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En la actualidad, la industria se desenvuelve en mercados globales con una creciente competitividad, donde, independientemente de su tamaño y del sector de actividad involucrada, debe conciliar la satisfacción de sus clientes con la alta exposición a presiones, exigencias de calidad, márgenes de rentabilidad cada vez más estrechos y una elevada eficiencia económica. Estas tendencias han determinado que la gestión de soporte de las actividades de manufactura y distribución de bienes industriales se transforme en un área clave dentro de las organizaciones. Las compañías necesitan utilizar los recursos disponibles de una manera eficiente y mejorar continuamente sus procesos para tener una respuesta más rápida y efectiva ante las posibles variaciones del mercado. Las empresas no sólo deben administrar sus procesos internos, sino que también deben disponer de mejores soluciones logísticas para lograr importantes ventajas competitivas a través de (i) una reducción de los costos, (ii) una mayor capacidad de reacción ante los cambios permanentes de la demanda, (iii) una mejor utilización de los recursos, (iv) un incremento de la productividad, (v) un mayor grado de satisfacción del cliente y, no menos importante, (vi) una reducción en el impacto ambiental.En particular, en el contexto industrial moderno, las decisiones que hacen a la gestión y operación de una empresa deben ir acompañas de herramientas computacionales cada vez más eficientes, de manera de auxiliar a los procesos de toma de decisiones. Por esta razón, en las últimas décadas, los esfuerzos por perfeccionar las técnicas de modelado de procesos industriales se han focalizado en el desarrollo de metodologías eficientes para dar solución a los problemas de programación de operaciones (?scheduling?) de mediano y corto plazo. A lo largo de los capítulos de la tesis se propone el análisis y desarrollo de herramientas computacionales, basadas en técnicas de optimización de tipo riguroso y heurístico, para dar soporte al problema de programación de operaciones en diferentes tipos de procesos productivos, los cuáles se caracterizan por ser complejos y de gran escala. En la primera parte de la tesis, se presentan y analizan diferentes enfoques alternativos de optimización exacta para encontrar el mejor programa de producción para una industria que se dedica a la construcción de grandes barcos. Dicho proceso productivo agrega una complejidad adicional al considerar operaciones de ensamblado. Las metodologías propuestas están basadas en modelos de Programación Matemática Lineal Mixta-Entera ("Mixed-Integer Linear Programming", MILP) con dominio de tiempo continuo. El principal objetivo de la compañía es minimizar el tiempo total requerido para producir y ensamblar todas las partes que integran cada barco.A continuación, los modelos matemáticos utilizados para la resolución del problema de programación de operaciones en la industria naval, son tomados como base para el desarrollo de un algoritmo de descomposición que tiene como principal objetivo proporcionar soluciones ?rápidas? y de buena calidad a problemas complejos de programación de operaciones de escala industrial en sistemas de manufacturas de tipo flow shop flexibles. Se lleva a cabo un análisis comparativo entre ambos tipos de metodologías de solución propuestas: (i) basadas en métodos rigurosos de optimización, y (ii) basadas en técnicas de descomposición. Posteriormente, se integran las decisiones de programación de las operaciones de piso de planta de entornos industriales de tipo job shop flexibles, con decisiones de rediseño, a través de una estrategia de solución basada en formulaciones matemáticas MILP. De este modo, no sólo se determina el mejor programa de operaciones, sino que se evalúan reconfiguraciones factibles que permiten aumentar la eficiencia del uso de los recursos de sistemas de manufactura flexible.La potencialidad de las metodologías presentadas se evalúa a través de la resolución de diferentes instancias de casos de estudio reales de gran escala vinculados a la industria naval, que sirven de base, tanto para evaluar la eficiencia computacional de las formulaciones propuestas y la calidad de las soluciones halladas, como también para realizar un análisis