Ingeniería

Solving the Power Flow Problem in Transmission Networks Using Nonlinear Complex-Domain Modeling Via Julia Software

Lightning Occurrence between 2016 and 2020 in Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia

Abstract Context: Lightning is a powerful natural phenomenon that poses a risk to life and infrastructure, given the enormous amounts of energy it can transfer in short periods of time, especially in cloud-to-ground strikes. Since lightning requires specific meteorological conditions for its generation, its occurrence is often influenced by conditions such as topography, rainfall, and wind patterns. Therefore, having information about lightning occurrences in a region is crucial for comprehensive risk management against this extreme natural phenomenon. Methods: In this study, we implemented a methodology based on knowledge discovery in databases (KDD) to analyze and visualize data provided by Vaisalas’s GLD360 lightning location network. Results: The results indicate that, in Fusagasugá, Cundinamarca, there are two lightning activity peaks: one in the first half of the year (March) and another in the second half (October). Lightning events are most frequent during the afternoon, with a peak around 5:00 p.m. (local time). Additionally, most lightning events occur in two areas with low population density, covering 25 % of the territory and ranging from 500 to 1000 meters above sea level. Conclusions: These findings highlight the importance of preciseknowledge regarding the location of lightning events for planning prevention and risk management. In this case, efforts and resources should primarily focus on a small proportion of the municipality to substantially impact the population and infrastructure.

Resumen Contexto: Los rayos son un fenómeno natural poderoso que representa un riesgo para la vida y la infraestructura, pues puede transferir enormes cantidades de energía en cortos periodos de tiempo, especialmente en descargas nube-tierra. Dado que los rayos requieren condiciones meteorológicas específicas para su generación, su ocurrencia suele estar influenciada por factores como la topografía, la precipitación y los patrones de viento. Por lo tanto, contar con información sobre la ocurrencia de rayos en una región es crucial para una gestión integral del riesgo frente a este fenómeno natural extremo. Métodos: En este estudio se implementó una metodología basada en la extracción de conocimiento en bases de datos (KDD) para analizar y visualizar los datos proporcionados por la red de localización de rayos GLD360 de Vaisala. Resultados: Los resultados indican que, en Fusagasugá, Cundinamarca, existen dos picos de actividad de rayos: uno en la primera mitad del año (marzo) y otro en la segunda mitad (octubre). Los eventos de rayos son más frecuentes durante la tarde, con un pico alrededor de las 5:00 p.m. (hora local). Además, la mayoría de los eventos de rayos ocurren en dos áreas con baja densidad poblacional, que cubren el 25 % del territorio y se encuentran a una altitud de entre 500 y 1000 metros sobre el nivel del mar. Conclusiones: Estos hallazgos destacan la importancia de contar con un conocimiento preciso sobre la ubicación de los eventos de rayos para la planificación de la prevención y la gestión del riesgo. En este caso, los esfuerzos y recursos deben centrarse principalmente en una pequeña proporción del municipio para tener un impacto sustancial en la población y la infraestructura.

Extreme Testing of Guard Cables with Fiber Optics: A Case Study

Abstract Context: Optical fiber ground wires (OPGWs) sometimes melt and rupture when exposed to extreme conditions, such as atmospheric discharges, short circuits, and corrosive agents, that affect their electrical and mechanical properties. These conditions depend on the geographical area where the cable is installed, with the most critical being industrial and coastal zones as well as marine and mountainous environments. This research analyzes a cable rupture due to lightning strikes from a coastal zone. Method: The analysis discusses cable selection criteria based on engineering specifications. It also discusses standardized test methods and procedures. The tests performed are based on visual and dimensional inspections, mechanical stress assessments, and chemical analysis. Results: The complete analysis allows determining the necessary basis for the characterization and mathematical parameterization of OPGWs, establishing considerations that contribute to proper functioning in order to reduce communication and power supply interruptions. Conclusions: This study helps to estimate the behavior of the entire structure and the quality of failed OPGWs, providing insights into improving cable design and maintenance practices in harsh environments.

