Contribuições a técnicas de agrupamento e visualização de dados multivariados utilizando mapas auto-organizáveis

Self-organizing maps (SOM) are artificial neural networks widely used in the data mining field, mainly because they constitute a dimensionality reduction technique given the fixed grid of neurons associated with the network. In order to properly the partition and visualize the SOM network, the various methods available in the literature must be applied in a post-processing stage, that consists of inferring, through its neurons, relevant characteristics of the data set. In general, such processing applied to the network neurons, instead of the entire database, reduces the computational costs due to vector quantization. This work proposes a post-processing of the SOM neurons in the input and output spaces, combining visualization techniques with algorithms based on gravitational forces and the search for the shortest path with the greatest reward. Such methods take into account the connection strength between neighbouring neurons and characteristics of pattern density and distances among neurons, both associated with the position that the neurons occupy in the data space after training the network. Thus, the goal consists of defining more clearly the arrangement of the clusters present in the data. Experiments were carried out so as to evaluate the proposed methods using various artificially generated data sets, as well as real world data sets. The results obtained were compared with those from a number of well-known methods existent in the literature

Aplicação de mapas auto-organizáveis na classificação de padrões de escoamento bifásico

O escoamento bifásico de gás-líquido é encontrado em muitos circuitos fechados que utilizam circulação natural para fins de resfriamento. O fenômeno da circulação natural é importante nos recentes projetos de centrais nucleares para a remoção de calor. O circuito de circulação natural (Circuito de Circulação Natural - CCN), instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN / CNEN, é um circuito experimento concebido para fornecer dados termo-hidráulicos relacionados com escoamento monofásico ou bifásico em condições de circulação natural. A estimativa de transferência de calor tem sido melhorada com base em modelos que requerem uma previsão precisa de transições de padrão de escoamento. Este trabalho apresenta testes experimentais desenvolvidos no CCN para a visualização dos fenômenos de instabilidade em ciclos de circulação natural básica e classificar os padrões de escoamento bifásico associados aos transientes e instabilidades estáticas de escoamento. As imagens são comparadas e agrupadas utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), aplicados em diferentes características da imagem digital. Coeficientes da Transformada Discreta de Cossenos de Quadro Completo (FFDCT) foram utilizados como entrada para a tarefa de classificação, levando a bons resultados. Os protótipos de FFDCT obtidos podem ser associados a cada padrão de escoamento possibilitando uma melhor compreensão da instabilidade observada. Uma metodologia sistemática foi utilizada para verificar a robustez do método.

Extração de conhecimento em forma de regras difusas a partir de mapas auto-organizáveis de Kohonen: aplicação em diagnóstico de faltas incipientes em transformadores

Apesar das diversas vantagens oferecidas pelas redes neurais artificiais (RNAs), algumas limitações ainda impedem sua larga utilização, principalmente em aplicações que necessitem de tomada de decisões essenciais para garantir a segurança em ambientes como, por exemplo, em Sistemas de Energia. Uma das principais limitações das RNAs diz respeito à incapacidade que estas redes apresentam de explicar como chegam a determinadas decisões; explicação esta que seja humanamente compreensível. Desta forma, este trabalho propõe um método para extração de regras a partir do mapa auto-organizável de Kohonen, projetando um sistema de inferência difusa capaz de explicar as decisões/classificação obtidas através do mapa. A metodologia proposta é aplicada ao problema de diagnóstico de faltas incipientes em transformadores, em que se obtém um sistema classificatório eficiente e com capacidade de explicação em relação aos resultados obtidos, o que gera mais confiança aos especialistas da área na hora de tomar decisões.

