Optimal alarms systems and its application to financial time series

This thesis focuses on the application of optimal alarm systems to non linear time series models. The most common classes of models in the analysis of real-valued and integer-valued time series are described. The construction of optimal alarm systems is covered and its applications explored. Considering models with conditional heteroscedasticity, particular attention is given to the Fractionally Integrated Asymmetric Power ARCH, FIAPARCH(p; d; q) model and an optimal alarm system is implemented, following both classical and Bayesian methodologies. Taking into consideration the particular characteristics of the APARCH(p; q) representation for financial time series, the introduction of a possible counterpart for modelling time series of counts is proposed: the INteger-valued Asymmetric Power ARCH, INAPARCH(p; q). The probabilistic properties of the INAPARCH(1; 1) model are comprehensively studied, the conditional maximum likelihood (ML) estimation method is applied and the asymptotic properties of the conditional ML estimator are obtained. The final part of the work consists on the implementation of an optimal alarm system to the INAPARCH(1; 1) model. An application is presented to real data series.

Structural Time Series Modeling: an Application to Environmental Variables

A structural time series model is one which is set up in terms of components which have a direct interpretation. In this paper, the discussion focuses on the dynamic modeling procedure based on the state space approach (associated to the Kalman filter), in the context of surface water quality monitoring, in order to analyze and evaluate the temporal evolution of the environmental variables, and thus identify trends or possible changes in water quality (change point detection). The approach is applied to environmental time series: time series of surface water quality variables in a river basin. The statistical modeling procedure is applied to monthly values of physico- chemical variables measured in a network of 8 water monitoring sites over a 15-year period (1999-2014) in the River Ave hydrological basin located in the Northwest region of Portugal.

Neuromuscular adaptations in football athletes with prior history of hamstring strain injury

Background: Hamstring strain injuries (HSI) are one of the most common injuries in a wide variety of running-sports, resulting in a considerable loss of competition and training time. One of the most problematic consequences regarding HSI is the recurrence rate and its non-decrease over the past decades, despite increasing evidence. Recent studies also found several maladaptations post-HSI probably due to neuromuscular inhibition and it has been proposed that these adaptations post-injury may contribute as risk factors for the injury-reinjury cycle and high recurrence rates. Furthermore it has been recently proposed not to disregard the inter-relationship between these adaptations and risk-factors post-injury in order to better understand the mechanisms of this complex injury. Objective: To determine, analyze and correlate neuromuscular adaptations in amateur football players with prior history of HSI per comparison to uninjured athletes in similar conditions. Methodology: Every participant was subjected to isokinetic concentric (60 and 240deg.sec) and eccentric (30 and 120deg.sec¯¹) testing, and peak torque, angle of peak torque and hamstrings to quadriceps (H:Q) conventional ratios were measured, myoelectrical activity of Bicep Femoris (BF) and Medial Hamstrings (MH) were also measured during isokinetic eccentric testing at both velocities and muscle activation percentages were calculated at 30, 50 and 100ms after onset of contraction. Furthermore active and passive knee extension, knee joint position sense (JPS) test, triple-hop distance (THD) test and core stability (flexors and extensors endurance, right and left side bridge test) were used and correlated. Results: Seventeen players have participated in this study: 10 athletes with prior history of HSI, composing the Hamstring injury group (HG) and 7 athletes without prior severe injuries as control group (CG). We found statistical significant differences between HG injured and uninjured sides in the BF myoelectrical activity at almost all times in both velocities and between HG injured and CG non-dominant sides at 100ms in eccentric 120deg.sec¯¹ velocity (p<.05). We found no differences in MH activity. Regarding proprioception we found differences between the HG injured and uninjured sides (p=.027). We found no differences in the rest of used tests. However, significant correlation between myoelectrical activation at 100ms in 120deg.sec¯¹ testing and JPS with initial position at 90º (r-.372; p=0.031) was found, as well as between isokinetic H:Q ratio at 240deg.sec and THD score (r=-.345; p=.045). Conclusion: We found significant differences that support previous research regarding neuromuscular adaptations and BF inhibition post-HSI. Moreover, to our knowledge, this was the first study that found correlation between these adaptations, and may open a door to new perspectives and future studies.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Control of uncertain compartmental systems

