Topological Complexity and Predictability in the Dynamics of a Tumor Growth Model with Shilnikov's Chaos

Dynamical systems modeling tumor growth have been investigated to determine the dynamics between tumor and healthy cells. Recent theoretical investigations indicate that these interactions may lead to different dynamical outcomes, in particular to homoclinic chaos. In the present study, we analyze both topological and dynamical properties of a recently characterized chaotic attractor governing the dynamics of tumor cells interacting with healthy tissue cells and effector cells of the immune system. By using the theory of symbolic dynamics, we first characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences from one-dimensional iterated maps identified in the dynamics, focusing on the effects of inactivation interactions between both effector and tumor cells. The previous analyses are complemented with the computation of the spectrum of Lyapunov exponents, the fractal dimension and the predictability of the chaotic attractors. Our results show that the inactivation rate of effector cells by the tumor cells has an important effect on the dynamics of the system. The increase of effector cells inactivation involves an inverse Feigenbaum (i.e. period-halving bifurcation) scenario, which results in the stabilization of the dynamics and in an increase of dynamics predictability. Our analyses also reveal that, at low inactivation rates of effector cells, tumor cells undergo strong, chaotic fluctuations, with the dynamics being highly unpredictable. Our findings are discussed in the context of tumor cells potential viability.

Projecto de fundações e estrutura de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo

Este trabalho tem como objectivo a elaboração do projecto de estruturas de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo, caracterizando as suas diferentes fases de execução, desde a etapa inicial de concepção até à fase final de dimensionamento. Trata-se de um projecto complexo de uma estrutura com elementos estruturais em betão armado e pré-esforçado, e com muros de contenção. Na concepção do edifício foram utilizados os critérios gerais de dimensionamento presentes na regulamentação Europeia (Eurocódigos), uma vez que estes elementos representam o futuro da regulamentação de estruturas em termos Europeus, vindo substituir a nível nacional o “Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Betão Armado (RSA)” e o “Regulamento para Estruturas de Betão Armado e Pré- Esforçado (REBAP)”. A adopção das normas europeias representam assim um elevado desafio devido ao aumento da complexidade na concepção e dimensionamento de estruturas que estes regulamentos traduzem, principalmente o Eurocódigo 8, que define de um modo mais detalhado e complexo a análise sísmica, relativamente à regulamentação actual em vigor. Devido à elevada complexidade que os projectos de estruturas apresentam, utilizam-se actualmente ferramentas de cálculo automático. No dimensionamento deste edifício foi utilizado um programa tridimensional de elementos finitos para a modelação da estrutura. Pretende-se com a escolha deste projecto e dos métodos de dimensionamento presentes nos Eurocódigos, o desenvolvimento de um trabalho detalhado e correcto, permitindo assim adquirir conhecimentos importantes relativamente às futuras normas, e pôr em prática as competências e os conhecimentos obtidos ao longo curso.

TRFS: desenvolvimento de um protótipo para simulação microscópica de tráfego

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Vias de Comunicação e Transportes

A Service Integration Platform for Collaborative Networks

Integrated manufacturing constitutes a complex system made of heterogeneous information and control subsystems. Those subsystems are not designed to the cooperation. Typically each subsystem automates specific processes, and establishes closed application domains, therefore it is very difficult to integrate it with other subsystems in order to respond to the needed process dynamics. Furthermore, to cope with ever growing marketcompetition and demands, it is necessary for manufacturing/enterprise systems to increase their responsiveness based on up-to-date knowledge and in-time data gathered from the diverse information and control systems. These have created new challenges for manufacturing sector, and even bigger challenges for collaborative manufacturing. The growing complexity of the information and communication technologies when coping with innovative business services based on collaborative contributions from multiple stakeholders, requires novel and multidisciplinary approaches. Service orientation is a strategic approach to deal with such complexity, and various stakeholders' information systems. Services or more precisely the autonomous computational agents implementing the services, provide an architectural pattern able to cope with the needs of integrated and distributed collaborative solutions. This paper proposes a service-oriented framework, aiming to support a virtual organizations breeding environment that is the basis for establishing short or long term goal-oriented virtual organizations. The notion of integrated business services, where customers receive some value developed through the contribution from a network of companies is a key element.

