Chaos and crises in a model for cooperative hunting: A symbolic dynamics approach

In this work we investigate the population dynamics of cooperative hunting extending the McCann and Yodzis model for a three-species food chain system with a predator, a prey, and a resource species. The new model considers that a given fraction sigma of predators cooperates in prey's hunting, while the rest of the population 1-sigma hunts without cooperation. We use the theory of symbolic dynamics to study the topological entropy and the parameter space ordering of the kneading sequences associated with one-dimensional maps that reproduce significant aspects of the dynamics of the species under several degrees of cooperative hunting. Our model also allows us to investigate the so-called deterministic extinction via chaotic crisis and transient chaos in the framework of cooperative hunting. The symbolic sequences allow us to identify a critical boundary in the parameter spaces (K, C-0) and (K, sigma) which separates two scenarios: (i) all-species coexistence and (ii) predator's extinction via chaotic crisis. We show that the crisis value of the carrying capacity K-c decreases at increasing sigma, indicating that predator's populations with high degree of cooperative hunting are more sensitive to the chaotic crises. We also show that the control method of Dhamala and Lai [Phys. Rev. E 59, 1646 (1999)] can sustain the chaotic behavior after the crisis for systems with cooperative hunting. We finally analyze and quantify the inner structure of the target regions obtained with this control method for wider parameter values beyond the crisis, showing a power law dependence of the extinction transients on such critical parameters.

IOPT Petri Net State Space Generation Algorithm with Maximal-Step Execution Semantics

This paper presents an algorithm to efficiently generate the state-space of systems specified using the IOPT Petri-net modeling formalism. IOPT nets are a non-autonomous Petri-net class, based on Place-Transition nets with an extended set of features designed to allow the rapid prototyping and synthesis of system controllers through an existing hardware-software co-design framework. To obtain coherent and deterministic operation, IOPT nets use a maximal-step execution semantics where, in a single execution step, all enabled transitions will fire simultaneously. This fact increases the resulting state-space complexity and can cause an arc "explosion" effect. Real-world applications, with several million states, will reach a higher order of magnitude number of arcs, leading to the need for high performance state-space generator algorithms. The proposed algorithm applies a compilation approach to read a PNML file containing one IOPT model and automatically generate an optimized C program to calculate the corresponding state-space.

Symbolic Knowledge Extraction from Trained Neural Networks Governed by Lukasiewicz Logics

This work describes a methodology to extract symbolic rules from trained neural networks. In our approach, patterns on the network are codified using formulas on a Lukasiewicz logic. For this we take advantage of the fact that every connective in this multi-valued logic can be evaluated by a neuron in an artificial network having, by activation function the identity truncated to zero and one. This fact simplifies symbolic rule extraction and allows the easy injection of formulas into a network architecture. We trained this type of neural network using a back-propagation algorithm based on Levenderg-Marquardt algorithm, where in each learning iteration, we restricted the knowledge dissemination in the network structure. This makes the descriptive power of produced neural networks similar to the descriptive power of Lukasiewicz logic language, minimizing the information loss on the translation between connectionist and symbolic structures. To avoid redundance on the generated network, the method simplifies them in a pruning phase, using the "Optimal Brain Surgeon" algorithm. We tested this method on the task of finding the formula used on the generation of a given truth table. For real data tests, we selected the Mushrooms data set, available on the UCI Machine Learning Repository.

Symbolic dynamics and renormalization of non-autonomous k periodic dynamical systems

The purpose of this paper was to introduce the symbolic formalism based on kneading theory, which allows us to study the renormalization of non-autonomous periodic dynamical systems.

Distributed process execution in collaborative networks

Processes are a central entity in enterprise collaboration. Collaborative processes need to be executed and coordinated in a distributed Computational platform where computers are connected through heterogeneous networks and systems. Life cycle management of such collaborative processes requires a framework able to handle their diversity based on different computational and communication requirements. This paper proposes a rational for such framework, points out key requirements and proposes it strategy for a supporting technological infrastructure. Beyond the portability of collaborative process definitions among different technological bindings, a framework to handle different life cycle phases of those definitions is presented and discussed. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Autonomic Activities in the Execution of Scientific Workflows: Evaluation of the AWARD Framework

Workflows have been successfully applied to express the decomposition of complex scientific applications. However the existing tools still lack adequate support to important aspects namely, decoupling the enactment engine from tasks specification, decentralizing the control of workflow activities allowing their tasks to run in distributed infrastructures, and supporting dynamic workflow reconfigurations. We present the AWARD (Autonomic Workflow Activities Reconfigurable and Dynamic) model of computation, based on Process Networks, where the workflow activities (AWA) are autonomic processes with independent control that can run in parallel on distributed infrastructures. Each AWA executes a task developed as a Java class with a generic interface allowing end-users to code their applications without low-level details. The data-driven coordination of AWA interactions is based on a shared tuple space that also enables dynamic workflow reconfiguration. For evaluation we describe experimental results of AWARD workflow executions in several application scenarios, mapped to the Amazon (Elastic Computing EC2) Cloud.