Resumen Contexto: Los cables de tierra con fibra óptica (OPGW) a veces se derriten y rompen cuando se exponen a condiciones extremas como descargas atmosféricas, cortocircuitos y agentes corrosivos, lo que afecta sus propiedades eléctricas y mecánicas. Dichas condiciones dependen de la zona geográfica donde se instale el cable; las áreas más críticas son las zonas industriales y costeras, así como los ambientes marinos y montañosos. Esta investigación analiza la ruptura de un cable debido a rayos en una zona costera. Método: Este análisis discute los criterios de selección de cables basados en especificaciones de ingeniería. También se discuten los métodos y procedimientos de prueba estandarizados. Las pruebas realizadas se basan en inspecciones visuales y dimensionales, pruebas de esfuerzo mecánico y análisis químico. Resultados: El análisis completo permite obtener las bases necesarias para la caracterización y parametrización matemática de los OPGW, estableciendo consideraciones que contribuyen al correcto funcionamiento para reducir las interrupciones de comunicación y suministro eléctrico. Conclusiones: Este estudio ayuda a estimar el comportamiento de toda la estructura y la calidad de OPGW fallidos, proporcionando información para mejorar el diseño y las prácticas de mantenimiento de los cables en entornos adversos.

Passivity-Based Model-Predictive Control for the Permanent Magnet Synchronous Machine

Abstract Context: This study focuses on advanced control techniques for permanent magnet synchronous machines (PMSMs), which are crucial in various industrial applications due to their efficiency and precise control requirements. Passivity-based control methods offer stability and performance, addressing these challenges effectively. Method: A passivity-based model predictive control (MPC) is proposed, integrating port-Hamiltonian representation with optimization. Stability theorems are theoretically explored. The simulation evaluates the performance of our proposal under different prediction horizons and stability constraints. Results: The proposed MPC is analyzed across several horizons, both including and excluding passivity and exponential stability constraints. Conclusions: This study presents a novel passivity-based MPC approach for PMSM speed regulation, highlighting the importance of stability constraints. Future research should extend this controller to synchronous machines in power systems and voltage source converters.

Resumen Contexto: Este estudio se centra en técnicas avanzadas de control para máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM), fundamentales en diversas aplicaciones industriales debido a su eficiencia y requisitos de control precisos. Los métodos de control basados en pasividad ofrecen estabilidad y rendimiento y permiten abordar eficazmente estos desafíos. Métodos: Se propone un control predictivo basado pasividad (MPC), integrando la representación port-Hamiltoniana con la optimización. Se exploran teoremas de estabilidad teóricamente. La simulación evalúa el rendimiento de nuestra propuesta bajo diferentes horizontes de predicción y restricciones de estabilidad. Resultados: El MPC propuesto se analiza en varios horizontes, incluyendo y excluyendo restricciones de pasividad y estabilidad exponencial. Conclusiones: Este estudio presenta un enfoque novedoso de MPC basado en pasividad para la regulación de velocidad de PMSM, destacando la importancia de las restricciones de estabilidad. La investigación futura debería extender este controlador a máquinas síncronas en sistemas de energía y convertidores de fuente de voltaje.

Comparative Analysis of the Julia and AMPL Computational Tools Used in the Radial Distribution Network Optimization Problem

Abstract Context: Research on the development of mathematical models to optimize electric power distribution systems has become increasingly important in recent years. Choosing the right optimization tools and solvers to address optimization problems in these systems has therefore become fundamental. Method: Nonlinear and mixed-integer nonlinear mathematical models addressing optimal capacitor placement and the allocation of distributed generation were implemented in the AMPL and Julia platforms. These models together with the Ipopt, Knitro, and Bonmin solvers, were tested and compared using 33-, 69-, and 83-bus test systems. sults: The comparative analysis shows that AMPL allows for a more direct and adequate implementation of this type of optimization problem, while Julia requires more elaborate constructions. The experimental results show significant reductions in system losses through optimal capacitor and distributed generation placement. Conclusions: AMPL offers a faster learning curve and a syntax that is more suitable for mathematical modeling. On the other hand, Julia provides superior versatility and access to a wider diversity of solvers. Although the evaluated nonlinear solvers proved to be suitable for the non-convex models and reached equivalent solutions, Knitro, a commercial solver, exhibited shorter processing times. In this sense, choosing between free or commercial alternatives involves a compromise between processing times and the available budget. Furthermore, solving the aforementioned optimization problems effectively minimized losses in the test systems. These models are basic versions that can be extended to more complex optimization problems.

