Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Optimization models for a short sea fuel oil distribution problem

O transporte marítimo e o principal meio de transporte de mercadorias em todo o mundo. Combustíveis e produtos petrolíferos representam grande parte das mercadorias transportadas por via marítima. Sendo Cabo Verde um arquipelago o transporte por mar desempenha um papel de grande relevância na economia do país. Consideramos o problema da distribuicao de combustíveis em Cabo Verde, onde uma companhia e responsavel por coordenar a distribuicao de produtos petrolíferos com a gestão dos respetivos níveis armazenados em cada porto, de modo a satisfazer a procura dos varios produtos. O objetivo consiste em determinar políticas de distribuicão de combustíveis que minimizam o custo total de distribuiçao (transporte e operacões) enquanto os n íveis de armazenamento sao mantidos nos n íveis desejados. Por conveniencia, de acordo com o planeamento temporal, o prob¬lema e divido em dois sub-problemas interligados. Um de curto prazo e outro de medio prazo. Para o problema de curto prazo sao discutidos modelos matemáticos de programacao inteira mista, que consideram simultaneamente uma medicao temporal cont ínua e uma discreta de modo a modelar multiplas janelas temporais e taxas de consumo que variam diariamente. Os modelos sao fortalecidos com a inclusão de desigualdades validas. O problema e então resolvido usando um "software" comercial. Para o problema de medio prazo sao inicialmente discutidos e comparados varios modelos de programacao inteira mista para um horizonte temporal curto assumindo agora uma taxa de consumo constante, e sao introduzidas novas desigualdades validas. Com base no modelo escolhido sao compara¬das estrategias heurísticas que combinam três heur ísticas bem conhecidas: "Rolling Horizon", "Feasibility Pump" e "Local Branching", de modo a gerar boas soluçoes admissíveis para planeamentos com horizontes temporais de varios meses. Finalmente, de modo a lidar com situaçoes imprevistas, mas impor¬tantes no transporte marítimo, como as mas condicões meteorológicas e congestionamento dos portos, apresentamos um modelo estocastico para um problema de curto prazo, onde os tempos de viagens e os tempos de espera nos portos sao aleatórios. O problema e formulado como um modelo em duas etapas, onde na primeira etapa sao tomadas as decisões relativas as rotas do navio e quantidades a carregar e descarregar e na segunda etapa (designada por sub-problema) sao consideradas as decisoes (com recurso) relativas ao escalonamento das operacões. O problema e resolvido por um metodo de decomposto que usa um algoritmo eficiente para separar as desigualdades violadas no sub-problema.

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.

Location-routing problems of semi-obnoxious facilities: approaches and decision support

A presente tese resulta de um trabalho de investigação cujo objectivo se centrou no problema de localização-distribuição (PLD) que pretende abordar, de forma integrada, duas actividades logísticas intimamente relacionadas: a localização de equipamentos e a distribuição de produtos. O PLD, nomeadamente a sua modelação matemática, tem sido estudado na literatura, dando origem a diversas aproximações que resultam de diferentes cenários reais. Importa portanto agrupar as diferentes variantes por forma a facilitar e potenciar a sua investigação. Após fazer uma revisão e propor uma taxonomia dos modelos de localização-distribuição, este trabalho foca-se na resolução de alguns modelos considerados como mais representativos. É feita assim a análise de dois dos PLDs mais básicos (os problema capacitados com procura nos nós e nos arcos), sendo apresentadas, para ambos, propostas de resolução. Posteriormente, é abordada a localização-distribuição de serviços semiobnóxios. Este tipo de serviços, ainda que seja necessário e indispensável para o público em geral, dada a sua natureza, exerce um efeito desagradável sobre as comunidades contíguas. Assim, aos critérios tipicamente utilizados na tomada de decisão sobre a localização destes serviços (habitualmente a minimização de custo) é necessário adicionar preocupações que reflectem a manutenção da qualidade de vida das regiões que sofrem o impacto do resultado da referida decisão. A abordagem da localização-distribuição de serviços semiobnóxios requer portanto uma análise multi-objectivo. Esta análise pode ser feita com recurso a dois métodos distintos: não interactivos e interactivos. Ambos são abordados nesta tese, com novas propostas, sendo o método interactivo proposto aplicável a outros problemas de programação inteira mista multi-objectivo. Por último, é desenvolvida uma ferramenta de apoio à decisão para os problemas abordados nesta tese, sendo apresentada a metodologia adoptada e as suas principais funcionalidades. A ferramenta desenvolvida tem grandes preocupações com a interface de utilizador, visto ser direccionada para decisores que tipicamente não têm conhecimentos sobre os modelos matemáticos subjacentes a este tipo de problemas.

Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

Classificação hierárquica com distribuições a posteriori: um estudo de simulação em padrões temporais de VIH

O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes abordagens para identificação de grupos de pacientes VIH com padrões temporais de evolução da doença similares. Foi considerado um sistema de equações diferenciais ordinárias para caracterizar a comportamento ao longo do tempo de um paciente VIH sob tratamento antiretroviral - TAR de longo prazo, com 5 parâmetros estimados a partir de metodologia Bayesiana. As distribuições a posteriori foram usadas para quantificar distâncias (univariadas) entre pacientes, através do valor médio da distribuição a posteriori, e considerando a distância entre as distribuições a posteriori para cada parâmetro. O resultado do agrupamento hierárquico obtido pelas duas abordagens sugere que o uso de uma distância que considere a distribuição a posteriori é preferível. Trabalho futuro irá considerar distâncias multivariadas em vez de distâncias univariadas.

Qualidade do processo de supervisão da investigação doutoral - desenho de um referencial para a sua avaliação e monitorização

Face à existência de um vazio teórico-conceptual e empírico no contexto investigativo português no que concerne à supervisão da investigação doutoral, este trabalho visa contribuir para a compreensão integrada deste fenómeno. Especificamente, com este estudo pretendemos construir um referencial de qualidade do processo de supervisão da investigação doutoral, em particular na ‘corporização’ dos perfis de qualidade dos dois mais importantes intervenientes - supervisores e estudantes de doutoramento – pela identificação de competências transversais às mais variadas áreas disciplinares. Desta forma, será possível desenhar-se, num futuro próximo, não só recomendações a nível institucional de índole mais praxiológica, como também um processo de avaliação e de monitorização adequado. Tendo em consideração o contexto português e o objetivo central do estudo, foram revisitados (i) discursos da política educativa de Ensino Superior de âmbito europeu e (ii) discursos fundamentados na investigação de índole internacional. Ambos permitiram contextualizar o fenómeno, perceber as tendências existentes, sintetizar as contribuições de variados referenciais e modelos existentes, e planear, em específico, a investigação, particularmente em termos de recolha de dados. A investigação, predominantemente de cariz qualitativo, foi conduzida na Universidade de Aveiro, tendo sido seguido o método de estudo de caso: baseou-se nas ‘vozes’ de supervisores e estudantes de doutoramento desta instituição relativamente ao que deve estar presente no processo de supervisão de investigação doutoral. A recolha de dados iniciou-se com entrevistas semiestruturadas, de âmbito exploratório, a especialistas em supervisão pedagógica - o tema semântica e epistemologicamente mais próximo do fenómeno em estudo. Foi realizada, pois, uma primeira aproximação ao ‘terreno’ a nível nacional e foram depuradas as dimensões que deveriam estar presentes no instrumento de recolha de dados do momento subsequente. Em seguida, foram realizados focus groups com supervisores e estudantes de doutoramento da Universidade de Aveiro. As conceções partilhadas em grupo puderam ser categorizadas segundo (i) o enquadramento do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, nomeadamente no que concerne à natureza e ao valor do doutoramento atribuídos pelos participantes, assim como ao processo de transformação que experienciam; (ii) a qualidade do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, consoante aspectos intrínsecos, dos quais se ressalta o perfil desejável de qualidade do supervisor e do estudante, pela identificação de um conjunto de competências fulcrais, e aspectos extrínsecos aos indivíduos; e (iii) os problemas do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, considerando, novamente, aspectos intrínsecos e extrínsecos aos indivíduos. O último momento de recolha de dados foi realizado através da aplicação de questionários a supervisores e estudantes da Universidade de Aveiro. Assim, foi possível debruçarmo-nos especificamente sobre os perfis de qualidade de estudantes e supervisores. As competências integradas nos questionários foram provenientes dos resultados dos focus groups, tendo sido consideradas as mais importantes. Nos questionários foi solicitado aos respondentes que revelassem o seu grau de concordância relativamente às competências que deveriam fazer parte dos perfis de qualidade. Foi, então, possível proceder a uma análise e reflexão sobre o estabelecimento de uma hierarquia de competências, numa tentativa de depurar os perfis de qualidade dos elementos da díade supervisiva. Assim, conclui-se que há variáveis que podem influenciar o estabelecimento dessa hierarquia, reforçando que o processo supervisivo, quando refletido, avaliado e monitorizado, deve considerar diversos ‘contextos’ que o poderão influenciar. Todavia, há um conjunto de competências que parecem ‘isentas’ de influências, apesar de serem necessários estudos mais aprofundados para esclarecer esta assunção. Face a todo o percurso investigativo, apresenta-se, no final, um referencial de qualidade integrado e sistematizado, considerando o enquadramento teórico e o estudo empírico, assim como um sistema articulado de competências referente aos perfis de qualidade que supervisores e estudantes de doutoramento devem demonstrar e desenvolver.

Nanofluids development and characterization for heat exchanging intensification

A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade através do desenvolvimento científico e tecnológico. O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável. Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade, assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a deterioração da morfologia das nanopartículas. Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas. Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com segurança a condutividade térmica de nanofluidos.