Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Hidrogeomorfologia e sustentabilidade de recursos hídricos subterrâneos

A água subterrânea de rochas duras é uma fonte importante para fins domésticos, industriais e agrícolas e mesmo para o consumo humano. A geologia, a tectónica, a geomorfologia e as características hidrológicas controlam o fluxo, ocorrência e armazenamento das águas subterrâneas. A disponibilidade da água subterrânea no meio geológico está totalmente dependente das áreas de recarga e de descarga numa determinada bacia. A precipitação é a principal fonte de recarga em aquíferos descontínuos, enquanto que a descarga depende dos declives do terreno e dos gradientes do nível hidrostático e ainda das condições hidrogeológicas do solo. A hidrogeomorfologia é um domínio interdisciplinar emergente, que estuda as relações entre as unidades geomorfológicas e o regime das águas superficiais e subterrâneas de uma determinada área. A compreensão do papel da geomorfologia é essencial para avaliar de forma rigorosa os sistemas hidrogeológicos e os recursos hídricos. Os dados de detecção remota providenciam uma informação espacial valiosa e actualizada da superfície terrestre e dos recursos naturais. Os recentes avanços tecnológicos colocaram as técnicas de detecção remota e os sistemas de informação geográfica (SIG) numa posição cimeira como ferramentas de gestão metodológica. Foi criada, em ambiente SIG, uma base de geo-dados, essencialmente derivada da detecção remota, da cartografia e do trabalho de campo. Esta base de dados, organizada em diferentes níveis de informação, inclui uma avaliação principalmente focalizada no uso do solo, climatologia, declives, geologia, geomorfologia e hidrogeologia. No presente estudo foram cruzados diversos níveis de informação, com a geração de múltiplos mapas temáticos para atingir um quadro integrado dos diversos sectores no Norte e Centro de Portugal. Os sectores em estudo (Caldas da Cavaca, Termas de Entre-os-Rios, Águas de Arouca e Águas do Alardo) estão localizados em sistemas hidrogeológicos predominantemente constituídos por rochas graníticas, por vezes intersectadas por filões de quartzo, aplito-pegmatíticos e doleríticos. Para apoiar a elaboração dos mapas hidrogeomorfológicos foi criada uma base SIG, contendo diversa informação, nomeadamente topografia, hidrografia, litologia, tectónica, morfoestrutura, hidrogeologia, geofísica e uso do solo. Além disso, foram realizadas várias campanhas de campo, as quais permitiram: o estabelecimento dum mapeamento geológico, geomorfológico e hidrogeológico; a caracterização in situ do grau de alteração, resistência e grau de fracturação dos maciços rochosos; o desenvolvimento de um inventário hidrogeológico em conjunto com alguns ensaios expeditos in situ. A interligação entre os parâmetros geomorfológicos, hidrológicos e hidrogeológicos dos sistemas de água subterrânea “normal” e hidromineral destaca a importância de uma cartografia e duma modelação conceptual hidrogeomorfológica. Além disso, contribuirá para um melhor apoio à decisão na gestão sustentável dos recursos hídricos.

English picturebook illustrations and language development in early years education

Este estudo investiga a influência da interação imagem-texto de três álbuns ilustrados de língua inglesa no desenvolvimento do repertório linguístico de crianças pré-leitoras. Numa metodologia de estudo de caso, adotando uma abordagem qualitativa e socio construtivista num contexto real de educação pré-escolar, três grupos de crianças portuguesas foram filmados ao longo de várias sessões de leitura repetida em voz alta e em inglês, e de sessões de recontos trabalhados em pequenos grupos. Após a transcrição das gravações, o corpus resultante foi analisado com base numa teoria fundamentada de compreensão literária e em escalas de leitura emergente. Os resultados mostraram que as crianças adotaram uma postura fortemente analítica face aos álbuns, direcionando as suas respostas para as ilustrações e usando-as como apoio na construção de significados. Os resultados mostraram também que cada interanimação visual e verbal ofereceu diversas oportunidades para o uso das línguas em presença, o português e o inglês, tendo o formato e a estrutura inerentes a cada álbum contribuído de forma muito relevante para as respostas das crianças. Contudo, os álbuns com uma dinâmica imagem-texto mais complexa proporcionaram um maior envolvimento das crianças, provocando mais discussão em torno das ilustrações e criando mais oportunidades para mediação do uso da segunda língua. Os resultados revelaram ainda a importância da interação durante as leituras repetidas, na compreensão e na análise narrativa, num processo de desenvolvimento da linguagem. Com base nestes resultados, apontam-se conclusões, com implicações para os contextos educativos, quer ao nível da língua materna, quer ao nível da segunda língua, nomeadamente em relação: à seleção de álbuns e à valorização das ilustrações e ainda à importância de leituras repetidas em voz alta e à discussão realizada pelas crianças.

