento de datos: tratamiento de valores perdidos, eliminación de valores atípicos y estandarización. Se aplica extracción de características para reducir el sobreajuste y el tiempo de entrenamiento, mejorando la precisión. El mejor modelo se optimiza mediante búsqueda de grilla en el espacio de hiperparámetros. Luego se genera un conjunto de 24 instancias para construir el modelo de pronóstico completo para el día siguiente. Las técnicas aplicadas se desarrollan y evalúan en el Centro Nacional de Supercomputación (Cluster-UY), Uruguay. Se utilizan tres conjuntos de datos reales para la evaluación: un parque industrial en Burgos (España), la demanda eléctrica total de Uruguay y la demanda de una subestación de distribución en Montevideo (Uruguay). Se aplican métricas estándar para evaluar los modelos propuestos. Los resultados indican que el mejor modelo, basado en ExtraTreesRegressor, tiene un error porcentual medio de 2, 55% en datos industriales, 5, 17% en consumo total y 9, 09% en subestación.

Method of monitoring and detection of failures in PV system based on machine learning

ABSTRACT Machine learning methods have been used to solve complicated practical problems in different areas and are becoming increasingly popular today. The purpose of this article is to evaluate the prediction of the energy production of three different photovoltaic systems and the supervision of measurement sensors, through Machine learning and data mining in response to the behavior of the climatic variables of the place under study. On the other hand, it also includes the implementation of the resulting models in the SCADA system through indicators, which will allow the operator to actively manage the electricity grid. It also offers a strategy in simulation and prediction in real-time of photovoltaic systems and measurement sensors in the concept of smart grids.

RESUMEN Los métodos de aprendizaje automático se han utilizado para resolver problemas prácticos complicados en diferentes áreas y se están volviendo cada vez más populares hoy en día. El propósito de este artículo es evaluar la predecición de la producción de energía de tres sistemas fotovoltaicos diferentes y la supervision de sensores de medición, por medio un aprendizaje automático y minería de datos en respuesta al comportamiento de las variables climáticas del lugar en estudio. Por otro lado, también incluye la implementación de los modelos resultantes en el sistema SCADA por medio de indicadores, que permitirá al operador gestionar activamente la red eléctrica. Ademas ofrece una estrategia en la simulación y predicción en tiempo real de sistemas fotovoltaicos y sensores de medición en el concepto de redes inteligentes.

Spatial coherence modulation using plane waves generated with a digital micromirror device

ABSTRACT Plane waves generated and alternated using a Digital Micromirror Device (DMD) were evaluated for modulating the spatial coherence of a laser beam. The spatial coherence and its modulation can be represented as a sampling problem in the temporal domain. In this way, the integration time in the detector, the frame rate of the DMD, and the laser coherence time were properly adjusted or chosen to achieve the effect of a beam with a particular state of spatial coherence. Two methods were applied to superpose the plane waves and produce controlled visibility variations in the interferogram of a Young’s experiment. The visibility measurements show the variation of the modulus of the complex degree of spatial coherence, controlled by simple phase modulation, and between a pair of points on the wavefront. This procedure, which uses no mobile parts, could be applied in digital holography denoising, beam shaping, optical communications and optical metrology and imaging.

RESUMEN Se utilizó un dispositivo digital de microespejos (DMD) para generar y alternar ondas planas. Estas ondas planas se evaluaron para modular la coherencia espacial de un haz de luz láser. La coherecia espacial y su modulación pueden ser entendidas como un problema de muestreo en el dominio temporal. De esta forma, el tiempo de integración en el detector, el tiempo de refrescamiento de cuadros en el DMD y el tiempo de coherencia del láser, fueron aprovechados para lograr el efecto de un haz de luz con estado de coherencia espacial específico. Se aplicaron dos métodos en la superposición de las ondas planas para producir variaciones controladas en la visibilidad de interferogramas obtenidos en un experimento de Young. Las mediciones de visibilidad mostraron la variación del módulo del grado complejo de coherencia, a través de modulación de fase, y entre un par de punto en el frente de onda. Este procedimiento, que no utiliza partes móviles, puede ser aplicado en reducción de ruido en holografía digital, conformación de haces de luz, telecomunicaciones ópticas y metrología.