Symbolic dynamics and big bang bifurcation in Weibull-Gompertz-Fréchet's growth models

In this paper, motivated by the interest and relevance of the study of tumor growth models, a central point of our investigation is the study of the chaotic dynamics and the bifurcation structure of Weibull-Gompertz-Fréchet's functions: a class of continuousdefined one-dimensional maps. Using symbolic dynamics techniques and iteration theory, we established that depending on the properties of this class of functions in a neighborhood of a bifurcation point PBB, in a two-dimensional parameter space, there exists an order regarding how the infinite number of periodic orbits are born: the Sharkovsky ordering. Consequently, the corresponding symbolic sequences follow the usual unimodal kneading sequences in the topological ordered tree. We verified that under some sufficient conditions, Weibull-Gompertz-Fréchet's functions have a particular bifurcation structure: a big bang bifurcation point PBB. This fractal bifurcations structure is of the so-called "box-within-a-box" type, associated to a boxe ω1, where an infinite number of bifurcation curves issues from. This analysis is done making use of fold and flip bifurcation curves and symbolic dynamics techniques. The present paper is an original contribution in the framework of the big bang bifurcation analysis for continuous maps.

Quantifying chaos for ecological stoichiometry

The theory of ecological stoichiometry considers ecological interactions among species with different chemical compositions. Both experimental and theoretical investigations have shown the importance of species composition in the outcome of the population dynamics. A recent study of a theoretical three-species food chain model considering stoichiometry [B. Deng and I. Loladze, Chaos 17, 033108 (2007)] shows that coexistence between two consumers predating on the same prey is possible via chaos. In this work we study the topological and dynamical measures of the chaotic attractors found in such a model under ecological relevant parameters. By using the theory of symbolic dynamics, we first compute the topological entropy associated with unimodal Poincareacute return maps obtained by Deng and Loladze from a dimension reduction. With this measure we numerically prove chaotic competitive coexistence, which is characterized by positive topological entropy and positive Lyapunov exponents, achieved when the first predator reduces its maximum growth rate, as happens at increasing delta(1). However, for higher values of delta(1) the dynamics become again stable due to an asymmetric bubble-like bifurcation scenario. We also show that a decrease in the efficiency of the predator sensitive to prey's quality (increasing parameter zeta) stabilizes the dynamics. Finally, we estimate the fractal dimension of the chaotic attractors for the stoichiometric ecological model.

Development of a penetration test for timber impregnation products for use in old buildings

This paper studies the application of commercial biocides to old maritime pine timber structures (Pinus pinaster Ait.) that have previously been impregnated with other products. A method was developed in the laboratory to be used in situ to determine the impregnation depth achieved by a new generation biocide product applied to timber from an old building. This timber had once been treated with an unknown product difficult to characterize without extensive analysis. The test was initially developed in laboratory conditions and later tested on elements of the roof structure of an 18th century building. In both cases the results were promising and mutually consistent with penetration depths for some treatments reaching 2.0 cm. The application in situ proved the tests viability and simplicity of execution giving a clear indication on the feasibility of possible re-treatments.

Variáveis psicológicas e percepção do estado de saúde em indivíduos submetidos a ressincronização cardíaca