comparativo de las contribuciones de este trabajo de tesis. Por último, se presenta una formulación matemática MILP basada en una representación discreta del tiempo, para modelar y optimizar las decisiones operativas en procesos que presentan un consumo intensivo de energía eléctrica y que operan en mercados diarios de precios de energía sensibles a los períodos de tiempo, es decir, que varían hora a hora. El modelo matemático propuesto tiene como principal objetivo determinar el programa de operaciones (?schedule?) óptimo de manera predictiva, para un horizonte de planificación determinado, estableciendo los modos de operación y los niveles de producción de plantas dedicadas a la separación de aire, de manera de satisfacer la demanda y al mismo tiempo, minimizar el costo energético total. Es importante mencionar que, el enfoque de optimización presentado está basado en una novedosa representación del proceso de transición de estados de operación, involucrados en este tipo de plantas, lo que permite obtener una herramienta capaz de considerar eficientemente las fluctuaciones de los precios del mercado y al mismo tiempo, optimizar las decisiones operativas correspondientes a los procesos de consumo intensivo de energía, requiriendo un mínimo esfuerzo computacional. Este modelo es aplicado a un caso de estudio real de escala industrial con el fin de mostrar su alta eficiencia y robustez. Asimismo, cabe destacar que, diversos modelos de simulación y metodologías híbridas, se han desarrollado como trabajo de investigación, en el marco de esta tesis doctoral, para hacer frente al problema de ?scheduling? de casos de estudios reales. En particular, se han propuesto diferentes enfoques de simulación de eventos discretos como herramientas para la toma de decisiones de procesos industriales, las cuales permiten determinar ?schedules? eficientes y evaluar posibles inversiones, nuevas políticas de operación, diferentes estrategias de reingeniería de procesos, entre otros. Sin embargo, por razones de espacio y organización, no se presentan en detalle en esta tesis. Dichas contribuciones se pueden encontrar en diferentes reportes científicos que se detallan más adelante.Las nuevas herramientas desarrolladas, junto con los resultados obtenidos, a lo largo de este trabajo de investigación, han sido presentadas en diversos congresos internacionales referentes en el área de ingeniería de procesos y sistemas, y divulgados a través de publicaciones en revistas científicas nacionales e internacionales de alto impacto y en capítulos de libros.

El proceso de enfriamiento y/o congelación por inmersión (ICF, Immersion Chilling and Freezing) de un alimento consiste en someter al producto a bajas temperaturas usando soluciones acuosas concentradas como medio refrigerante. En estado transiente se transfiere energía hacia el medio refrigerante hasta alcanzar el equilibrio térmico, mientras que el alimento pierde humedad y gana solutos. El uso de soluciones refrigerantes multicomponentes posee varias ventajas. Sin embargo, las posibilidades de control del proceso son deficientes. Por lo tanto, el objetivo de esta Tesis fue estudiar el proceso de congelación de alimentos por inmersión considerando aspectos avanzados para mejorar su diseño. Se propuso un modelo matemático para representar la transferencia de materia y energía en una matriz alimenticia considerando el transporte de multicomponentes en las condiciones operativas de los procesos ICF, completándose la formulación matemática con la predicción de propiedades críticas. Se validó un modelo termodinámico para la predicción de la temperatura de congelación de soluciones multicomponentes. Se desarrolló un modelo para predecir coeficientes de difusión fickianos de soluciones multicomponentes electrolíticas a partir de las ecuaciones de Maxwell-Stefan y del modelo de UNIQUAC extendido. En base a este desarrollo y a la teoría de la película extendida a multicomponentes se obtuvo un modelo para predecir los coeficientes superficiales de transferencia de materia. El modelo formulado fue validado con datos experimentales obtenidos para el sistema NaCl-KCl-H2O / esferas de papa. Los resultados fueron satisfactorios, por lo cual el modelo constituye una herramienta robusta para estudiar posibles escenarios de interés.