Resumen Contexto: La investigación sobre el desarrollo de modelos matemáticos para optimizar los sistemas de distribución de energía eléctrica ha cobrado cada vez más importancia en los últimos años. La selección de las herramientas de optimización y solvers adecuados para resolver los problemas de optimización en estos sistemas se ha vuelto fundamental. Método: Se implementaron modelos matemáticos no lineales y no lineales de enteros mixtos para abordar la ubicación óptima de capacitores y generación distribuida en las plataformas AMPL y Julia. Estos modelos, junto con los solvers Ipop, Knitro y Bonmin, fueron evaluados y comparados utilizando sistemas de prueba de 33, 69 y 83 barras. Resultados: El análisis comparativo evidencia que AMPL permite una implementación más directa y adecuada para este tipo de problemas de optimización, mientras que Julia requiere construcciones más elaboradas. Los resultados experimentales evidencian reducciones significativas en las pérdidas del sistema mediante la ubicación optima de capacitores y generación distribuida. Conclusiones: AMPL ofrece una curva de aprendizaje más rápida y una sintaxis más adecuada para el modelado matemático. Por otro lado, Julia proporciona una versatilidad superior y acceso a una diversidad más amplia de solvers. Aunque los solvers no lineales evaluados resultaron adecuados para los modelos no convexos y alcanzaron soluciones equivalentes, Knitro, un solver comercial, presentó tiempos de procesamiento más cortos. En este sentido, elegir entre alternativas gratuitas o comerciales implica un compromiso entre los tiempos de procesamiento y el presupuesto disponible. Además, la solución de los problemas de optimización mencionados permitió minimizar de manera efectiva las perdidas en los sistemas de prueba. Estos modelos son versiones básicas que pueden ampliarse a problemas de optimización más complejos.

Hand Tremor Characterization from a Spatiotemporal Convolutional Representation

Abstract Context: Parkinson’s Disease (PD) is a neurodegenerative disorder related to dopamine deficiency that mainly entails motor conditions such as slowness of movement, postural instability, limb tremor, rigidity, and a decreased range of motion. Tremor, defined as a rhythmic and uncontrolled movement of limbs, is the most prevalent symptom in PD. In the clinical routine, tremors are assessed and quantified by observing the hands following postural and resting patterns. These configurations include voluntary muscular contractions and tremor perception reduction, which leads to noisy signals. The assessments are also subjective and depend on the expertise of professionals to determine whether the tremor is associated with PD. Method: This work introduces a deep volumetric representation that characterizes PD tremor patterns in resting and postural recording conditions. The strategy includes a convolutional architecture that extracts spatiotemporal patterns correlated with tremor, propagated through different layers until dis- crimination between PD and control subjects is achieved. Moreover, a set of explainability maps is computed by backpropagating output gradients into convolutionally learned spatio-temporal maps. Results: The method was evaluated on 80 videos (five PD patients and five control subjects), reporting an average accuracy of 92.5 % and a perfect sensitivity score in the postural configuration. As for the resting scheme, the proposed method obtained an average accuracy of 90 % and sensitivity of 80 %. Conclusions: This approach showed efficacy regarding the localization of tremor patterns, recovering movement information while preserving the spatial and temporal representation. The strategy allows visualizing movement patterns from explainability maps of control subjects and PD patients.

Resumen Contexto: La enfermedad de Parkinson (EP) es un trastorno neurodegenerativo relacionado con la deficiencia de dopamina que conlleva principalmente afecciones motoras como lentitud de movimientos, inestabilidad postural, temblor de las extremidades, rigidez y disminución del rango de movimiento. El temblor, definido como un movimiento rítmico e incontrolado de las extremidades, es el síntoma más prevalente de la EP. En la rutina clínica, los temblores se evalúan y cuantifican observando las manos siguiendo patrones posturales y de reposo. Estas configuraciones incluyen contracciones musculares voluntarias y reducción de la percepción del temblor, lo que conduce a señales ruidosas. Las evaluaciones también son subjetivas y dependen de la experiencia de los profesionales para determinar si el temblor está asociado a la EP. Método: Este trabajo introduce una representación volumétrica profunda que caracteriza los patrones de temblor en la EP en condiciones de registro en reposo y posturales. La estrategia incluye una arquitectura convolucional que extrae patrones espaciotemporales correlacionados con el temblor, los cuales se propagan a través de diferentes capas hasta lograr la discriminación entre sujetos con EP y sujetos control. Además, se calcula un conjunto de mapas de explicabilidad retropropagando los gradientes de salida hacia los mapas espaciotemporales aprendidos de forma convolucional. Resultados: El método fue evaluado en 80 videos (cinco pacientes con EP y cinco sujetos control), reportando una precisión promedio del 92.5 % y una puntuación de sensibilidad perfecta en la configuración postural. En cuanto al esquema en reposo, el método propuesto obtuvo una precisión promedio del 90 % y una sensibilidad del 80 %. Conclusiones: Este enfoque mostró eficacia en la localización de los patrones de temblor, recuperando información de movimiento mientras preservaba la representación espacial y temporal. La estrategia permite visualizar los patrones de movimiento a partir de mapas de explicabilidad tanto de sujetos control como de pacientes con EP.