Identificação de correntes de inrush na proteção diferencial de transformadores de potência através do gradiente da corrente diferencial e de mapas auto-organizáveis

A principal dificuldade encontrada na proteção diferencial de transformadores de potência é a correta distinção entre as correntes de inrush e as correntes de faltas internas. Tradicionalmente os relés diferenciais executam esta tarefa utilizando a técnica de restrição por harmônicos baseada na premissa de que as correntes de inrush possuem alta concentração de componentes harmônicas de segunda ordem, contudo essa técnica nem sempre é eficaz. O presente trabalho tem como objetivo apresentar a proposta de duas novas metodologias capazes de realizar a identificação e distinção entre as correntes de inrush das correntes de faltas internas na proteção diferencial de transformadores de potência através de metodologias que não dependem do conteúdo de harmônicos do sinal da corrente diferencial. A primeira metodologia proposta, denominada de método do gradiente da corrente diferencial, é baseada no comportamento do vetor gradiente, obtido através da diferenciação numérica do sinal da corrente diferencial. O critério de distinção utilizado é baseado no desvio padrão do ângulo do vetor gradiente que apresenta comportamento diferenciado para correntes de inrush e correntes de curto-circuito. A segunda metodologia proposta é baseada na capacidade de reconhecimento e classificação de padrões das redes neurais de Mapeamento Auto-organizável de Kohonen. Como padrão de entrada e de treinamento da rede neural é utilizado um vetor contendo quatro níveis do espectro do desvio padrão do ângulo do vetor gradiente da corrente diferencial nas três fases do transformador de potência. A eficácia dos métodos foi testada através da simulação de diversas situações de faltas internas e correntes de inrush, incluindo situações de “Sympathetic Inrush”, em um transformador de potência usando o software EMTP/ATP e através da implementação do algoritmo em MATLAB®, apresentando resultados altamente promissores.

Análise exploratória de simulações sociais computacionais por meio de estatística multivariada e mapas auto-organizáveis.

Visando oferecer subsídios para a avaliação do Plano Territorial de Desenvolvimento Rural Sustentável do Ministério do Desenvolvimento Agrário este trabalho teve como objetivo a aplicação da análise de componentes principais, da análise de agrupamentos pelo método hierárquico aglomerativo e da rede neural do tipo Mapa Auto-Organizável de Kohonen na análise exploratória de resultados de simulações sociais computacionais do sistema socioterritorial ?Território Rural Sul "sergipano?. A metodologia basea-se na Sociologia da Ação Organizada e no método Soclab. As análises estatísticas mostraram que o sistema socioterritorial em questão tem estrutura simples e determinística, ou seja, apresenta um jogo social cooperativo com forte tendência à estabilidade mesmo com situações de interesses divergentes. A análise neural permitiu a caracterização das situações atípicas quando ocorrem a estabilidade do sistema social.

Processamento Inteligente de Sinais de Pressão e Temperatura Adquiridos Através de Sensores Permanentes em Poços de Petróleo

Originally aimed at operational objectives, the continuous measurement of well bottomhole pressure and temperature, recorded by permanent downhole gauges (PDG), finds vast applicability in reservoir management. It contributes for the monitoring of well performance and makes it possible to estimate reservoir parameters on the long term. However, notwithstanding its unquestionable value, data from PDG is characterized by a large noise content. Moreover, the presence of outliers within valid signal measurements seems to be a major problem as well. In this work, the initial treatment of PDG signals is addressed, based on curve smoothing, self-organizing maps and the discrete wavelet transform. Additionally, a system based on the coupling of fuzzy clustering with feed-forward neural networks is proposed for transient detection. The obtained results were considered quite satisfactory for offshore wells and matched real requisites for utilization

Contribuições de modelagem de equações estruturais na análise de dados em modelos comportamentais de destino turístico