Sistemas de automação e manutenção de edifícios: concepção dos sistemas de detecção e protecção contra incêndios de uma unidade industrial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Approximate entropy normalized measures for analyzing social neurobiological systems

When considering time series data of variables describing agent interactions in social neurobiological systems, measures of regularity can provide a global understanding of such system behaviors. Approximate entropy (ApEn) was introduced as a nonlinear measure to assess the complexity of a system behavior by quantifying the regularity of the generated time series. However, ApEn is not reliable when assessing and comparing the regularity of data series with short or inconsistent lengths, which often occur in studies of social neurobiological systems, particularly in dyadic human movement systems. Here, the authors present two normalized, nonmodified measures of regularity derived from the original ApEn, which are less dependent on time series length. The validity of the suggested measures was tested in well-established series (random and sine) prior to their empirical application, describing the dyadic behavior of athletes in team games. The authors consider one of the ApEn normalized measures to generate the 95th percentile envelopes that can be used to test whether a particular social neurobiological system is highly complex (i.e., generates highly unpredictable time series). Results demonstrated that suggested measures may be considered as valid instruments for measuring and comparing complexity in systems that produce time series with inconsistent lengths.

Complementary filter design with three frequency bands: robot attitude estimation

This paper extents the by now classic sensor fusion complementary filter (CF) design, involving two sensors, to the case where three sensors that provide measurements in different bands are available. This paper shows that the use of classical CF techniques to tackle a generic three sensors fusion problem, based solely on their frequency domain characteristics, leads to a minimal realization, stable, sub-optimal solution, denoted as Complementary Filters3 (CF3). Then, a new approach for the estimation problem at hand is used, based on optimal linear Kalman filtering techniques. Moreover, the solution is shown to preserve the complementary property, i.e. the sum of the three transfer functions of the respective sensors add up to one, both in continuous and discrete time domains. This new class of filters are denoted as Complementary Kalman Filters3 (CKF3). The attitude estimation of a mobile robot is addressed, based on data from a rate gyroscope, a digital compass, and odometry. The experimental results obtained are reported.

Automatic assignment of absolute configuration from 1D NMR data

Opposite enantiomers exhibit different NMR properties in the presence of an external common chiral element, and a chiral molecule exhibits different NMR properties in the presence of external enantiomeric chiral elements. Automatic prediction of such differences, and comparison with experimental values, leads to the assignment of the absolute configuration. Here two cases are reported, one using a dataset of 80 chiral secondary alcohols esterified with (R)-MTPA and the corresponding 1H NMR chemical shifts and the other with 94 13C NMR chemical shifts of chiral secondary alcohols in two enantiomeric chiral solvents. For the first application, counterpropagation neural networks were trained to predict the sign of the difference between chemical shifts of opposite stereoisomers. The neural networks were trained to process the chirality code of the alcohol as the input, and to give the NMR property as the output. In the second application, similar neural networks were employed, but the property to predict was the difference of chemical shifts in the two enantiomeric solvents. For independent test sets of 20 objects, 100% correct predictions were obtained in both applications concerning the sign of the chemical shifts differences. Additionally, with the second dataset, the difference of chemical shifts in the two enantiomeric solvents was quantitatively predicted, yielding r2 0.936 for the test set between the predicted and experimental values.

Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas

A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas. Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo, parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das intempéries quer de actos de vandalismo. Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas, com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila. O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil. O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores. Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada. O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para produção e de menor custo.

Controlo tolerante a falhas de um canal de rega

A presente dissertação pretende conceber e implementar um sistema de controlo tolerante a falhas, no canal experimental de rega da Universidade de Évora, utilizando um modelo implementado em MATLAB/SIMULINK®. Como forma de responder a este desafio, analisaram-se várias técnicas de diagnóstico de falhas, tendo-se optado por técnicas baseadas em redes neuronais para o desenvolvimento de um sistema de detecção e isolamento de falhas no canal de rega, sem ter em conta o tipo de sistema de controlo utilizado. As redes neuronais foram, assim, os processadores não lineares utilizados e mais aconselhados em situações onde exista uma abundância de dados do processo, porque aprendem por exemplos e são suportadas por teorias estatísticas e de optimização, focando não somente o processamento de sinais, como também expandindo os horizontes desse processamento. A ênfase dos modelos das redes neuronais está na sua dinâmica, na sua estabilidade e no seu comportamento. Portanto, o trabalho de investigação do qual resultou esta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de modelos de redes neuronais que representassem da melhor forma a dinâmica do canal de rega, de modo a obter um sistema de detecção de falhas que faça uma comparação entre os valores obtidos nos modelos e no processo. Com esta diferença de valores, da qual resultará um resíduo, é possível desenvolver tanto o sistema de detecção como de isolamento de falhas baseados nas redes neuronais, possibilitando assim o desenvolvimento dum sistema de controlo tolerante a falhas, que engloba os módulos de detecção, de isolamento/diagnóstico e de reconfiguração do canal de rega. Em síntese, na Dissertação realizada desenvolveu-se um sistema que permite reconfigurar o processo em caso de ocorrência de falhas, melhorando significativamente o desempenho do canal de rega.

