Algoritmos inteligentes de baixa complexidade

A domótica é uma área com grande interesse e margem de exploração, que pretende alcançar a gestão automática e autónoma de recursos habitacionais, proporcionando um maior conforto aos utilizadores. Para além disso, cada vez mais se procuram incluir benefícios económicos e ambientais neste conceito, por forma a garantir um futuro sustentável. O aquecimento de água (por meios elétricos) é um dos fatores que mais contribui para o consumo de energia total de uma residência. Neste enquadramento surge o tema “algoritmos inteligentes de baixa complexidade”, com origem numa parceria entre o Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) da Universidade de Aveiro e a Bosch Termotecnologia SA, que visa o desenvolvimento de algoritmos ditos “inteligentes”, isto é, com alguma capacidade de aprendizagem e funcionamento autónomo. Os algoritmos devem ser adaptados a unidades de processamento de 8 bits para equipar pequenos aparelhos domésticos, mais propriamente tanques de aquecimento elétrico de água. Uma porção do desafio está, por isso, relacionada com as restrições computacionais de microcontroladores de 8 bits. No caso específico deste trabalho, foi determinada a existência de sensores de temperatura da água no tanque como a única fonte de informação externa aos algoritmos, juntamente com parâmetros pré-definidos pelo utilizador que estabelecem os limiares de temperatura máxima e mínima da água. Partindo deste princípio, os algoritmos desenvolvidos baseiam-se no perfil de consumo de água quente, observado ao longo de cada semana, para tentar prever futuras tiragens de água e, consequentemente, agir de forma adequada, adiantando ou adiando o aquecimento da água do tanque. O objetivo é alcançar uma gestão vantajosa entre a economia de energia e o conforto do utilizador (água quente), isto sem que exista necessidade de intervenção direta por parte do utilizador final. A solução prevista inclui também o desenvolvimento de um simulador que permite observar, avaliar e comparar o desempenho dos algoritmos desenvolvidos.

Avaliação do impacto das condições de operação na qualidade do sinal : processamento de dados de reflexão sísmica de multicanal

Através do processamento de dados sísmicos convertem-se registos de campo em secções sísmicas com significado geológico, que revelam informações e ajudam a delinear as camadas geológicas do subsolo e identificar estruturas soterradas. Portanto, a interpretação dos dados sísmicos só é boa se o processamento também o for. Este trabalho é resultado de um estágio curricular na empresa de prospecção geofísica GeoSurveys, que consistiu principalmente em processar 18 linhas de dados de sísmica de reflexão multicanal de alta resolução adquiridas na ilha de Pulau Tekong em Singapura, que têm como finalidade investigação do solo da baia desta mesma ilha. Estes dados foram cedidos à GeoSurveys para fins académicos, caso em que se inclui esta dissertação. Para atingir os objectivos propostos que consistiam em avaliar o impacto das condições de operação na qualidade do sinal sísmico e interpretação das linhas, fez-se o processamento das linhas utilizando um fluxo processamento padrão utilizado na empresa, com recurso ao software Radex Pro. Este fluxo de processamento tem como mais-valia o método de correcções estáticas, o UHRS trim statics, além das técnicas habituais utilizadas para melhorar a resolução das secções sísmicas como é o caso da desconvolução, a atenuação de ruído através do stacking, correcções de NMO, e migração, entre outras técnicas. A interpretação das linhas sísmicas processadas foi feita no software Kingdom Suite (IHS), através da distinção da configuração interna dos reflectores em cada secção sísmica, estabelecendo deste modo as principais unidades sismo-estratigráficas e identificando as zonas de interface que delimitam os horizontes principais. Foi feito ainda um estudo geológico sumário da área de pesquisa e da evolução geodinâmica da região.