A insuficiência cardíaca afecta cerca de 261 mil pessoas em Portugal constituindo um problema de saúde pública. Pretendemos avaliar aspectos associados à recuperação do estado de saúde nesta síndrome, em particular a esperança, o afecto e a felicidade. Recorremos a um estudo longitudinal com 128 indivíduos sintomáticos com má fracção de ejecção do ventrículo esquerdo. Utilizámos um questionário para caracterizar os aspectos sóciodemográficos, clínicos e funcionais, o Kansas City Cardiomiopathy Questionnaire (KCCQ) para avaliar a qualidade de vida, a Subjective Hapiness Scale (SHS) para a felicidade, a HOPE Scale (HOPE) para a esperança e a Positive And Negative Afect Schedule (PANAS) para o afecto. Os questionários de caracterização sócio-demográfica, clínica e funcional, KCCQ e o SHS foram aplicados em três momentos: no internamento, prévio à instituição de terapêutica médica na sua totalidade e ao terceiro e sexto mês após a intervenção médica, na consulta externa. A maioria dos participantes eram homens em classe III da classificação da New York Heart Association com etiologia isquémica. No internamento e antes da terapêutica médica, observámos que a esperança, a felicidade e o afecto se relacionaram com a qualidade de vida, a felicidade e o afecto positivo com a esperança. No período avaliado foram submetidos a: terapia de ressincronização cardíaca (n=52), cardioversor-desfibrilhador implantável (n=44), cirurgia valvular com revascularização do miocárdio (n=14), optimização terapêutica farmacológica (n=10), transplante cardíaco (n=8). Foram significativos os resultados da qualidade de vida, da classificação da New York Heart Association, do exercício físico, da fracção de ejecção do ventrículo esquerdo e das arritmias cardíacas (estrasístoles e taquicardias ventriculares). A felicidade foi preditora da qualidade de vida e da funcionalidade. O afecto negativo foi preditor da satisfação com a insuficiência cardíaca. Concluímos da importância das variáveis positivas a par dos procedimentos médicos no tratamento das pessoas com insuficiência cardíaca. ABSTRACT - Heart failure affects about 261 000 people in Portugal constituting a public health problem. We intend to evaluate aspects of the health recovery in this syndrome, in particular hope, affection and happiness. We used a longitudinal study with 128 symptomatic patients with poor ejection fraction of left ventricle. We used a questionnaire to characterize the socio-demographic, clinical and functional aspects, the Kansas City Cardiomiopathy Questionnaire (KCCQ) to assess the quality of life, the Subjective Happiness Scale (SHS) for happiness, the HOPE Scale (HOPE) for hope and the Positive And Negative Affect Schedule (PANAS) for affection. The questionnaires of sociodemographic, clinical and functional KCCQ and SHS were applied on three occasions: on admission, prior to the execution of medical therapy in its totality and in the third and sixth months after medical intervention in the outpatient. Most of the participants were men in Class III New York Heart Association classification with ischemic etiology. At admission and before medical therapy, we observed that the hope, happiness and affection were related to the quality of life, happiness and positive affect with hope. Over the studied period were submitted to: cardiac resynchronization therapy (n=52), implantable cardioverter-defibrillator (n=44), valvular surgery with coronary artery bypass graft surgery (n=14), optimizing drug therapy (n=10), heart transplant (n=8). The significant results were the quality of life, the New York Heart Association classification, the exercise, the ejection fraction and left ventricular cardiac arrhythmias (ventricular tachycardia and estrasistoles). Happiness was a predictor of quality of life and functionality. The negative affect was a predictor of satisfaction with heart failure. We concluded that the positive variables and the medical procedures were important in treating people with heart failure.

Gestão integrada de resíduos de construção e demolição: análise de estudo

A actividade de construção civil é responsável por grande parte dos resíduos produzidos, nomeadamente em obras de construção, demolições de edifícios ou derrocadas, operações de manutenção, restauro, remodelação e reabilitação de construções. A gestão dos resíduos deste sector, abreviadamente designada por resíduos de construção e demolição (RCD), passou a estar regulada, através de regime de operações de gestão de RCD. Este diploma, define entre outras, a responsabilidade dos vários intervenientes no processo de gestão de resíduos, fase de projecto, execução, transporte e recepção. Com a evolução das preocupações ambientais da população e maior envolvência das empresas na contribuição para uma gestão integrada de resíduos, existe um crescente desenvolvimento de estudos no âmbito de caracterização de quantidades e tipos de resíduos produzidos pelo sector. Neste contexto, e por ser importante uma economia integrada com a gestão de resíduos, os principais desafios passam pelo planeamento e preparação de Obra desde da fase de projecto à fase de execução, com vista à prevenção, redução, reutilização e valorização dos RCD. O presente trabalho pretende contribuir para este desenvolvimento do sector, mais concretamente na obtenção de indicadores de resíduos de construção (RC), resíduos de demolição (RD) e caracterização da tipologia destes. Para tanto, foi feita uma avaliação dos estudos desenvolvidos no âmbito de caracterização dos tipos de resíduos e indicadores de RC e RD, como método comparativo. Os indicadores deste estudo foram obtidos com base na análise de dados de casos de estudo, no caso concreto RC, de obras de estruturas, e RD de edifícios com execução de demolição selectiva. Na parte final deste estudo apresentam-se algumas conclusões e recomendações.