A comprehensive study of a similarity criterion in cardiac computerized tomography images enhancement

ABSTRACT This research focuses on the study of a particular filter based on a similarity criterion that has been applied to improve the information contained in images acquired using different cardiac imaging modalities. The primary attention of this study is to examine which component of the similarity criterion generates more relevant information useful to increase the medical image quality. In this sense, four case studies are established, first a complete formulation of the similarity criterion is considered, and then three additional cases, representing each component of the criterion; such cases are referred to as full, main, residual 1, and residual 2, respectively. A score function is used for quantifying and then assessing the impact of each component of the similarity criterion. Such measure is a relation between some full-reference and blind-reference image enhancement measures. A computer generated phantom and a representative clinical dataset (1,270 three-dimensional images from 126 patients) are used in a thorough evaluation of the similarity criterion. In general terms of performance of the image enhancement technique, the results of the study reveal that the component residual 1 outperforms than the other two components of similarity criterion or its complete formulation.

RESUMEN Este trabajo se focaliza en el estudio de un filtro particular basado en un criterio de similaridad que se ha aplicado para realzar la información contenida en las imágenes adquiridas bajo diferentes modalidades de imagenología cardiaca. La atención principal de este estudio es examinar qué componente del criterio de similaridad genera información más relevante, útil para para aumentar la calidad de la imagen médica. En este sentido, se establecen cuatro estudios de caso, primero se considera una formulación completa del criterio de similaridad, y luego tres casos adicionales relacionados cada uno con cada componente del criterio, dichos casos se denominan full, main, residual 1, y residual 2, respectivamente. Para el estudio, se considera la utilización de una función de puntuación para cuantificar y posteriormente evaluar el impacto de cada componente del criterio de similaridad. Dicha medida es una relación entre algunas medidas de mejora de imagen de referencia completa y otras de referencia ciega. Un phanthom generado por computadora y un conjunto de datos clínicos representativos, 1.270 imágenes tridimensionales de 126 pacientes, se utilizan en una evaluación exhaustiva del criterio de similaridad. En términos generales de rendimiento de la técnica de mejora de la imagen, los resultados del estudio revelan que la componente residual 1 supera a las otras dos componentes del criterio o a su formulación completa.

Study of mechanisms responsible for foaming-agent loss in porous media at high-temperature conditions

ABSTRACT Steam-foam processes require the correct selection of a surfactant agent resistant to high temperatures, stable over time, and capable of producing mobility reduction of the steam. A state-of-the-art revision allows identifying the main phenomena that could cause surfactant loss in porous medium. These phenomena are phase partitioning, adsorption, and thermal degradation, where phase partitioning could cause higher loss. Additionally, adsorption and phase partitioning have a direct relationship with the surfactant concentration below its critical micellar concentration. Reservoir conditions such as temperature, salinity and presence of clay are parameters that influence surfactant solution behavior. High temperatures in porous medium could reduce tensoactive loss by adsorption due to exothermic reactions. However, the foaming agent could be partitioned into oleic phase owing to viscosity reduction and molecules motion improvement towards crude oil. High concentrations of salt could increase adsorption measurements, produce surfactant preference to oil or even precipitation. Surfactant solution should be formed by a mixture of components that provides stability during the steam injection process. Generally, the solution is composed mainly of an anionic surfactant. Some widely used surfactants are alkyl aryl sulfonates and alpha olefin sulfonates, suitable for steam procedures up to 300°C. Despite, non-ionic surfactants, and pH adjustment substance could be added to give foaming agent an improved performance.

RESUMEN Los procesos de inyección vapor-espuma requieren de la selección de un agente surfactante resistente a altas temperaturas, estable durante el tiempo y que reduzca la movilidad del vapor. La revisión del estado del arte permite identificar los principales fenómenos que producen pérdida de tensoactivo. Estos fenómenos son partición de fase, adsorción y degradación térmica, en donde el fenómeno de partición podría llegar a ser el más problemático. La adsorción y partición presentan un comportamiento directamente relacionado con la concentración micelar crítica del surfactante; además de verse afectadas por ciertas condiciones del yacimiento como lo son la temperatura, la salinidad y la presencia de arcillas. Las altas temperaturas podrían reducir la pérdida del tensoactivo en el caso de la adsorción; sin embargo, en la partición aumentaría la preferencia del agente a la fase oleica debido a la reducción de la viscosidad del aceite. Las altas concentraciones de sal podrían aumentar la adsorción, producir una inversión de fase o incluso la precipitación del surfactante. El agente debe estar conformado por una mezcla de componentes que le proporcionen estabilidad. Generalmente, la solución está compuesta principalmente por surfactantes aniónicos. Los surfactantes ampliamente usados son los alquíl aríl sulfonatos y los sulfonatos de alfa olefina, estables hasta 300°C. No obstante, existen componentes que pueden ser añadidos para mejorar su rendimiento, como lo son los surfactantes no iónicos o sustancia reguladoras de pH.