Modelo de operação de unidades de fragmentação no tratamento de veículos em fim de vida

A recuperação de metais a partir de resíduos é uma actividade ligada à valorização de resíduos que se afigura essencial à preservação de recursos naturais. O tratamento de resíduos metálicos é essencial para o sucesso da reciclagem. O tratamento permite diminuir contaminações com outros materiais, melhorar a valorização e diminuir os custos de transporte. Ao tratamento encontram-se associadas diferentes operações, cuja finalidade é preparar os metais de acordo com os requisitos de processo dos recicladores. A fragmentação é uma das operações de pré-tratamento mais relevantes pela sua capacidade de processamento e pela possibilidade de permitir separar resíduos contaminados com outros materiais. O presente trabalho efectua uma análise inicial ao sector e às tecnologias existentes permitindo introduzir posteriormente o caso de estudo, a instalação em Vila Nova de Gaia da empresa Constantino Fernandes Oliveira & Filhos, SA. O enfoque ao caso de estudo aborda o tema da eficiência energética, um dos principais custos de produção. Nesta perspectiva identifica pontos críticos e estabelece medidas de eficiência energética que permitam reduzir o consumo energético. As medidas propostas foram a colocação de um variador electrónico de velocidade no ventilador principal da fragmentadora e no compressor e a substituição da iluminação existente por iluminação LED. As medidas propostas permitem a redução do consumo específico de energia de 9,39 kgep/t para 8,81 kgep/t. Sendo a fragmentação uma das operações mais relevantes na actividade da instalação estudada, no presente trabalho, efectuou-se a análise do modelo operatório com recurso à aplicação STAN de análise de fluxos de materiais. O procedimento de análise envolveu a criação de vários cenários de exploração no tratamento de resíduos. O objectivo das simulações é a contabilização dos custos referentes ao tratamento dos resíduos permitindo melhorias na vertente operacional, ambiental e económica. Um dos cenários simulados foi a remoção dos veículos em fim de vida dos resíduos a fragmentar, onde se constatou que apesar de uma redução dos resíduos processados, os proveitos por quantidade processada não alteram relativamente ao modelo operatório de base. Este facto deve-se sobretudo aos custos elevados de tratamento de resíduos gerados no processo de fragmentação dos veículos em fim de vida.

Valorização de resíduos industriais na formulação de produtos e pigmentos cerâmicos: processamento e desenvolvimento de cor

A valorização de diferentes resíduos industriais provenientes dosector de tratamento/revestimento de superfícies metálicas pode ser obtida utilizando-os como matérias-primas na formulação de pigmentos cerâmicos, sintetizados pelo método cerâmico convencional. Neste trabalho avaliou-se a viabilidade de incorporar lamas geradas pelos processos de (i) anodização, ricas em alumínio, (ii) de niquelagem e cromagem de torneiras, usadas como fonte de níquel e crómio, e (iii) da decapagem química de aços de uma trefilaria, ricas em ferro, utilizadas por si só, ou em conjunto com matérias-primas comerciais, para a obtenção depigmentos cerâmicos que coram, de forma estável, diversas matrizes cerâmicas e vítreas. Esta solução assegura ainda a inertização de potenciaisespécies perigosas presentes nos resíduos, resultando produtos inócuospara a saúde pública. Procedeu-se à caracterização de cada resíduo, em termos de composição química e mineralógica, comportamento térmico, grau de toxicidade, distribuição granulométrica, teor de humidade, etc. Verificou-se a constância das características das lamas, recorrendo à análise de lotes recolhidos em momentos distintos. Os resíduos são essencialmente constituídos por hidróxidos metálicos e foram utilizados após secagem e desagregação. No entanto, a lama de anodização de alumínio sofreu um tratamento térmico suplementar a 1400ºC. O método de síntese dos pigmentos englobou as seguintes etapas: (i) doseamento; (ii) homogeneização; (iii) calcinação; (iv) lavagem e moagem.Procedeu-se à caracterização dos pigmentos, avaliando a cor por espectroscopia de reflectância difusae pelo método CIELAB e determinando as características físico-químicas relevantes. Posteriormente, testou-se o seu desempenho em produtos cerâmicos distintos (corpos e vidrados), aferindo o desempenho cromático e a estabilidade. Numa primeira fase, desenvolveram-se e caracterizaram-se tipos distintos de pigmentos: (i) com base na estrutura do corundo (ii) verde Victória deuvarovite (iii) violeta de cassiterite com crómio (iv) pigmento carmim de malaiaíte; (v)pretos e castanhos com base na estrutura da espinela. Aprofundaram-se depois os estudos do pigmento carmim de malaiaítee do pigmento preto com base na estrutura da espinela. O pigmento carmim de malaiaíte, CaSnSiO5:Cr2O3, é formulado coma lama gerada no processo de niquelagem e cromagem. Avaliou-se a influência do teor de lama na temperatura de síntese e na qualidade cromática, em comparação com um pigmento formulado com reagentes puros. O pigmento preto com estrutura de espinela de níquel, crómio e ferro, foii formulado exclusivamente a partir das lamas geradas nos processos de cromagem/niquelagem e de decapagem química do aço. Avaliaram-se as características cromáticas e o grau de inertização dos elementos tóxicospresentes, em função da estequiometria e do tratamento térmico. Estudou-se ainda um novo sistema com base na estrutura da hibonite(CaAl12O19), que permite a obtenção de pigmentos azuis e que utiliza a lama de cromagem e niquelagem. As espécies cromóforas (Ni2+ ou Co2+) assumem coordenação tetraédrica quando substituem os iões Al3+ que ocupam as posições M5 da rede da hibonite. A formação simultânea de anortite permite reduzir a temperatura de síntese.Para além do carácter inovador deste pigmento de dissolução sólida, a qualidade cromática e a sua estabilidade são interessantes. Além disso, os teores de cobalto ou níquel são reduzidosrelativamente aos utilizados em formulações comerciais de pigmentos azuis, o que se traduz em importantes vantagens económicas e ambientais.