Advanced Neural Model for Spanish Spell-Checking

Abstract Context: Correcting spelling errors in written content, particularly in Spanish texts, remains a critical challenge in natural language processing (NLP> due to the complexity of word structures and the inefficiency of existing methods when applied to large datasets. Method: This paper introduces a novel neural model inspired by the brain’s cognitive mechanisms for recognizing and correcting misspelled words. Through a deep hierarchical framework with specialized recognition neurons and advanced activation functions, the model is designed to enhance the accuracy and scalability of spelling correction systems. Our approach not only improves error detection but also provides context-aware corrections. Results: The results show that the model achieves an F-measure of 83 %, significantly surpassing the 73 % accuracy of traditional spell-checkers, marking a substantial advancement in automated spelling correction for the Spanish language. Conclusions: The features of the neural model facilitate spelling correction by emulating the cognitive mechanisms of the human mind. Our model detects more orthographic error types and reports less false positives. As for its limitations, this proposal requires the supervised definition of the weights assigned to the variables used for recognition.

Resumen Contexto: La corrección de errores ortográficos en textos escritos, especialmente en textos en español, sigue siendo un desafío crucial en el procesamiento del lenguaje natural (PLN> debido a la complejidad de las estructuras de las palabras y la ineficacia de los métodos existentes cuando se aplican a grandes conjuntos de datos. Método: Este artículo presenta un novedoso modelo neuronal inspirado en los mecanismos cognitivos del cerebro para reconocer y corregir palabras mal escritas. A través de un marco jerárquico profundo con neuronas de reconocimiento especializadas y funciones de activación avanzadas, el modelo está diseñado para mejorar la precisión y la escalabilidad de los sistemas de corrección ortográfica. Nuestro enfoque no solo mejora la detección de errores, sino que también proporciona correcciones conscientes del contexto. Resultados: Los resultados muestran que el modelo alcanza una medida F del 83 %, superando significativamente el 73 % de precisión de los correctores ortográficos tradicionales, lo que representa un avance sustancial en la corrección automática de ortografía para el idioma español. Conclusiones: Las funcionalidades del modelo neuronal computacional facilitan la corrección ortográfica al emular los mecanismos cognitivos de la mente humana. Nuestro modelo detecta más tipos de errores ortográficos y presenta menos falsos positivos. En cuanto a las limitaciones, la propuesta requiere una definición supervisada de los pesos asignados a las variables que se utilizan para el reconocimiento.

Development of an Alcoholic Beverage from Cubio (Tropaeolum tuberosum Ruiz & Pav.) Using Saccharomyces bayanus Yeast

Abstract Context: Cubio (Tropaeolum tuberosum), an ancestral tuber cultivated in select regions of Colombia, possesses significant nutritional value but remains a marginalized crop. This study aims to enhance the recognition of cubio by diversifying its applications through the production of a fermented alcoholic beverage. Method: Initially, the cubio tuber was characterized. A concentrated and enzymatic pretreatment utilizing alpha-amylase and glucoamylase was employed to release sugars. Afterwards, fermentation was carried out, using Saccharomyces bayanus in a carefully controlled bioreactor setting. The fermentation medium was composed of 0.1 % (NH4) H2PO4, 0.3 % MgSO4, 0.5 % peptone, and 0.3 % yeast extract, with the aim of reaching an alcohol content of 15 °GL. The bioreactor was inoculated with Saccharomyces bayanus at 25 °C, maintaining a pH of 5.2 and an agitation speed of 100 rpm. Daily monitoring of pH levels, sugar concentrations, and biomass was conducted over a 15-day period. Finally, the physicochemical properties, physical attributes, and sensory qualities of the resulting product were assessed. Results: The analysis of the cubio tuber revealed the presence of 2.18 ± 0.002 % reducing sugars, 4.48 ± 0.064 % proteins, and 1.66 ± 0.015 % starch. Throughout the fermentation process, the yeast exhibited a growth rate of 2.3786 mg.L−1.day−1. As a result, the concentration of reducing sugars decreased to 15.45 mg.L−1.day−1, and an alcohol production of 1.1786 ºGL.day−1 was observed. The final alcoholic beverage contained 15.24 °GL, with a pH of 4.5 and a total acidity of 7.21 ± 0.029 g. L−1. Additionally, an expert panel positively rated the flavor and aroma of the beverage. Conclusions: It is technologically possible to produce a fermented alcoholic beverage of adequate quality from the cubio tuber, implying an alternative use for this ancestral crop.