A fragilidade brasileira quanto à competitividade turística é um fato observável nos dados da Organização Mundial do Turismo. O Brasil caiu em 2011, da 45ª para a 52ª posição, apesar de liderar no atributo recursos naturais e estar colocado na 23° em recursos culturais. Assim, grandes interesses e esforços têm sido direcionados para o estudo da competitividade dos produtos e destinos turísticos. O destino turístico é caracterizado por um conjunto complexo e articulado de fatores tangíveis e intangíveis, apresentando alta complexidade, dados de elevada dimensionalidade, não linearidade e comportamento dinâmico, tornando-se difícil a modelagem desses processos por meio de abordagens baseadas em técnicas estatísticas clássicas. Esta tese investigou modelos de equações estruturais e seus algoritmos, aplicados nesta área, analisando o ciclo completo de análise de dados, em um processo confirmatório no desenvolvimento e avaliação de um modelo holístico da satisfação do turista; na validação da estrutura do modelo de medida e do modelo estrutural, por meio de testes de invariância de múltiplos grupos; na análise comparativa dos métodos de estimação MLE, GLS e ULS para a modelagem da satisfação e na realização de segmentação de mercado no setor de destino turístico utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen e sua validação com modelagem de equações estruturais. Aplicações foram feitas em análises de dados no setor de turismo, principal indústria de serviços do Estado do Rio Grande do Norte, tendo sido, teoricamente desenvolvidos e testados empiricamente, modelos de equações estruturais em padrões comportamentais de destino turístico. Os resultados do estudo empírico se basearam em pesquisas com a técnica de amostragem aleatória sistemática, efetuadas em Natal-RN, entre Janeiro e Março de 2013 e forneceram evidências sustentáveis de que o modelo teórico proposto é satisfatório, com elevada capacidade explicativa e preditiva, sendo a satisfação o antecedente mais importante da lealdade no destino. Além disso, a satisfação é mediadora entre a geração da motivação da viagem e a lealdade do destino e que os turistas buscam primeiro à satisfação com a qualidade dos serviços de turismo e, posteriormente, com os aspectos que influenciam a lealdade. Contribuições acadêmicas e gerenciais são mostradas e sugestões de estudo são dadas para trabalhos futuros.

Contribuições ao estudo de modelagem de equações estruturais na avaliação da satisfação do cliente de serviços de comunicações móveis

No mercado de telecomunicações as transformações tecnológicas das últimas décadas aliaram-se a um cenário formado por empresas de alta tecnologia que caracterizam o setor de comunicações móveis pessoais em todo mundo. Neste contexto, as empresas deste setor preocupam-se cada vez mais com a competitividade, oferta de serviços, área de atendimento, demanda reprimida e a lealdade do cliente. Estudos de comportamento do consumidor pesquisam a satisfação e lealdade de clientes como fatores básicos para relações bem sucedidas e duradouras com as empresas. A complexidade das relações entre variáveis na avaliação da satisfação do cliente em comunicações móveis pode ser adequadamente pesquisada com a utilização de métodos estatísticos multivariados. Essa tese analisou as relações causais envolvendo os antecedentes e consequentes associados à satisfação do cliente, no segmento de comunicações móveis, bem como desenvolveu e validou um modelo comportamental do cliente no uso deste serviço, buscando explicar as relações entre os construtos envolvidos: satisfação, qualidade dos serviços, valor percebido, imagem da marca, lealdade e reclamação. Foi estabelecida uma ampla base teórica para avaliar a importância estratégica do modelo que relaciona a influência na satisfação do serviço com as percepções dos clientes e avaliada a precisão deste modelo, por meio de uma análise comparativa a utilização de três métodos de estimação dos seus parâmetros, MLE, GLS, e ULS, com o emprego de modelagem de equações estruturais. Foram feitas aplicações em análises de dados, sendo testada e avaliada empiricamente, a influência do gênero na satisfação do cliente deste setor, além de uma segmentação de mercado utilizando mapas auto-organizáveis e a correspondente validação deste processo, com modelagem de equações estruturais.Os resultados do estudo empírico produziram uma boa qualidade de ajustamento para o modelo teórico proposto, com evidências do estabelecimento de uma adequada capacidade explicativa e preditiva, destacando-se a relevância da relação causal entre a satisfação e lealdade, em consonância com diversos estudos realizados para os mercados de comunicações móveis.