Qualidade em saúde: que trajetos de formação dos enfermeiros?

ENQUADRAMENTO: A avaliação da qualidade dos serviços de saúde, a crescente melhoria do desempenho dos profissionais, e a monitorização sistemática das atividades desenvolvidas pelas instituições de saúde, potenciam a qualidade dos cuidados prestados. A intervenção dos enfermeiros e dos restantes profissionais de saúde é imprescindível na promoção desta qualidade conforme defendem os diversos modelos da sua gestão. Para a generalidade destes, considera-se que a supervisão clínica em enfermagem e a formação dos profissionais são ferramentas de eleição para a promoção da excelência clínica. OBJETIVO: Analisar as principais dimensões a considerar num processo de supervisão e formação para a avaliação e acreditação da qualidade duma instituição hospitalar, numa perspetiva ecológica. MÉTODO: Trata-se de um estudo de caso que abrange uma unidade de cuidados de um hospital. Para a colheita de dados recorreu-se a um conjunto de técnicas e instrumentos, entre as quais a observação participante, entrevistas semiestruturadas e um questionário, aplicados aos enfermeiros dessa unidade. A informação obtida foi submetida à análise qualitativa e quantitativa, com recurso aos programas NUD*IST QSR N6 e SPSS 17, respetivamente. RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os resultados obtidos permitiram caracterizar quatro dimensões: i) Processos de qualidade; ii) Práticas supervisivas; iii) Formação em contexto de trabalho; e iv) Relações interpessoais. A partir destas compreendeu-se que a acreditação deve ser um processo contínuo e documentado da análise das atividades de enfermagem, visando a realização de mudanças nos processos de gestão, na orientação das atividades de aperfeiçoamento dos recursos humanos, na pesquisa de respostas às dificuldades no ato de cuidar enfrentadas e identificadas, e nas atividades administrativas ligadas às modificações de processos assistenciais e de gestão. O cruzamento dos dados com os referenciais teóricos veio corroborar a importância da implementação de um processo de gestão de qualidade para os cuidados de enfermagem, num hospital, onde são decisivos os processos supervisivos e formativos, assim como se tornou emergente atender-se às relações interpessoais nas equipas.

Integrated approach to teaching English in primary and preschool

O presente trabalho de investigação apresenta um estudo que procurou observar comportamentos de literacia emergente numa língua estrangeira (Inglês) em contexto da educação pré-escolar. Procedeu-se à conceção e implementação de uma abordagem integrada ao ensino da língua inglesa, através numa abordagem metodológica inspirada no paradigma investigação-ação, percecionada como oportunidade de inovação pedagógica e de formação de professores. O estudo foi desenvolvido em simultâneo no 1ºCEB, tendo como principal objetivo comparar os comportamentos e atitudes dos alunos de outra faixa etária relativamente aos comportamentos de literacia em língua estrangeira. Os dados foram recolhidos através da observação, gravação de aulas, posteriormente transcritas, diários do investigador, questionários, portfolios dos alunos e entrevistas semi-estruturadas a especialistas na área da pedagogia de línguas estrangeiras, analisados através da aplicação de técnicas de análise de conteúdo como procedimento de análise do corpus. Os resultados demonstram a relevância de abordagens integradas de cariz lúdico na promoção de comportamentos de leitura e escrita emergente, estimulando assim motivação intrínseca nas crianças pela aprendizagem da língua e cultura-alvo. Por conseguinte, os comportamentos observados de literacia emergente em língua estrangeira permitem estabelecer uma analogia com as crianças bilingues, na medida em que ao aprenderem uma outra língua desenvolvem em sincronia a sua flexibilidade mental e estratégias de auto-regulação em diversas áreas de conhecimento. Os resultados permitem ainda concluir que estratégias promotoras de motivação intrínseca como o lúdico e o storytelling são vitais na sensibilização à diversidade linguística e cultural, por oposição aos resultados evidenciados pela estratégia nacional para o ensino de línguas estrangeiras no 1.ºCEB. As principais implicações deste estudo sugerem a possibilidade de generalização da língua estrangeira na educação pré-escolar, sendo esta etapa compreendida como um período privilegiado na prevenção de insucesso na leitura e escrita na aprendizagem de uma língua estrangeira. Deste modo, a educação pré-escolar pode ser considerada como um tempo fundador do futuro linguístico das crianças, numa perspetiva de educação linguística ao longo da vida.