En un plano conceptual, este trabajo se dedica a presentar diversas descripciones formales para modelar y simular espacios de celdas. Los paradigmas propuestos constituyen extensiones a los formalismos DEVS y Autómatas Celulares, agregando la posibilidad de tener demoras de transporte o inerciales. Los formalismos de especificación han sido definidos para espacios de celdas binarios o de tres estados, y se han extendido para otros dominios. Los conceptos de demoras pertenecen al dominio de los circuitos digitales, y han sido adaptados a los autómatas celulares, constituyendo una de las contribuciones principales del trabajo. Los formalismos permiten la definición automática de los espacios, y facilita la verificación de los modelos, permitiendo el desarrollo eficiente y efectivo de simuladores. Desde un punto de vista práctico, se construyó un entorno de modelización y simulación basado en los formalismos propuestos. Esta permitió verificar de forma empírica la eficiencia de las soluciones propuestas, con respecto a los tiempos de desarrollo y chequeo. Se propuso a su vez un mecanismo de simulación achatado de los espacios de celdas que permitió mejorar los tiempos de ejecución en hasta un orden de magnitud. Debe hacerse notar que puede realizarse la construcción automática de un modelo a partir de su especificación, lo que simplifica el problema de verificación del modelo y permite un desarrollo rápido de los simuladores, debido a las mejoras obtenidas en las fases de chequeo y mantenimiento.

El cáncer es la segunda causa de muerte por enfermedad en el mundo y su incidencia sigue creciendo con el aumento de la contaminació y del envejecimiento del promedio poblacional. Argentina no es la excepción como lo muestran las estadísticas del Ministerio de Salud. A pesar de los grandes avances científicos logrados en la lucha contra este mal, aún es necesario buscar soluciones más integrales, económicas y con menos efectos secundarios adversos. En esta tesis se estudia el uso de campos eléctricos para la eliminación de tumores sólidos, lo cual ha resurgido con un éxito considerable en la Comunidad Europea, ya que debido a su alta eficacia y bajos efectos secundarios podría representar una alternativa a los métodos tradicionales como la cirugía, la radio o la quimioterapia. Asimismo, se estudia otra línea de investigación que comprende los tratamientos realizados de forma personalizada, y dentro de los mismos aquellos que requieren predicciones precisas del crecimiento tumoral. Por su parte, el desarrollo de modelos matemáticos constituye una herramienta clave en la descripción y predicción de fenómenos biológicos relacionados al cáncer, en particular el estudio de tumores sólidos. En este trabajo se desarrollan modelos consistentes en la formulación de ecuaciones diferenciales altamente no lineales basadas en primeros principios. La inherente complejidad de estos modelos requiere el uso de cálculo numérico intensivo, en un contexto de computación científica de alto rendimiento. Dentro de este marco, son planteadas dos hipótesis centrales: la primera es que el estudio de los parámetros eléctricos utilizados en las terapias antitumorales basadas en campos eléctricos permitiría lograr una mayor eficacia minimizando los efectos secundarios, y la segunda es que es posible mejorar la precisión de la representación de los bordes de infiltración tumoral proveniente de experimentación in vitro entendiendo al tumor como un fluido sometido a un proceso de difusión y convección variables. Con respecto a la primera hipótesis, existen varios tratamientos antitumorales basados en campos eléctricos, entre ellos la Ablación Electrolítica (EA, por sus siglas en inglés) un tratamiento médico usado para la ablación de tumores sólidos consistente en el pasaje de una corriente constante de baja intensidad a través de dos o más electrodos insertados en el tejido, induciendo de esta manera cambios de acidez y alcalinidad que producen la necrosis del tumor; la Electroquimioterapia (ECT, por sus siglas en inglés) consiste en la aplicación de un campo eléctrico pulsante de alta frecuencia combinada con el uso de quimioterapia, provocando un aumento temporario de la permeabilidad de la membrana celular (electroporación), y permitiendo así la penetración de la droga; la Electroporación Irreversible (IRE, por sus siglas en inglés) que induce la muerte celular, generando