Os sistemas compartimentais são frequentemente usados na modelação de diversos processos em várias áreas, tais como a biomedicina, ecologia, farmacocinética, entre outras. Na maioria das aplicações práticas, nomeadamente, aquelas que dizem respeito à administração de drogas a pacientes sujeitos a cirurgia, por exemplo, a presença de incertezas nos parâmetros do sistema ou no estado do sistema é muito comum. Ao longo dos últimos anos, a análise de sistemas compartimentais tem sido bastante desenvolvida na literatura. No entanto, a análise da sensibilidade da estabilidade destes sistemas na presença de incertezas tem recebido muito menos atenção. Nesta tese, consideramos uma lei de controlo por realimentação do estado com restrições de positividade e analisamos a sua robustez quando aplicada a sistemas compartimentais lineares e invariantes no tempo com incertezas nos parâmetros. Além disso, para sistemas lineares e invariantes no tempo com estado inicial desconhecido, combinamos esta lei de controlo com um observador do estado e a robustez da lei de controlo resultante também é analisada. O controlo do bloqueio neuromuscular por meio da infusão contínua de um relaxante muscular pode ser modelado como um sistema compartimental de três compartimentos e tem sido objecto de estudo por diversos grupos de investigação. Nesta tese, os nossos resultados são aplicados a este problema de controlo e são fornecidas estratégias para melhorar os resultados obtidos.

Regularization and Bang-bang conjugate times in optimal control

Consideramos o problema de controlo óptimo de tempo mínimo para sistemas de controlo mono-entrada e controlo afim num espaço de dimensão finita com condições inicial e final fixas, onde o controlo escalar toma valores num intervalo fechado. Quando aplicamos o método de tiro a este problema, vários obstáculos podem surgir uma vez que a função de tiro não é diferenciável quando o controlo é bang-bang. No caso bang-bang os tempos conjugados são teoricamente bem definidos para este tipo de sistemas de controlo, contudo os algoritmos computacionais directos disponíveis são de difícil aplicação. Por outro lado, no caso suave o conceito teórico e prático de tempos conjugados é bem conhecido, e ferramentas computacionais eficazes estão disponíveis. Propomos um procedimento de regularização para o qual as soluções do problema de tempo mínimo correspondente dependem de um parâmetro real positivo suficientemente pequeno e são definidas por funções suaves em relação à variável tempo, facilitando a aplicação do método de tiro simples. Provamos, sob hipóteses convenientes, a convergência forte das soluções do problema regularizado para a solução do problema inicial, quando o parâmetro real tende para zero. A determinação de tempos conjugados das trajectórias localmente óptimas do problema regularizado enquadra-se na teoria suave conhecida. Provamos, sob hipóteses adequadas, a convergência do primeiro tempo conjugado do problema regularizado para o primeiro tempo conjugado do problema inicial bang-bang, quando o parâmetro real tende para zero. Consequentemente, obtemos um algoritmo eficiente para a computação de tempos conjugados no caso bang-bang.

Desenvolvimento profissional e educação em línguas: potencialidades e constrangimentos em contexto escolar