Numerical modelling of the oscillatory flow effect around submarine pipelines

ABSTRACT This work describes the dynamics of an underwater pipeline subjected to an incident flow composed of a uniform flow and a sinusoidal component. The motion equations of the pipeline and the fluid flow around the pipeline are solved simultaneously with a numerical model that considers in-line oscillations (one degree of freedom) and a second numerical model that additionally includes cross flow (two degrees of freedom). The amplitude response and drag forces on the pipe are compared for both models considering parameters such as the difference between the excitation and natural frequencies of pipelines and the relative value between the sinusoidal and uniform components of the incident flow. Important differences in numerical predictions of both models are observed when the excitation frequency is greater than the natural frequency of the system and when the amplitude of the oscillatory component of the incident flow is greater than the amplitude of the uniform flow.

RESUMEN En este trabajo se estudia la dinámica de una tubería submarina expuesta a un flujo incidente compuesto por un flujo uniforme y una componente sinusoidal. Las ecuaciones de movimiento de la tubería y del flujo de fluidos alrededor de la tubería son resueltas simultáneamente con un modelo numérico que considera oscilaciones alineadas en la dirección del flujo (un grado de libertad) y un segundo modelo numérico que incluye adicionalmente flujo cruzado (dos grados de libertad). La respuesta en amplitud y las fuerzas de arrastre sobre la tubería de ambos modelos se compara tomando en consideración parámetros tales como la diferencia entre las frecuencias de excitación y natural de la tubería y el valor relativo entre las componentes sinusoidal y uniforme del flujo incidente. Se observan diferencias importantes en las predicciones numéricas entre ambos modelos cuando la frecuencia de excitación es mayor que la frecuencia natural del sistema y cuando la amplitud de la componente oscilatoria del flujo incidente es mayor que la del flujo uniforme.

Activated carbon from cassava peel: A promising electrode material for supercapacitors

ABSTRACT Supercapacitors are conventional devices in electrical circuits that produce electrical pulses at high power levels in short periods. Electrodes for supercapacitors were prepared with activated carbon. Activated carbon was obtained from cassava peels treated by chemical activation with potassium hydroxide (KOH) and phosphoric acid (H3PO4), each at two different concentrations and at one carbonization temperature. The electrochemical performance of the prepared electrodes was obtained by means of cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge in a 3-electrode system with an electrolytic solution of sulfuric acid (H2SO4) 1 M. Cyclic voltammetry allowed identifying the behavior of supercapacitors in a potential window of -0.4V to 0.6V. Activated carbon derived from cassava peel with the highest specific surface area (398.46 m2/g) has exhibited the maximum specific capacitance of 64.18 F/g.

RESUMEN Los supercondensadores son dispositivos eléctricos, comunes en circuitos eléctricos, que producen pulsos eléctricos de alta potencia en cortos periodos de tiempo. Los electrodos para los supercondensadores, de este trabajo, fueron preparados con carbón activado. Los carbones activados fueron obtenidos a partir de cáscara de yuca, la cual se trató mediante activación química con hidróxido de potasio (KOH) y ácido fosfórico (H3PO4), cada uno a dos diferentes concentraciones y a una temperatura de carbonización. El desempeño electroquímico de los electrodos preparados fue obtenido por medio de pruebas de voltametría cíclica y ensayos de carga-descarga galvanostática, en un sistema de tres electrodos con ácido sulfúrico (H2SO4) 1 M como solución electrolítica. La voltametría cíclica permitió identificar el comportamiento capacitivo en una ventana de potencia de -0,4V a 0,6V. Los carbones activados, derivados de cáscara de yuca, con la mayor área superficial específica (398,46 m2/g) exhibieron la mayor capacitancia específica, alrededor de 64 F/g.

Analysis and optimization of the spin beam in the CCA-5000 Cuban sugarcane harvester

ABSTRACT A linear dynamic study of the tensional status of the unloading conveyor´s spin beam in the new model CCA-5000 Cuban sugarcane harvester is carried out. The dynamic coefficients were determined using a strain gauge experimental evaluation of the KTP-23 harvester, which is a similar model in structure to the CCA-5000. A finite elements analysis is used to obtain the safety distribution factor and the tensions in the beam for different load combinations linked to a dynamic variation curve of the loads. Aiming to verify the presence or not of large amplitudes on the system oscillations caused by the resonance phenomenon, an analysis of the frequency modes for each load status is conducted, and the results are compared with the terrain irregularities frequencies on which the harvester moves. Finally, taking into account the previous results, the shape of the beam is optimized in order to decrease its steel volume.