Processamento Inteligente de Sinais de Pressão e Temperatura Adquiridos Através de Sensores Permanentes em Poços de Petróleo

Originally aimed at operational objectives, the continuous measurement of well bottomhole pressure and temperature, recorded by permanent downhole gauges (PDG), finds vast applicability in reservoir management. It contributes for the monitoring of well performance and makes it possible to estimate reservoir parameters on the long term. However, notwithstanding its unquestionable value, data from PDG is characterized by a large noise content. Moreover, the presence of outliers within valid signal measurements seems to be a major problem as well. In this work, the initial treatment of PDG signals is addressed, based on curve smoothing, self-organizing maps and the discrete wavelet transform. Additionally, a system based on the coupling of fuzzy clustering with feed-forward neural networks is proposed for transient detection. The obtained results were considered quite satisfactory for offshore wells and matched real requisites for utilization

Uma Aplicação de Redes Neurais Auto-Organizaveis à Reconstrução Tridimensional de Superfícies

We propose a multi-resolution approach for surface reconstruction from clouds of unorganized points representing an object surface in 3D space. The proposed method uses a set of mesh operators and simple rules for selective mesh refinement, with a strategy based on Kohonen s self-organizing map. Basically, a self-adaptive scheme is used for iteratively moving vertices of an initial simple mesh in the direction of the set of points, ideally the object boundary. Successive refinement and motion of vertices are applied leading to a more detailed surface, in a multi-resolution, iterative scheme. Reconstruction was experimented with several point sets, induding different shapes and sizes. Results show generated meshes very dose to object final shapes. We include measures of performance and discuss robustness.

Mineração de dados baseada em inteligência computacional: uma aplicação à determinação da tipologia de curvas de cargas

As concessionárias de energia, para garantir que sua rede seja confiável, necessitam realizar um procedimento para estudo e análise baseado em funções de entrega de energia nos pontos de consumo. Este estudo, geralmente chamado de planejamento de sistemas de distribuição de energia elétrica, é essencial para garantir que variações na demanda de energia não afetem o desempenho do sistema, que deverá se manter operando de maneira técnica e economicamente viável. Nestes estudos, geralmente são analisados, demanda, tipologia de curva de carga, fator de carga e outros aspectos das cargas existentes. Considerando então a importância da determinação das tipologias de curvas de cargas para as concessionárias de energia em seu processo de planejamento, a Companhia de Eletricidade do Amapá (CEA) realizou uma campanha de medidas de curvas de carga de transformadores de distribuição para obtenção das tipologias de curvas de carga que caracterizam seus consumidores. Neste trabalho apresentam-se os resultados satisfatórios obtidos a partir da utilização de Mineração de Dados baseada em Inteligência Computacional (Mapas Auto-Organizáveis de Kohonen) para seleção das curvas típicas e determinação das tipologias de curvas de carga de consumidores residenciais e industriais da cidade de Macapá, localizada no estado do Amapá. O mapa auto-organizável de Kohonen é um tipo de Rede Neural Artificial que combina operações de projeção e agrupamento, permitindo a realização de análise exploratória de dados, com o objetivo de produzir descrições sumarizadas de grandes conjuntos de dados.

Algoritmo SOM com estrutura hierárquica e dinâmica aplicado a compressão de imagens

ln this work the implementation of the SOM (Self Organizing Maps) algorithm or Kohonen neural network is presented in the form of hierarchical structures, applied to the compression of images. The main objective of this approach is to develop an Hierarchical SOM algorithm with static structure and another one with dynamic structure to generate codebooks (books of codes) in the process of the image Vector Quantization (VQ), reducing the time of processing and obtaining a good rate of compression of images with a minimum degradation of the quality in relation to the original image. Both self-organizing neural networks developed here, were denominated HSOM, for static case, and DHSOM, for the dynamic case. ln the first form, the hierarchical structure is previously defined and in the later this structure grows in an automatic way in agreement with heuristic rules that explore the data of the training group without use of external parameters. For the network, the heuristic mIes determine the dynamics of growth, the pruning of ramifications criteria, the flexibility and the size of children maps. The LBO (Linde-Buzo-Oray) algorithm or K-means, one ofthe more used algorithms to develop codebook for Vector Quantization, was used together with the algorithm of Kohonen in its basic form, that is, not hierarchical, as a reference to compare the performance of the algorithms here proposed. A performance analysis between the two hierarchical structures is also accomplished in this work. The efficiency of the proposed processing is verified by the reduction in the complexity computational compared to the traditional algorithms, as well as, through the quantitative analysis of the images reconstructed in function of the parameters: (PSNR) peak signal-to-noise ratio and (MSE) medium squared error