Este trabalho, desenvolvido por uma professora em contexto académico, movida por uma vontade de intervenção em contexto escolar para melhoria da qualidade do desempenho profissional e das aprendizagens dos alunos, assenta: por um lado, num entendimento de desenvolvimento profissional (DP) enquanto processo contínuo que se articula com e inscreve na prática do quotidiano docente; e, por outro lado, num entendimento da educação em línguas como um processo que valoriza a diversidade e enfatiza o plurilinguismo como valor e competência, enriquecendo os repertórios linguístico-comunicativos dos sujeitos, de modo a facilitar a abertura ao Outro, num processo de construção e recriação de significado sobre o mundo e sobre si na relação com esse Outro. Pretendeu-se, neste estudo, compreender o processo de desenvolvimento profissional de professores de línguas, tentando identificar potencialidades e constrangimentos que se colocam a esse desenvolvimento profissional em contexto. Para tal, foi desenvolvido um projecto de formação para a educação plurilingue numa escola Secundária com 3º Ciclo do Ensino Básico com um grupo de cinco professoras ao longo de dois anos. A formação, promovida através de um Centro de Formação de Escolas e acreditada pelo Conselho- Científico da Formação Contínua desenvolveu-se em duas fases. A primeira fase (2004/2005), na modalidade Oficina de Formação com 10 sessões de formação num total de 50 horas, e a segunda fase (2005/2006), na modalidade Projecto com nove sessões de formação, num total de 50 horas. O estudo seguiu uma metodologia de cariz qualitativo e de inspiração interpretativa/fenomenológica, pretendendo colocar em evidência o sujeito e sublinhando a interacção que estabelece consigo e com os outros, a partir das práticas discursivas que vai construindo. A estratégia investigativa desenhou-se em torno do estudo de caso no qual procurámos analisar a (des/re)construção de conhecimento profissional no contexto de um grupo de professoras em formação. Esta análise assumiu duas vertentes, uma tomando a interacção entre o grupo como alvo de análise, outra olhando para o percurso de cada formanda na sua singularidade. Os dados recolhidos e analisados incluem um inquérito por questionário inicial, a transcrição das sessões de formação e as reflexões escritas ao longo das duas fases da formação, bem como um inquérito por entrevista semiestruturada, após o terminus da formação, em Julho de 2007. Os resultados da análise indicam que os processos formativos que promovem o questionamento de si e das suas práticas, ajudando a identificar representações e a analisar o modo como as representações interferem ou não nas práticas para, em seguida, estas poderem ser reconstruídas, são facilitadores de DP. Evidenciaram-se, nestes processos, dois tempos de formação distintos, mas complementares, o tempo da observação e da análise e o tempo da apropriação e da acção, que englobam espaços de trabalho individual e colectivo. Nestes dois tempos de formação identificámos quatro modos facilitadores da reconstrução do conhecimento profissional, nomeadamente: a articulação da teoria com a prática; a tomada do objecto de trabalho em objecto de análise e de experimentação, incluindo a visualização, a análise e a reflexão sobre as experiências realizadas; a colocação do aluno no centro do processo de ensino; e o alargamento da consciencialização do trabalho com as línguas e das suas finalidades educativas. Estes quatro modos constituem-se como impulsionadores ou inibidores de DP, dependendo a sua percepção de factores, tanto de carácter individual como de carácter colectivo. Os factores de carácter individual dizem respeito ao comprometimento, ao empenho, ao modo como cada sujeito se vê como pessoa e como profissional, bem como à fase da carreira em que se situa. Os factores de carácter colectivo dizem respeito aos contextos nos quais o sujeito se move, nomeadamente a cultura da escola em que exerce funções, às relações interpessoais e profissionais que estabelece com os colegas de trabalho e às possibilidades e espaços de formação que cada sujeito encontra com os outros. Tendo constatado que o desenvolvimento profissional é fruto da intersecção da acção individual com a acção colectiva, concluímos que, na constituição de ambientes facilitadores de DP, importa ter em conta seis componentes: a apropriação individual da construção do conhecimento profissional pelos sujeitos, a construção de oportunidades de desenvolvimento, a construção da capacidade de intervenção em contexto, a promoção da colegialidade, a monitorização e avaliação de processos e resultados do trabalho no âmbito do DP e a criação de espaços e tempos próprios para esse trabalho. Os resultados da análise indicam também que a formação em contexto permite iniciar um trabalho de DP porque cria condições de auto/hetero/eco e coformação que incluem um potencial de aprendizagem profissional transformativa. Enquanto constrangimentos ao DP em contexto destacam-se aspectos contextuais que se relacionam com o tempo e a sua gestão, bem como com a visibilidade, o reconhecimento e o impacto do trabalho realizado no contexto. Através da descrição e análise de uma experiência de formação contínua em contexto, este trabalho revela possibilidades de ultrapassar os constrangimentos contextuais, sublinhando as potencialidades de desenvolvimento profissional em contexto, pelo modo como professoras, predispostas à mudança e comprometidas com a profissão, onde os alunos têm um papel particular, são capazes de inscrever transformação nas suas práticas, evidenciando a urgência não só de um apoio concreto e explícito, mas também de reconhecimento do trabalho desenvolvido em cada sala de aula, com cada turma, à descoberta de si e do outro, através das línguas para a construção de um mundo mais plural.

Assessing the combined effect of land management and wildfire on runoff and soil erosion in north central Portugal