Planeamento e optimização em redes celulares móveis auto-geridas assentes em LTE

O objectivo deste trabalho consiste em avaliar os benefícios das Self Organizing Networks (SON), no que concerne ao planeamento e optimização de redes Long Term Evolution (LTE), não só através do seu estudo, como também através do desenvolvimento e teste de algoritmos, que permitem avaliar o funcionamento de algumas das suas principais funções. O estudo efectuado sobre as SON permitiu identificar um conjunto de funções, tais como a atribuição automática de Physical Cell Id (PCI), o Automatic Neighbour Relation (ANR) e a optimização automática de parâmetros de handover, que permitem facilitar ou mesmo substituir algumas das tarefas mais comuns em planeamento e optimização de redes móveis celulares, em particular, redes LTE. Recorrendo a um simulador LTE destinado à investigação académica, em código aberto e desenvolvido em Matlab®, foi desenvolvido um conjunto de algoritmos que permitiram a implementação das funções em questão. Para além das funções implementadas, foram também introduzidas alterações que conferem a este simulador a capacidade de representar e simular redes reais, permitindo uma análise mais coerente dos algoritmos desenvolvidos. Os resultados obtidos, para além de evidenciarem claramente o benefício dos algoritmos desenvolvidos, foram ainda comparados com os obtidos pela ferramenta profissional de planeamento e optimização Atoll®, tendo-se verificado a franca proximidade de desempenho em algumas das funções. Finalmente, foi desenvolvida uma interface gráfica que permite o desenho, configuração e simulação de cenários, bem como a análise de resultados.

An Extension of Gompertzian Growth Dynamics Weibull and Frechet Models

In this work a new probabilistic and dynamical approach to an extension of the Gompertz law is proposed. A generalized family of probability density functions, designated by Beta* (p, q), which is proportional to the right hand side of the Tsoularis-Wallace model, is studied. In particular, for p = 2, the investigation is extended to the extreme value models of Weibull and Frechet type. These models, described by differential equations, are proportional to the hyper-Gompertz growth model. It is proved that the Beta* (2, q) densities are a power of betas mixture, and that its dynamics are determined by a non-linear coupling of probabilities. The dynamical analysis is performed using techniques of symbolic dynamics and the system complexity is measured using topological entropy. Generally, the natural history of a malignant tumour is reflected through bifurcation diagrams, in which are identified regions of regression, stability, bifurcation, chaos and terminus.

Design and performance of a novel low-density parity-check code for distributed video coding

Low-density parity-check (LDPC) codes are nowadays one of the hottest topics in coding theory, notably due to their advantages in terms of bit error rate performance and low complexity. In order to exploit the potential of the Wyner-Ziv coding paradigm, practical distributed video coding (DVC) schemes should use powerful error correcting codes with near-capacity performance. In this paper, new ways to design LDPC codes for the DVC paradigm are proposed and studied. The new LDPC solutions rely on merging parity-check nodes, which corresponds to reduce the number of rows in the parity-check matrix. This allows to change gracefully the compression ratio of the source (DCT coefficient bitplane) according to the correlation between the original and the side information. The proposed LDPC codes reach a good performance for a wide range of source correlations and achieve a better RD performance when compared to the popular turbo codes.

Tipologia, instalação, funcionamento e manutenção dos diversos tipos de aparelhos de apoio em obras de arte

Trabalho Final para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Tuneable micro- and nano-periodic structures in urethane/urea networks

Micro- and nano-patterned materials are of great importance for the design of new nanoscale electronic, optical and mechanical devices, ranging from sensors to displays. A prospective system that can support a designed functionality is elastomeric polyurethane thin films with nano- or micromodulated surface structures ("wrinkles"). These wrinkles can be induced on different lengthscales by mechanically stretching the films, without the need for any sophisticated lithographic techniques. In the present article we focus on the experimental control of the wrinkling process. A simple model for wrinkle formation is also discussed, and some preliminary results reported. Hierarchical assembly of these tunable structures paves the way for the development of a new class of materials with a wide range of applications, from electronics to biomedicine.