Uma proposta metodológica de integração de técnicas de análise espectral e de inteligência computacional, baseadas em conhecimento, para o reconhecimento de padrões em imagens multiespectrais

Somente no ano de 2011 foram adquiridos mais de 1.000TB de novos registros digitais de imagem advindos de Sensoriamento Remoto orbital. Tal gama de registros, que possui uma progressão geométrica crescente, é adicionada, anualmente, a incrível e extraordinária massa de dados de imagens orbitais já existentes da superfície da Terra (adquiridos desde a década de 70 do século passado). Esta quantidade maciça de registros, onde a grande maioria sequer foi processada, requer ferramentas computacionais que permitam o reconhecimento automático de padrões de imagem desejados, de modo a permitir a extração dos objetos geográficos e de alvos de interesse, de forma mais rápida e concisa. A proposta de tal reconhecimento ser realizado automaticamente por meio da integração de técnicas de Análise Espectral e de Inteligência Computacional com base no Conhecimento adquirido por especialista em imagem foi implementada na forma de um integrador com base nas técnicas de Redes Neurais Computacionais (ou Artificiais) (através do Mapa de Características Auto- Organizáveis de Kohonen SOFM) e de Lógica Difusa ou Fuzzy (através de Mamdani). Estas foram aplicadas às assinaturas espectrais de cada padrão de interesse, formadas pelos níveis de quantização ou níveis de cinza do respectivo padrão em cada uma das bandas espectrais, de forma que a classificação dos padrões irá depender, de forma indissociável, da correlação das assinaturas espectrais nas seis bandas do sensor, tal qual o trabalho dos especialistas em imagens. Foram utilizadas as bandas 1 a 5 e 7 do satélite LANDSAT-5 para a determinação de cinco classes/alvos de interesse da cobertura e ocupação terrestre em três recortes da área-teste, situados no Estado do Rio de Janeiro (Guaratiba, Mangaratiba e Magé) nesta integração, com confrontação dos resultados obtidos com aqueles derivados da interpretação da especialista em imagens, a qual foi corroborada através de verificação da verdade terrestre. Houve também a comparação dos resultados obtidos no integrador com dois sistemas computacionais comerciais (IDRISI Taiga e ENVI 4.8), no que tange a qualidade da classificação (índice Kappa) e tempo de resposta. O integrador, com classificações híbridas (supervisionadas e não supervisionadas) em sua implementação, provou ser eficaz no reconhecimento automático (não supervisionado) de padrões multiespectrais e no aprendizado destes padrões, pois para cada uma das entradas dos recortes da área-teste, menor foi o aprendizado necessário para sua classificação alcançar um acerto médio final de 87%, frente às classificações da especialista em imagem. A sua eficácia também foi comprovada frente aos sistemas computacionais testados, com índice Kappa médio de 0,86.