Smart design of scaffolds obtained by biofabrication for tissue engineering applications

A engenharia de tecidos é um domínio tecnológico emergente em rápido desenvolvimento que se destina a produzir substitutos viáveis para a restauração, manutenção ou melhoria da função dos tecidos ou órgãos humanos. Uma das estratégias mais predominantes em engenharia de tecidos envolve crescimento celular sobre matrizes de suporte (scaffolds), biocompatíveis e biodegradáveis. Estas matrizes devem possuir não só elevadas propriedades mecânicas e vasculares, mas também uma elevada porosidade. Devido à incompatibilidade destes dois parâmetros, é necessário desenvolver estratégias de simulação de forma a obter estruturas optimizadas. A previsão real das propriedades mecânicas, vasculares e topológicas das matrizes de suporte, produzidas por técnicas de biofabricação, é muito importante para as diversas aplicações em engenharia de tecidos. A presente dissertação apresenta o estado da arte da engenharia de tecidos, bem como as técnicas de biofabricação envolvidas na produção de matrizes de suporte. Para o design optimizado de matrizes de suporte foi adoptada uma metodologia de design baseada tanto em métodos de elementos finitos para o cálculo do comportamento mecânico, vascular e as optimizações topológicas, como em métodos analíticos para a validação das simulações estruturais utilizando dados experimentais. Considerando que as matrizes de suporte são estruturas elementares do tipo LEGO, dois tipos de famílias foram consideradas, superfícies não periódicas e as superfícies triplas periódicas que descrevem superfícies naturais. Os objectivos principais desta dissertação são: i) avaliar as técnicas existentes de engenharia de tecidos; ii) avaliar as técnicas existentes de biofabricação para a produção de matrizes de suporte; iii) avaliar o desempenho e comportamento das matrizes de suporte; iv) implementar uma metodologia de design de matrizes de suporte em variáveis tais como a porosidade, geometria e comportamento mecânico e vascular por forma a auxiliar o processo de design; e por fim, v) validar experimentalmente a metodologia adoptada.

A educação para o desenvolvimento sustentável na formação de professores: a Web 2.0 e as interações numa comunidade de prática online