una ablación precisa de tejido indeseable mediante la administración de pulsos eléctricos que forman poros permanentes en la membrana celular; y la Electro-Transferencia Génica (GET, por sus siglas en inglés) que usa el mismo mecanismo de electroporación que ECT para transferir ADN plasmídico en vez de una droga. Si bien las terapias basadas en campos eléctricos están altamente optimizadas aún subsisten daños colaterales que deben ser minimizados. En este contexto, la obtención de resultados confiables requiere el planeamiento del tratamiento, la búsqueda de relaciones de dosis-respuesta, así como también el estudio de variables que permitan realizar mejoresestimaciones de las zonas tratadas. Encontrar parámetros de dosis-respuesta confiables implica analizar la interacción entre tejidos y campos eléctricos, en particular la inevitable aparición de complejas reacciones químicas inducidas por la electrólisis. El tejido se modela como un electrolito de cuatro especies químicas (H+, OH, Cl y Na+) y el tratamiento como un proceso electrolítico con las respectivas reacciones subyacentes. Se utilizan las ecuaciones de Nernst-Planck para el transporte iónico, Butler-Volmer para determinar la producción de especies cerca de los electrodos, y la ecuación de Penne para el modelado de los efectos térmicos. Los resultados obtenidos muestran una relación entre la carga eléctrica, como representante de la dosis, respecto de daño por pH y del área de tejido electroporada, como representante de la respuesta. En EA, se predice una relación óptima entre el tamaño del tumor a tratar versus la corriente eléctrica y el tiempo de aplicación necesarios para el tratamiento, siendo la carga eléctrica la síntesis de estos dos parámetros. Por otro lado en IRE, ECT y GET, también conocidos como tratamientos basados en campos eléctricos pulsantes (PEF, por sus siglas en inglés), la respuesta depende fundamentalmente del fenómeno de electroporación, y no del pH. En el caso de GET el daño no deseado debido a la electrólisis no puede ser despreciado, los resultados obtenidos muestran que la dosis-respuesta óptima está determinada por la carga eléctrica mínima que produce el máximo volumen electroporado con el mínimo daño del tejido. Finalmente, también se estudian diferentes variables físicas asociadas a estos tratamientos y se propone a la temperatura como un mejor estimador de la zona tratada. Estos resultados podrían tener un impacto significativo en las metodologías de planeamiento del tratamiento de tumores sólidos por campos eléctricos ayudando a mejorar la efectividad de estas terapias. En lo que respecta a la segunda hipótesis, en el crecimiento de gliomas, por ejemplo, son necesarias técnicas que permitan delinear con exactitud las áreas de infiltración tumoral y pronosticar en base a ello las características de su propagación para optimizar tratamientos tales como cirugía o radioterapia. Unas de las principales líneas de investigación que permite representar esos fenómenos usa modelos in vitro e in silico. Estos últimos usan ecuaciones de difusión-reacción que describen la proliferación del tumor y la invasión dentro del tejido periférico. Recientemente también se han presentado modelos cuasi tridimensionales basados en ecuaciones de difusión-convección-reacción para describir el crecimiento e invasión de tumores multicelulares de las líneas de los glioblastomas asumiendo simetría esférica. Dichos modelos han probado ser de relevancia clínica, sin embargo todavía hoy poseen debilidades relacionadas a la caracterización de la heterogeneidad de los bordes de infiltración del tumor a través del tejido. En este trabajo se introdujeron modelos que eliminan la suposición de simetría esférica, que usan convección y difusión variables obtenidas de la experimentación in vitro, realizando las estimaciones de parámetros correspondientes, produciendo de esta manera una generalización de las ecuaciones preexistentes. Los resultados obtenidos, con la correspondiente contrastación experimental, mostraron una descripción más precisa de los bordes de infiltración tumoral, dejando la puerta abierta a la optimización de terapias especializadas. Se espera que los resultados del presente trabajo aporten desde un punto de vista básico a futuras mejoras de tratamientos antitumorales con beneficios a nivel socio-económico y en la calidad de vida de los pacientes.