Resumen Contexto: Cubio (Tropaeolum tuberosum), un tubérculo ancestral cultivado en regiones selectas de Colombia, posee valor nutricional significante pero continúa siendo marginalizado. Este estudio busca expandir el reconocimiento del cubio al diversificar sus aplicaciones mediante la producción de una bebida alcohólica fermentada. Método: Inicialmente, el tubérculo de cubio fue caracterizado. Se empleó un pretratamiento concentrado y enzimático para liberar azúcares. Después se llevó a cabo el proceso de fermentación, utilizando Saccharomyces bayanus en un biorreactor cuidadosamente configurado y controlado. El medio de la fermentación estaba compuesto de 0.1 % de (NH4) H2PO4, 0.3 % de MgSO4, 0.5 % de peptona y 0.3 % de extracto de levadura, a fin de alcanzar un contenido de alcohol de 15 °GL. El biorreactor fue inoculado con Saccharomyces bayanus a 25 °C, manteniendo un pH de 5.2 y una velocidad de agitación de 100 rpm. Se monitorearon diariamente los niveles de pH, la concentración de azúcar y la biomasa a lo largo de un periodo de 15 días. Finalmente, se evaluaron las propiedades fisicoquímicas, los atributos físicos y las cualidades sensoriales del producto resultante. Resultados: El análisis del tubérculo de cubio evidenció la presencia de 2.18 ± 0.002 % de azúcares reductores, 4.48 ± 0.064 % de proteína y 1.66 ± 0.015 % de almidón. A lo largo del proceso de fermentación, la levadura mostró una tasa de crecimiento de 2.3786 mg.L−1.día−1. Como resultado, la concentración de azúcares reductores se redujo a 15.45 mg.L−1.día−1, y se observó una producción de alcohol de 1.1786 ºGL.día−1. La bebida alcohólica final contenía 15.24 °GL, con un pH de 4.5 y una acidez total de 7.21 ± 0.029 g. L−1. Adicionalmente, un panel de expertos calificó positivamente el sabor y el aroma de la bebida. Conclusiones: Es tecnológicamente posible producir una bebida fermentada alcohólica de calidad adecuada a partir de tubérculo de cubio, lo que implica un uso alternativo para este cultivo ancestral.

Bolstering the Spatial Rotation Ability to Understand the Topics of Point and Line in Descriptive Geometry

Abstract Objective: The main objective is to determine how the spatial rotation ability (HER) is enhanced in first-year engineering students of Universidad Tecnológica de Pereira (UTP). Methodology: A qualitative study is proposed which is aimed at understanding the role of students’ prior ideas in the development of the HER. Initially, a test (PSVT: R) is administered to a group of students as a pre-test. Four of these students are selected using a Student’s t-test. Then, an instrument that measures the notions regarding the concepts of point and line that students have developed since childhood is applied. Results: After conducting the post-test, progress in the students’ HER is evident. This difference was statistically significant (p<0.05). The tests of the four selected students were analyzed using the Atlas ti software. Conclusions: The development of the HER was evidenced in the results of the normalized PSVT: R post-test, implying the evolution of students’ (previous, vague, and imprecise) ideas regarding 3D notions of point and line.

Resumen Objetivo: El objetivo principal es determinar cómo se potencializa la habilidad espacial de rotación (HER) en estudiantes de primer año de ingeniería de la Universidad Tecnológica de Pereira (UTP). Métodología: Se propone un estudio cualitativo orientado a comprender el rol de las ideas previas de los estudiantes en el desarrollo de la HER. Para ello, inicialmente se aplica una prueba (PSVT: R) a un grupo de estudiantes a manera de pre-test. Se seleccionan cuatro de estos estudiantes mediante una prueba t de Student. Luego, se aplica un instrumento que mide las nociones sobre los conceptos de punto y línea que los estudiantes han desarrollado desde su infancia. Resultados: Una vez realizado el post-test, se evidencia el progreso en la HER de los estudiantes. Esta diferencia fue estadísticamente significativa (p<0.05). Las pruebas de los cuatro estudiantes seleccionados fueron analizadas mediante el software Atlas ti. Conclusiones: Se evidenció el desarrollo de la HER en los resultados del post-test normalizado PSVT: R, lo que implica la evolución de las ideas (previas, vagas e imprecisas) de los estudiantes respecto a nociones en 3D sobre el punto y la línea.