A emergência da competência oral como sistema dinâmico, adaptativo e complexo no ensino-aprendizagem de inglês como língua adicional para iniciantes

No âmbito do ensino-aprendizagem de línguas adicionais, pesquisas acerca do desenvolvimento da oralidade têm demonstrado que se trata de um fenômeno multidimensional. Nakatani (2010) mostrou que o domínio de estratégias comunicacionais são indicadores de desempenho linguístico e se relacionam com a proficiência do aprendiz; Kang, Rubin e Pickering (2010) observaram que os traços fonológicos afetam a percepção sobre inteligibilidade e proficiência; Hewitt e Stephenson (2011), e Ahmadian (2012) indicaram que as condições psicológicas individuais interferem na qualidade da produção oral. Escribano (2004) sugeriu que a referência contextual é essencial na construção de sentido; Gao (2011) apontou os benefícios do ensino baseado na construção do sentido, a partir de metáforas conceptuais (LAKOFF e JOHNSON, 1980), codificação dupla (CLARK e PAIVIO, 1991) e esquemas imagéticos (LAKOFF, 1987); e Ellis e Ferreira-Junior (2009) demonstraram que as construções exibem efeitos de recência e priming, afetando o uso da linguagem dos parceiros interacionais. Tais estudos apontam para a natureza complexa da aquisição de L2, mas o fazem dentro do paradigma experimental da psicolinguística. Já Larsen-Freeman (2006), demonstra que a fluência, a precisão e a complexidade desenvolvem-se com o tempo, com alto grau de variabilidade, dentro do paradigma da Teoria da Complexidade. Em viés semelhante, Paiva (2011) observa que os sistemas de Aquisição de Segunda Língua (ASL) são auto-organizáveis. Esses trabalhos, no entanto, não abordaram aprendizes de L2 com proficiência inicial, como pretendo fazer aqui. Tendo como referenciais teóricos a Teoria da Complexidade e a Linguística Cognitiva, o presente trabalho apresenta um estudo de caso, qualitativo-interpretativista, com nuances quantitativos, que discute os processos de adaptação que emergiram na expressão oral de um grupo de aprendizes iniciantes de inglês como língua adicional no contexto vocacional. Parte do entendimento de que na sala de aula vários (sub)sistemas complexos coocorrem, covariando e coadaptando-se em diferentes níveis. A investigação contou com dados transcritos de três avaliações coletados ao longo de 28 horas de aula, no domínio ENTREVISTA DE EMPREGO. Após observar a produção oral das aprendizes, criei uma taxonomia para categorizar as adaptações que ocorreram na sintaxe, semântica, fonologia e pragmática da língua-alvo. Posteriormente organizei as categorias em níveis de prototipicidade (ROSCH et al, 1976) de acordo com as adaptações mais frequentes. Finalmente, avaliei a inteligibilidade de cada elocução, classificando-as em três níveis. A partir desses dados, descrevi como a prática oral dessas participantes emergiu e se desenvolveu ao longo das 28 horas. Os achados comprovam uma das premissas da Linguística Cognitiva ao mostrarem que os níveis de descrição linguística funcionam conjuntamente em prol do sucesso comunicacional. Além disso, demonstram que a função do professor, como discutem LARSEN-FREEMAN e CAMERON (2008), não é gerar uniformidade, mas sim oportunizar vivências que estabeleçam continuidade entre o mundo, o corpo e a mente

Implementación eficiente de redes neuronales autoorganizadas en CUDA C/C++.

En este documento se expondrá una implementación del problema del viajante de comercio usando una implementación personalizada de un mapa auto-organizado basándose en soluciones anteriores y adaptándolas a la arquitectura CUDA, haciendo a la vez una comparativa de la implementación eficiente en CUDA C/C++ con la implementación de las funciones de GPU incluidas en el Parallel Computing Toolbox de Matlab. La solución que se da reduce en casi un cuarto las iteraciones necesarias para llegar a una solución buena del problema mencionado, además de la mejora inminente del uso de las arquitecturas paralelas. En esta solución se estudia la mejora en tiempo que se consigue con el uso específico de la memoria compartida, siendo esta una de las herramientas más potentes para mejorar el rendimiento. En lo referente a los tiempos de ejecución, se llega a concluir que la mejor solución es el lanzamiento de un kernel de CUDA desde Matlab a través de la funcionalidad incluida en el Parallel Computing Toolbox.