En esta tesis doctoral se analizaron varios aspectos de teorías alternativas a la Relatividad General (RG). El descubrimiento de la expansión acelerada del Universo a partir de las luminosidades de las supernovas tipo Ia en 1998 dio lugar a una modificación en el Modelo Cosmológico Estándar. La modificación más simple y que permite actualmente explicar todos los datos observacionales actuales consiste en incluir el término de la constante cosmológica propuesto por Einstein (técnicamente se denomina a tales cosmologías ΛCDM y constituye el Modelo Cosmológico Estándar actual que se basa en la Teoría de la Relatividad General). Sin embargo, el valor inferido observacionalmente para dicha constante no puede ser explicado utilizando las teorías físicas actuales. Por este motivo, se han propuesto teorías alternativas al Modelo Cosmológico Estándar que pueden dividirse en dos familias: i) campos escalares con acoplamiento mínimo a la gravedad y a la materia, y ii) teorías de gravitación alternativas a la Relatividad General. En el primer caso, la aceleración del Universo se puede explicar a partir de una componente adicional en el tensor de energía-momento que tiene la particularidad de tener presión negativa, a esa componente se la denomina energía oscura. En el segundo, una modificación a la teoría de gravedad de Einstein sería la responsable de la expansión acelerada del Universo. Esta tesis se enfocó en el estudio de dos familias de este último tipo de teorías: 1. Teorías f (R): en este tipo de teorías se reemplaza el escalar de Ricci R por una función del mismo. Existe tanta cantidad de teorías como funciones f (R) puedan proponerse, sin embargo, se ha demostrado que solo algunas satisfacen las cotas experimentales en el Sistema Solar recurriendo para ello a la versión escalar-tensorial de las mismas. Dicha transformación no está siempre bien definida. Por lo tanto, el cálculo de las predicciones para el parámetro post-newtoniano en el Sistema Solar sin recurrir a esa identificación era una asignatura pendiente a la hora de validar las teorías f (R). En esta tesis, se trabajó de forma analítica en el marco teórico original de la teoría (marco de Jordan) para resolver el problema de un cuerpo para el sistema Sol - corona solar - medio interestelar. Se obtuvo la predicción teórica para el parámetro post-newtoniano (PPN) γ cuyo valor se encuentra limitado experimentalmente por la sonda Cassini (que mide el efecto Shapiro) y los experimentos que ponen límites a partir de la deflexión de la luz causada por el Sol. Se han analizado cuatro familias de teorías f (R) y se encontró que en algunos casos (y para algunos parámetros de dichas teorías) la predicción teórica satisface los límites observacionales. 2. Teoría MOdified Gravity (MOG): esta teoría covariante fue propuesta por J. Moffat en el 2006 y es una modificación de la Relatividad General en la cual se introducen tres campos escalares adicionales y un campo vectorial. La particularidad de esta teoría radica en que no solo se la presenta como una explicación alternativa a la energía oscura sino que también busca reemplazar a la materia oscura. En esta tesis se ha estudiado la teoría en dos en dos escenarios muy diferentes (que implican escalas distintas): la curva de rotación de la Vía Láctea y la cosmología. En el primer caso se obtuvieron las predicciones teóricas para la curva de rotación de la Vía Láctea. Para ello, se realizó un cálculo numérico considerando diferentes y complejas morfologías bariónicas. Luego, estas predicciones fueron comparadas con dos conjuntos de observaciones de características diferentes utilizando el estimador estadístico χ 2. A partir de este análisis se concluye que la teoría, tal como se encuentra actualmente en la literatura, no puede describir la curva de rotación que se obtiene de las observaciones. Sin embargo, al considerar un rango más amplio para los parámetros de la teoría es posible encontrar una predicción estadísticamente consistente con las observaciones. En el segundo caso, se resolvieron numéricamente las ecuaciones de la métrica para un Universo isótropo y homogéneo, junto con las ecuaciones de movimiento de los campos, las cuales se encuentran acopladas. Se obtuvo la predicción teórica para la evolución de H(z) y se realizó un análisis estadístico utilizando datos recientes. Los datos utilizados provienen de las observaciones de supernovas tipo Ia de la última compilación que se encuentra en la literatura (Pantheon) y estimaciones de H(z) obtenidas con el método de los cronómetros cósmicos. Este método se basa en una técnica novedosa en la que se utiliza el cálculo de la edad diferencial de galaxias para obtener la variación del tiempo cósmico con el corrimiento al rojo. Para ambos conjuntos de datos se encontró que las predicciones de la teoría son consistentes con las observaciones al utilizar el valor dado por Moffat para el potencial de auto-interacción del campo escalar G.