Dynamic equilibrium through reinforcement learning

Reinforcement Learning is an area of Machine Learning that deals with how an agent should take actions in an environment such as to maximize the notion of accumulated reward. This type of learning is inspired by the way humans learn and has led to the creation of various algorithms for reinforcement learning. These algorithms focus on the way in which an agent’s behaviour can be improved, assuming independence as to their surroundings. The current work studies the application of reinforcement learning methods to solve the inverted pendulum problem. The importance of the variability of the environment (factors that are external to the agent) on the execution of reinforcement learning agents is studied by using a model that seeks to obtain equilibrium (stability) through dynamism – a Cart-Pole system or inverted pendulum. We sought to improve the behaviour of the autonomous agents by changing the information passed to them, while maintaining the agent’s internal parameters constant (learning rate, discount factors, decay rate, etc.), instead of the classical approach of tuning the agent’s internal parameters. The influence of changes on the state set and the action set on an agent’s capability to solve the Cart-pole problem was studied. We have studied typical behaviour of reinforcement learning agents applied to the classic BOXES model and a new form of characterizing the environment was proposed using the notion of convergence towards a reference value. We demonstrate the gain in performance of this new method applied to a Q-Learning agent.

Sistema de apoio à decisão para a classificação de risco em projectos de tecnologias de informação

O trabalho que a seguir se apresenta tem como objectivo descrever a criação de um modelo que sirva de suporte a um sistema de apoio à decisão sobre o risco inerente à execução de projectos na área das Tecnologias de Informação (TI) recorrendo a técnicas de mineração de dados. Durante o ciclo de vida de um projecto, existem inúmeros factores que contribuem para o seu sucesso ou insucesso. A responsabilidade de monitorizar, antever e mitigar esses factores recai sobre o Gestor de Projecto. A gestão de projectos é uma tarefa difícil e dispendiosa, consome muitos recursos, depende de numerosas variáveis e, muitas vezes, até da própria experiência do Gestor de Projecto. Ao ser confrontado com as previsões de duração e de esforço para a execução de uma determinada tarefa, o Gestor de Projecto, exceptuando a sua percepção e intuição pessoal, não tem um modo objectivo de medir a plausibilidade dos valores que lhe são apresentados pelo eventual executor da tarefa. As referidas previsões são fundamentais para a organização, pois sobre elas são tomadas as decisões de planeamento global estratégico corporativo, de execução, de adiamento, de cancelamento, de adjudicação, de renegociação de âmbito, de adjudicação externa, entre outros. Esta propensão para o desvio, quando detectada numa fase inicial, pode ajudar a gerir melhor o risco associado à Gestão de Projectos. O sucesso de cada projecto terminado foi qualificado tendo em conta a ponderação de três factores: o desvio ao orçamentado, o desvio ao planeado e o desvio ao especificado. Analisando os projectos decorridos, e correlacionando alguns dos seus atributos com o seu grau de sucesso o modelo classifica, qualitativamente, um novo projecto quanto ao seu risco. Neste contexto o risco representa o grau de afastamento do projecto ao sucesso. Recorrendo a algoritmos de mineração de dados, tais como, árvores de classificação e redes neuronais, descreve-se o desenvolvimento de um modelo que suporta um sistema de apoio à decisão baseado na classificação de novos projectos. Os modelos são o resultado de um extensivo conjunto de testes de validação onde se procuram e refinam os indicadores que melhor caracterizam os atributos de um projecto e que mais influenciam o risco. Como suporte tecnológico para o desenvolvimento e teste foi utilizada a ferramenta Weka 3. Uma boa utilização do modelo proposto possibilitará a criação de planos de contingência mais detalhados e uma gestão mais próxima para projectos que apresentem uma maior propensão para o risco. Assim, o resultado final pretende constituir mais uma ferramenta à disposição do Gestor de Projecto.

Acompanhamento da construção do Hotel Europa Plaza, em Lisboa

O presente relatório de estágio apresenta-se como Trabalho Final de Mestrado, realizado no âmbito do Mestrado em Engenharia Civil, do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa e tem como objectivo apresentar as actividades desenvolvidas durante o mesmo. O estágio de 4 meses de duração, iniciado em Março de 2011, foi realizado na empresa FICOPE - Fiscalização, Coordenação e Projectos de Engenharia, Lda., onde o estagiário integrou a equipa de fiscalização para a edificação do Hotel Europa Plaza. A obra situa-se na Av. da República nº93, em Lisboa e o Hotel é constituído por 8 pisos elevados e 4 enterrados. Aquando do início do estágio a sua construção encontrava-se na fase final de estrutura, tendo o estagiário acompanhado também parte da fase inicial de acabamentos e instalações. Durante o estágio, o aluno participou nas diversas actividades de fiscalização, tais como, acompanhamento e controlo de execução, aprovação e verificação de materiais, controlo de custos e planeamento, consultas e contactos entre todos os intervenientes da obra, com o objectivo de resolução de incompatibilidades de projecto e alterações. O estágio permitiu a consolidação dos conhecimentos adquiridos ao longo do percurso académico, através do contacto directo com a obra e seus diversos processos construtivos empregues, assim como, a percepção do funcionamento das diversas entidades envolvidas na execução da obra.

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.