Avaliação das aprendizagens no ensino superior: estudo de um sistema de avaliação nas unidades curriculares de projeto de simulação empresarial

Com a preocupação de suprir lacunas evidenciadas pelo ensino tradicional típico do Curso de Contabilidade e Administração do Instituto Superior de Contabilidade e Administração do Porto, introduziu-se no seu sistema de ensino as unidades curriculares de Projeto de Simulação Empresarial I e II (PSE I e PSE II), que, pela sua singularidade e especificidades, denominamos de Ambiente Empresarial. A particularidade deste processo de formação, centrado no desenvolvimento de competências, molda a metodologia do ensino, da aprendizagem e da avaliação. De destacar que o sistema de avaliação das aprendizagens introduzido está construído numa base informática de recolha contínua e ponderação sistemática de uma série de indicadores. A presente tese tem como objetivo estudar as potencialidades e constrangimentos do sistema de avaliação utilizado nas unidades curriculares referidas. Pretendemos, em particular, analisar em que medida este sistema beneficia o sucesso escolar dos estudantes, em resultado de uma melhoria no processo de aprendizagem e, consequentemente, no desenvolvimento das competências dos estudantes. No decorrer dos anos letivos de 2008-2009 e de 2009-2010, segundo e primeiro semestres, respetivamente, recolhemos dados qualitativos e quantitativos através de questionários aos estudantes e entrevistas aos docentes e ao responsável pela coordenação das unidades curriculares. Os resultados do estudo levantaram uma série de questões relacionadas com a avaliação e a forma como esta desenvolve nos estudantes uma diferente postura no que concerne ao processo de ensino e aprendizagem. A centralidade no estudante como foco deste sistema de avaliação possibilita a autorregulação da aprendizagem através da retroação. O trabalho individual e de grupo apresentam-se como principais fatores no desenvolvimento das competências genéricas (relacionais) e comportamentais.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Design de unidades funcionais: plataforma para o desenvolvimento novos produtos universidade-indústria