En la presente Tesis, se estudian agujeros negros no rotantes y con simetría esférica como lentes gravitatorias, en el contexto de diferentes modelos cosmológicos. Cuando un agujero negro se encuentra entre una fuente puntual y un observador, además de las imágenes primaria y secundaria, se forman dos conjuntos infinitos de imágenes, denominadas relativistas. Para realizar un estudio analítico se obtiene, en términos de los parámetros característicos de cada geometría, el ángulo de deflexión en los límites de deflexión débil y fuerte. El primero consiste en una aproximación de dicho ángulo a primer orden en la inversa de la coordenada radial con centro en la lente y corresponde al caso en que la luz se deflecta lejos de la esfera de fotones del agujero negro, dando lugar a las imágenes primaria y secundaria. El segundo es utilizado para estudiar el caso en que los rayos de luz pasan lo suficientemente cerca de la esfera de fotones, de modo que efectúan una o más vueltas (en cualquier sentido) alrededor del agujero negro antes de emerger y llegar al observador, produciéndose de este modo las imágenes relativistas. El ángulo de deflexión se calcula en este caso mediante una aproximación asintótica de tipo logarítmico que diverge en el radio de la esfera de fotones. A partir del ángulo de deflexión aproximado, se encuentran las posiciones y magnificaciones de las imágenes de manera analítica. En esta Tesis, utilizando los límites mencionados, se estudia en primer lugar un agujero negro sin masa en cosmologías con dimensiones extra en el marco del modelo de Randall-Sundrum tipo II. Luego, se considera una solución de agujeros negros regulares con un campo fantasma. Finalmente, se analiza una clase de agujeros negros cargados en gravedad escalar-tensorial. Los distintos campos que aparecen en estos últimos dos casos fueron propuestos originalmente con el fin de modelar la energía oscura. Se efectúan comparaciones con otras geometrías de interés y se presenta el caso del agujero negro supermasivo del centro galáctico.

Cortina, Elsa

Este trabajo se fundamenta en la búsqueda y definición de modelos de Análisis Orientado a Objetos para el dominio del Sistema Tributario, que ofrezcan soluciones a los problemas recurrentes que allí aparecen, en particular encarado empleando patrones. Se abarcan tanto aspectos estáticos como dinámicos y se siguen los lineamientos planteados por Fowler [Fowler, 1997] y su notación. Como el dominio tributario en la Argentina se presenta sumamente volátil se planteó la necesidad de hallar soluciones con generalidad tal que pudieran abarcar todas las situaciones existentes y que se pudieran presentar en un futuro, es decir, modelos flexibles y extensibles.

El canto de aves oscinas es un comportamiento complejo aprendido que surge de la interacción entre un sistema nervioso central y una serie de dispositivos periféricos bio-mecánicos. Es una tarea intensa la de dilucidar cuánta de la complejidad es debida a la enorme dimensión de la dinámica del sistema nervioso, y cuánta a la de la respuesta mecánica de la periferia. Este último punto resulta de particular interés para la física, porque los sistemas bio-miméticos empleados por los seres vivos son abrumadoramente no lineales, y capaces de presentar comportamiento complejo aún ante instrucciones sencillas. Esta tesis se propone mostrar que modelos vocales sumamente sencillos son capaces de reproducir las sutilezas presentes en el canto de las aves oscinas, siendo la sencillez del modelo de tal magnitud que su solución es computable mediante un procesador de señales digitales (DSP). Esto permite diseñar una nueva estrategia para la bio-mimética prostética vocal: la integración en tiempo real de modelos sencillos, controlados por pocas señales fisiológicas. En esta tesis se muestra la plausibilidad de esta estrategia construyendo un prototipo de ese dispositivo.

Tesis (Doctor en Física)--Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2020.