Strong and sometimes extreme responses in runoff and soil erosion following wildfires have been reported worldwide. However, in the case of North-Central Portugal, little research had been carried out regarding the hydrologic and erosive impacts of several land management activities in recently burnt areas (such as ground preparation, post-fire logging or post-fire mitigation treatments). This study aims to assess post-fire runoff and soil erosion response on Eucalypt and Maritime pine plantations during the first, second and third years following wildfires. The effect of several pre-fire ground preparation operations (ploughed down-slope, contour ploughed and inclined terraces), post-fire logging activities (on both the eucalypt and pine plantations), as well as the application of hydromulch (a post-fire emergency treatment) on overland flow and soil erosion were compared to burnt but undisturbed and untreated areas. The intensive monitoring of runoff, soil erosion and selected soil properties served to determine the main factors involved in post-fire runoff and soil erosion and their spatial and temporal variation. Soil water repellency deserved special attention, due to its supposed important role for overland flow generation. Repeated rainfall simulation experiments (RSE’s), micro-scale runoff plots and bounded sediment fences were carried out and/or installed immediately after the wildfire on seven burnt slopes. Micro-scale runoff plots results under natural rainfall conditions were also compared to the RSE’s results, which was useful for assessing the representativeness of the data obtained with artificial rainfall. The results showed comparable runoff coefficient (20-60%) but lower sediment losses (125-1000 g m-2) than prior studies in Portugal, but especially outside Portugal. Lower sediment losses were related with the historic intensive land use in the area. In evaluating these losses, however, the shallowness and stoniness of the soils, as well as the high organic matter fraction of the eroded sediments (50%) must not be overlooked. Sediment limited erosion was measured in all the ploughed sites, probably due to the time since ploughing (several years). The disturbance of the soil surface cover due to post-fire logging and wood extraction substantially increased sediment losses at both the pine and eucalypt sites. Hydromulch effectiveness in reducing the runoff (70%) and sediment losses (83%) was attributed to the protective high coverage provided by hydromulch. The hydromulch significantly affected the soil cover and other soil properties and these changes also reduced the soil erosion risk. The rainfall amount was the main factor explaining the variance in runoff. However, a shift from rainfall amount to rainfall intensity was detected when either the surface cover or the infiltration capacity (hydrophilic conditions) increased. Sediment losses were controlled by rainfall intensity and surface cover. The role of soil water repellency on runoff generation was not consistent; the overall repellency levels alone were not enough to assess its hydrological impact. Soil water repellency explained runoff generation in the specific-sites model better than in the overall model. Additionally, soil moisture content was a better predictor for soil water repellency than antecedent rainfall. The natural rainfall results confirmed that RSE’s were able to capture the specific sediment losses and its organic matter content as well as the differences between the ploughed and unploughed sites. Repeated RSE’s also captured the seasonal variations in runoff and sediment losses attributed to soil water repellency. These results have implications for post-fire soil erosion modelling and soil conservation practices in the region, or areas with the same land use, climate and soil characteristics. The measured sediment loss, as well as the increasing frequency of ploughing in recently burnt and unburnt eucalypt stands, suggests ploughing is not an effective as a soil conservation measure. Logging activities with less impact are recommended in order to maintain the forest litter protecting the soil surface. Due to its high effectiveness in reducing runoff and soil erosion, hydromulch is recommended for highly sensitive and vulnerable areas.

Lanthanide oxide and phosphate nanoparticles for thermometry and bimodal imaging

Nesta tese relatam-se estudos de fotoluminescência de nanopartículas de óxidos e fosfatos dopados com iões trivalentes de lantanídeos, respectivamente, nanobastonetes de (Gd,Eu)2O3 e (Gd,Yb,Er)2O3 e nanocristais de (Gd,Yb,Tb)PO4, demonstrando-se também aplicações destes materiais em revestimentos inteligentes, sensores de temperatura e bioimagem. Estuda-se a transferência de energia entre os sítios de Eu3+ C2 e S6 dos nanobastonetes Gd2O3. A contribuição dos mecanismos de transferência de energia entre sítios para o tempo de subida 5D0(C2) é descartada a favor da relaxação directa 5D1(C2) 5D0(C2) (i.e., transferência de energia entre níveis). O maior tempo de decaimento do nível 5D0(C2) nos nanobastonetes, relativamente ao valor medido para o mesmo material na forma de microcristais, é atribuído, quer à existência de espaços livres entre nanobastonetes próximos (factor de enchimento ou fracção volúmica), quer à variação do índice de refracção efectivo do meio em torno dos iões Eu3+. A dispersão de nanobastonetes de (Gd,Eu)2O3 em três resinas epoxi comerciais através da cura por UV permite obter nanocompósitos epoxi- (Gd,Eu)2O3. Relatam-se estudos cinéticos e das propriedades térmicas e de fotoluminescência destes nanocompósitos. Estes, preservam as típicas propriedades de emissão do Eu3+, mostrando o potencial do método de cura por UV para obter revistimentos inteligentes e fotoactivos. Considera-se um avanço significativo a realização de uma nanoplataforma óptica, incorporando aquecedor e termómetro e capaz de medir uma ampla gama de temperaturas (300-2000 K) à escala nano, baseada em nanobastonetes de (Gd,Yb,Er)2O3 (termómetros) cuja superfície se encontra revestida com nanopartículas de ouro. A temperature local é calculada usando, quer a distribuição de Boltzmann (300-1050 K) do rácio de intensidades da conversão ascendente 2H11=2!4I15=2/4S3=2!4I15=2, quer a lei de Planck (1200-2000 K) para uma emissão de luz branca atribuída à radiação do corpo negro. Finalmente, estudam-se as propriedades de fotoluminescência correspondentes às conversões ascendente e descendente de energia em nanocristais de (Gd,Yb,Tb)PO4 sintetizados por via hidrotérmica. A relaxividade (ressonância magnética) do 1H destes materiais são investigadas, tendo em vista possíveis aplicações em imagem bimodal (luminescência e ressonância magnética nuclear).