A Educação para o Desenvolvimento Sustentável (EDS) é o cerne de um paradigma emergente na educação do século XXI. A EDS constitui-se um processo de aprendizagem holístico e sistémico e tem como função ensinar a viver de maneira sustentável. Apresenta-se como uma abordagem pedagógica inovadora, que combina aprendizagens ativas e participativas, suportadas por uma multiplicidade de estratégias didático-pedagógicas. Objetiva a promoção da capacidade de pensamento crítico, da resolução de problemas e da tomada de decisão, baseada em valores, por parte dos alunos. Para a implementação da EDS é fundamental que os professores tenham consciência de que lidar com as questões da sustentabilidade, na sala de aula, implica dotarem-se de competências específicas. É, portanto, necessário investir na formação de educadores e formadores; o que compreende o seu desenvolvimento profissional, focado no aperfeiçoamento das suas competências, de modo a potenciar novos processos na aprendizagem coerentes com os princípios da EDS. Neste contexto, no presente estudo, foi criada uma Oficina de Formação para professores do ensino básico, na modalidade b-learning, visando a criação de um espaço de formação que permitisse a integração das TIC/Web 2.0 na prática docente, mais concretamente no apoio à inclusão da EDS no currículo. Partindo do pressuposto que as TIC/Web 2.0 são ferramentas que nos oferecem novas oportunidades, pela sua versatilidade de disseminação do conhecimento, e que permitem reorientar o ensino e a aprendizagem sustentados na teoria sócio-construtivista, promovendo o trabalho colaborativo, criou-se uma Comunidade de Prática online. Recorreu-se, para o efeito, a uma plataforma de alojamento de redes sociais virtuais, o Grouply; visando o estabelecimento de interações entre os professores, a partilha de experiências, recursos e conhecimento, indutores da (re)configuração de práticas ao nível da integração das ferramentas da Web 2.0 no contexto da EDS e, ainda, objetivando promover a atualização, o aperfeiçoamento e a aquisição de novas competências pedagógicas contribuindo para o seu desenvolvimento profissional e social. Metodologicamente o presente estudo assumiu uma natureza qualitativa, segundo um design de investigação-ação, o que implicou um plano de ação realizado numa espiral de três ciclos de investigação-ação: recurso a diferentes técnicas e instrumentos de recolha de dados, particularmente o inquérito por questionário e entrevista, realizados aos professores que frequentaram a oficina de formação; observação com base no diário da Investigadora com os registos de observação das sessões de grupo, reflexões da Investigadora/Formadora e das sessões de acompanhamento individual (Supervisão pedagógica), realizadas ao longo da referida oficina; análise documental dos e-portefolios com registos das reflexões individuais de cada uma das sessões da oficina, as reflexões finais dos professores e o registo dos post´s no fórum de discussão, blogs e Whiteboard da Comunidade de Prática online. Decorrente da análise e discussão dos resultados obtidos, o trabalho realizado sugere que os professores adquiriram/desenvolveram competências em EDS e digitais, tendo-se verificado que a oficina de formação contribui para algumas mudanças nas práticas dos professores.

Regional and urban air quality modelling under a climate change scenario

The better understanding of the interactions between climate change and air quality is an emerging priority for research and policy. Climate change will bring changes in the climate system, which will affect the concentration and dispersion of air pollutants. The main objective of the current study is to assess the impacts of climate change on air quality in 2050 over Portugal and Porto urban area. First, an evaluation and characterization of the air quality over mainland Portugal was performed for the period between 2002 and 2012. The results show that NO2, PM10 and O3 are the critical pollutants in Portugal. Also, the influence of meteorology on O3, NO2 and PM10 levels was investigate in the national main urban areas (Porto and Lisboa) and was verified that O3 has a statistically significant relationship with temperature in most of the components. The results also indicate that emission control strategies are primary regulators for NO2 and PM10 levels. After, understanding the national air quality problems and the influence that meteorology had in the historical air quality levels, the air quality modelling system WRF-CAMx was tested and the required inputs for the simulations were prepared to fulfil the main goal of this work. For the required air quality modelling inputs, an Emission Projections under RCP scenarios (EmiPro-RCP) model was developed to assist the estimation of future emission inventories for GHG and common air pollutants. Also, the current emissions were estimated for Portugal with a higher detailed disaggregation to improve the performance of the air quality simulations. The air quality modelling system WRF/CAMx was tested and evaluated over Portugal and Porto urban area and the results point out that is an adequate tool for the analysis of air quality under climate change. For this purpose, regional simulations of air quality during historical period and future (2045-2050) were conducted with CAMx version 6.0 to evaluate the impacts of simulated future climate and anthropogenic emission projections on air quality over the study area. The climate and the emission projections were produced under the RCP8.5 scenario. The results from the simulations point out, that if the anthropogenic emissions keep the same in 2050, the concentrations of NO2, PM10 and O3 will increase in Portugal. When, besides the climate change effects, is consider the projected anthropogenic emissions the annual mean concentrations of NO2 decrease significantly in Portugal and Porto urban area, and on the contrary the annual mean PM10 concentrations increases in Portugal and decrease in Porto urban area. The O3 results are mainly caused by the reduction of ozone precursors, getting the higher reductions in urban areas and increases in the surrounding areas. All the analysis performed for both simulations for Porto urban area support that, for PM10 and O3, there will be an increase in the occurrence of extreme values, surpassing the annual legislated parameters and having more daily exceedances. This study constitutes an innovative scientific tool to help in future air quality management in order to mitigate future climate change impacts on air quality.

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.