Este trabalho de investigação teve como principais objetivos, por um lado, procurar as relações existentes entre a Instituição Ensino Superior de Design (IES-D) e as empresas, por outro, configurar um modelo que permitisse criar uma plataforma de inovação para o desenvolvimento de novos produtos na IES-D num contexto globalizado. Nos últimos anos, o setor “ensino superior” na Europa e em várias partes do mundo passou por grandes mudanças, o que acentuou o ambiente competitivo entre as IES, incluindo as de Design. Neste âmbito, procurou-se demonstrar o novo posicionamento estratégico da IES-D perante o mercado, e quais as ações a desenvolver que possibilitam alcançar uma vantagem competitiva sustentável. Primeiro, considerou-se fundamental identificar a importância do design perante o ensino, a situação mundial e a mudança da cultura económica. Depois, assinalaram-se as iniciativas de promoção do design e as políticas de inovação europeias. E por fim, reuniram-se os aspetos que obrigam as IES-D a assumir novos papéis de interação com o mercado. Por análise comparativa internacional procedeu-se à seleção de uma amostra de dezoito (18) IES-D – dez europeias, quatro norte americanas e quatro asiáticas. Instituições de ensino com tipologias diversas e pertencentes a distintos contextos socioeconómicos. A caracterização da amostra através de análise estrutural permitiu identificar aspetos comuns às IES-D – ações estratégicas que servem para promover a inovação. Para explicitar a interação do sistema formado por esses elementos comuns, configurou-se um modelo concetual – Hexágono da Inovação (HI). O modelo, enquanto instrumento de análise, permite criar um padrão da inovação da IES-D e posicioná-la perante o setor - ensino superior de design. Foi também realizado um ensaio da aplicabilidade do modelo concetual HI na ESAD.cr/IPL. Através da implementação da plataforma de inovação - ESAD Design Studio - Centro de Estudos e Investigação em Design (EDS/CEID), foram ensaiadas as ações necessárias para promover o design estratégico e o design de inovação.

Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.

Propriedades intrínsecas e de processamento de termoplásticos elastoméricos incorporando borracha de pneu reciclada

O trabalho apresentado tem por objetivo contribuir para a valorização da borracha proveniente de pneus em fim de vida, assente em princípios de sustentabilidade ambiental. A abordagem adotada para a concretização deste objetivo consiste na incorporação de borracha de pneus em formulações de base termoplástica e elastomérica (TPE), adequadas ao processo de moldação por injeção. São desenvolvidos estudos sobre a morfologia, propriedades mecânicas, térmicas e reológicas das ligas poliméricas à base de granulado de borracha de pneu (GTR). A falta de adesão entre o GTR e a matriz polimérica leva à degradação das propriedades mecânicas dos materiais obtidos. A estratégia explorada passa pela utilização de um elastómero para promover o encapsulamento do GTR e, desta forma, procurar obter ligas com propriedades mecânicas características de um TPE. São analisadas ligas ternárias (TPEGTR) compostas por polipropileno (PP) de elevada fluidez, GTR e elastómero virgem. O efeito da presença de diferentes elastómeros nas ligas é analisado neste trabalho: um elastómero de etilenopropileno- dieno (EPDM), e um novo elastómero de etileno-propileno (EPR) obtido por catálise metalocénica. O estudo da morfologia das ligas obtidas mostra haver interação entre os materiais, sendo possível inferir a viabilidade da estratégia adotada para promover a adesão do GTR. A incorporação de elastómero promove o aumento da resistência ao impacto e da extensão na rotura nas ligas, o que é atribuído, fundamentalmente, ao encapsulamento do GTR e ao aumento da tenacidade da matriz termoplástica. Com o objetivo de avaliar a influência da estrutura cristalina das ligas TPEGTR no seu comportamento mecânico, procede-se à análise do processo de cristalização sob condições isotérmicas e não isotérmicas. Neste estudo, é avaliado o efeito da presença dos materiais que constituem a fase elastomérica na cinética de cristalização. Para cada uma das ligas desenvolvidas, recorre-se ao modelo de Avrami para avaliar o efeito da temperatura no mecanismo de nucleação, na morfologia das estruturas cristalinas e na taxa de cristalização. Recorre-se à reometria capilar para estudar, sob condições estacionárias, o comportamento reológico das ligas TPEGTR. O modelo de Cross-WLF é utilizado para avaliar o comportamento reológico de todos os materiais, obtendo-se resultados similares àqueles obtidos experimentalmente. O comportamento reológico dos polímeros PP, EPR e EPDM é do tipo reofluidificante, tendo o EPR um comportamento reológico similar ao do PP e o EPDM um comportamento reo-fluidificante mais pronunciado. Em todas as ligas analisadas o comportamento reológico revela-se do tipo reo-fluidificante, sendo que a presença de GTR promove o aumento da viscosidade. Os parâmetros obtidos do modelo de Cross-WLF são utilizados para realizar a simulação da etapa de injeção recorrendo a um software comercial. Os resultados obtidos são validados experimentalmente pelo processo de moldação por injeção, evidenciando uma boa adequabilidade da aplicação deste modelo a estas ligas. O trabalho desenvolvido sobre ligas TPEGTR, constitui um contributo para a valorização da borracha proveniente de pneus em fim de vida, assente em princípios de sustentabilidade ambiental.