RESUMEN Se realiza un estudio dinámico lineal del estado tensional de la viga de giro del transportador de descarga del nuevo modelo de cosechadora cañera cubana CCA-5000. Se determinaron los coeficientes dinámicos a partir de la evaluación experimental extensométrica de la cosechadora KTP-23, modelo análogo en su estructura a la CCA-5000. Utilizando el análisis por medio de los elementos finitos se obtiene la distribución del factor de seguridad y las tensiones en la viga para las diferentes combinaciones de cargas actuantes asociadas a una curva de variación dinámica de estas. Se realiza un análisis de los modos de frecuencias para cada estado de carga y se comparan los resultados con las frecuencias de las irregularidades de los terrenos por los que se desplaza la cosechadora, con el objetivo de verificar la aparición o no de grandes amplitudes en las oscilaciones del sistema por el fenómeno de la resonancia. Se realiza la optimización de forma de la viga teniendo en cuenta los resultados anteriores con el objetivo de disminuir el volumen de metal de esta.

Conceptual design of an alignment device for transfemoral prosthesis

ABSTRACT The alignment of lower limb prosthesis is one of the most significant procedures for prosthetic adaptation since it allows greater comfort and fulfillment of the prosthesis function. Prosthetic misalignment can lead to severe consequences for the patient, such as gait instability and increased load on the residual limb. The fitting and alignment of the prosthetic system is a highly subjective procedure that relies mainly on the professional experience of the prosthetist. This study aims to design a prototype of a low-cost alignment device for lower transfemoral prosthesis to be used temporarily during the prosthesis static alignment. The conceptual design methodology was implemented. The device was modeled in SolidWorks, and the mechanical resistance of the device was determined in a finite element analysis in Ansys. Among the tested materials, CarbonFil exhibited the best behavior showing promising results for a 3D printed alignment device prototype. The viability of this device’s massive production should be considered to further reduce its cost and be implemented in a larger number of prosthetic centers worldwide.

RESUMEN La alineación de las prótesis de miembro inferior es uno de los procedimientos más importantes para la adaptación protésica, ya que permite una mayor comodidad y cumplimiento de la función de la prótesis en el paciente. Los problemas en la alineación protésica pueden llevar a consecuencias graves para el paciente, como la inestabilidad de la marcha y el aumento de la carga en la extremidad residual. El ajuste y alineación de la prótesis requiere una gran precisión y experiencia profesional, lo que hace que este procedimiento sea altamente subjetivo. El objetivo de este estudio es diseñar un prototipo de dispositivo de alineación estática de bajo costo para prótesis transfemorales a través de la metodología de diseño conceptual. El dispositivo se modeló en el software SolidWorks, y se llevó a cabo un modelado de elementos finitos utilizando el software Ansys. Entre los materiales probados, el CarbonFil exhibió el mayor factor de seguridad, por lo que podría ser un material prometedor para la impresión 3D del prototipo. Se debe considerar la viabilidad de la producción masiva de este dispositivo para reducir aún más su costo y para implementarlo en un mayor número de centros protésicos de todo el mundo.

Simulation of methanol production from residual biomasses in a Cu/ZnO/Al₂O₃ packed bed reactor

ABSTRACT This article aims to simulate an algorithm constructed in MATLAB to represent the catalytic conversion of SYNGAS into methanol in a packed-bed reactor, based on chemical kinetics for a heterogeneous system with a Cu/ZnO/Al2O3 as a catalyst, and complementary math and phenomenological models, as a pressure drop and catalyst deactivation. Model validation is developed, comparing reference results and the results by running the algorithm in MATLAB using a reference SYNGAS composition. Also, the constructed model considers a catalyst deactivation by sintering and pressure drop along the reactor. Several parameters were evaluated to identify the pro conditions for methyl alcohol production; these parameters include the gasifying agent selection, the biomass and steam ratio effect, and the biomass origin.

RESUMEN El objetivo de este artículo es simular un algoritmo construido en MATLAB para representar la conversión catalítica de SYNGAS en metanol en un reactor de lecho empaquetado, basados en la cinética química para un sistema heterogéneo con un Cu/ZnO/Al2O3 como catalizador, y en modelos matemáticos y fenomenológicos, como caída de presión y desactivación del catalizador. Se realiza una validación del modelo, comparando los resultados de referencia y los resultados obtenidos al ejecutar en el algoritmo MATLAB la composición de referencia SYNGAS. Además, el modelo construido considera una desactivación del catalizador por sinterización y caída de presión a lo largo del reactor. Se evaluaron varios parámetros para identificar las condiciones para la producción de alcohol metílico; Estos parámetros incluyen la selección del agente gasificante, el efecto de la relación de biomasa y vapor y el origen de la biomasa.