Development of infrared spectroscopy for assessing bacterial quality in foods

Rapid and specific detection of foodborne bacteria that can cause food spoilage or illness associated to its consumption is an increasingly important task in food industry. Bacterial detection, identification, and classification are generally performed using traditional methods based on biochemical or serological tests and the molecular methods based on DNA or RNA fingerprints. However, these methodologies are expensive, time consuming and laborious. Infrared spectroscopy is a reliable, rapid, and economic technique which could be explored as a tool for bacterial analysis in the food industry. In this thesis it was evaluated the potential of IR spectroscopy to study the bacterial quality of foods. In Chapter 2, it was developed a calibration model that successfully allowed to predict the bacterial concentration of naturally contaminated cooked ham samples kept at refrigeration temperature during 8 days. In this part, it was developed the methodology that allowed the best reproducibility of spectra from bacteria colonies with minimal sample preparation, which was used in the subsequent work. Several attempts trying different resolutions and number of scans in the IR were made. A spectral resolution of 4 cm-1, with 32 scans were the settings that allowed the best results. Subsequently, in Chapter 3, it was made an attempt to identify 22 different foodborne bacterial genera/species using IR spectroscopy coupled with multivariate analysis. The principal component analysis, used as an exploratory technique, allowed to form distinct groups, each one corresponding to a different genus, in most of the cases. Then, a hierarchical cluster analysis was performed to further analyse the group formation and the possibility of distinction between species of the same bacterial genus. It was observed that IR spectroscopy not only is suitable to the distinction of the different genera, but also to differentiate species of the same genus, with the simultaneous use of principal component analysis and cluster analysis techniques. The utilization of IR spectroscopy and multivariate statistical analysis were also investigated in Chapter 4, in order to confirm the presence of Listeria monocytogenes and Salmonella spp. isolated from contaminated foods, after growth in selective medium. This would allow to substitute the traditional biochemical and serological methods that are used to confirm these pathogens and that delay the obtainment of the results up to 2 days. The obtained results allowed the distinction of 3 different Listeria species and the distinction of Salmonella spp. from other bacteria that can be mistaken with them. Finally, in chapter 5, high pressure processing, an emerging methodology that permits to produce microbiologically safe foods and extend their shelf-life, was applied to 12 foodborne bacteria to determine their resistance and the effects of pressure in cells. A treatment of 300 MPa, during 15 minutes at room temperature was applied. Gram-negative bacteria were inactivated to undetectable levels and Gram-positive showed different resistances. Bacillus cereus and Staphylococcus aureus decreased only 2 logs and Listeria innocua decreased about 5 logs. IR spectroscopy was performed in bacterial colonies before and after HPP in order to investigate the alterations of the cellular compounds. It was found that high pressure alters bands assigned to some cellular components as proteins, lipids, oligopolysaccharides, phosphate groups from the cell wall and nucleic acids, suggesting disruption of the cell envelopes. In this work, bacterial quantification and classification, as well as assessment of cellular compounds modification with high pressure processing were successfully performed. Taking this into account, it was showed that IR spectroscopy is a very promising technique to analyse bacteria in a simple and inexpensive manner.