Assessment of data-driven modeling strategies for water delivery canals

The aim of this paper is to develop models for experimental open-channel water delivery systems and assess the use of three data-driven modeling tools toward that end. Water delivery canals are nonlinear dynamical systems and thus should be modeled to meet given operational requirements while capturing all relevant dynamics, including transport delays. Typically, the derivation of first principle models for open-channel systems is based on the use of Saint-Venant equations for shallow water, which is a time-consuming task and demands for specific expertise. The present paper proposes and assesses the use of three data-driven modeling tools: artificial neural networks, composite local linear models and fuzzy systems. The canal from Hydraulics and Canal Control Nucleus (A parts per thousand vora University, Portugal) will be used as a benchmark: The models are identified using data collected from the experimental facility, and then their performances are assessed based on suitable validation criterion. The performance of all models is compared among each other and against the experimental data to show the effectiveness of such tools to capture all significant dynamics within the canal system and, therefore, provide accurate nonlinear models that can be used for simulation or control. The models are available upon request to the authors.

BAM framework for OMS using open source technologies

No início da década de 90, as empresas começaram a sentir a necessidade de melhorar o acesso à informação das suas actividades para auxiliar na tomada de decisões. Desta forma, no mundo da informática, emergiu o sector Business Intelligence (BI) composto inicialmente por data warehousing e ferramentas de geração de relatórios. Ao longo dos anos o conceito de BI evoluiu de acordo com as necessidades empresariais, tornando a análise das actividades e do desempenho das organizações em aspectos críticos na gestão das mesmas. A área de BI abrange diversos sectores, sendo o de geração de relatórios e o de análise de dados aqueles que melhor preenchem os requisitos pretendidos no controlo de acesso à informação do negócio e respectivos processos. Actualmente o tempo e a informação são vantagens competitivas e por esse mesmo motivo as empresas estão cada vez mais preocupadas com o facto de o aumento do volume de informação estar a tornar-se insustentável na medida que o tempo necessário para processar a informação é cada vez maior. Por esta razão muitas empresas de software, tais como Microsoft, IBM e Oracle estão numa luta por um lugar neste mercado de BI em expansão. Para que as empresas possam ser competitivas, a sua capacidade de previsão e resposta às necessidades de mercado em tempo real é requisito principal, em detrimento da existência apenas de uma reacção a uma necessidade que peca por tardia. Os produtos de BI têm fama de trabalharem apenas com dados históricos armazenados, o que faz com que as empresas não se possam basear nessas soluções quando o requisito de alguns negócios é de tempo quase real. A latência introduzida por um data warehouse é demasiada para que o desempenho seja aceitável. Desta forma, surge a tecnologia Business Activity Monitoring (BAM) que fornece análise de dados e alertas em tempo quase real sobre os processos do negócio, utilizando fontes de dados como Web Services, filas de mensagens, etc. O conceito de BAM surgiu em Julho de 2001 pela organização Gartner, sendo uma extensão orientada a eventos da área de BI. O BAM define-se pelo acesso em tempo real aos indicadores de desempenho de negócios com o intuito de aumentar a velocidade e eficácia dos processos de negócio. As soluções BAM estão a tornar-se cada vez mais comuns e sofisticadas.

Design of improved rail-to-rail low-distortion and low-stress switches in advanced CMOS technologies

This paper describes the efficient design of an improved and dedicated switched-capacitor (SC) circuit capable of linearizing CMOS switches to allow SC circuits to reach low distortion levels. The described circuit (SC linearization control circuit, SLC) has the advantage over conventional clock-bootstrapping circuits of exhibiting low-stress, since large gate voltages are avoided. This paper presents exhaustive corner simulation results of a SC sample-and-hold (S/H) circuit which employs the proposed and optimized circuits, together with the experimental evaluation of a complete 10-bit ADC utilizing the referred S/H circuit. These results show that the SLC circuits can reduce distortion and increase dynamic linearity above 12 bits for wide input signal bandwidths.

Sistemas distribuídos: serviços Grid Computing

A necessidade de poder computacional é crescente nas diversas áreas de actuação humana, tanto na indústria, como em ambientes académicos. Grid Computing permite a ligação de recursos computacionais dispersos de maneira a permitir a sua utilização mais eficaz, fornecendo aos utilizadores um acesso simplificado ao poder computacional de diversos sistemas. Os primeiros projectos de Grid Computing implicavam a ligação de máquinas paralelas ou aglomerados de alto desempenho e alto custo, disponíveis apenas em algumas instituições. Contrastando com o elevado custo dos super-computadores, os computadores pessoais e a Internet sofreram uma evolução significativa nos últimos anos. O uso de computadores dispersos em uma WAN pode representar um ambiente muito interessante para processamento de alto desempenho. Os sistemas em Grid fornecem a possibilidade de se utilizar um conjunto de computadores pessoais de modo a fornecer uma computação que utiliza recursos que de outra maneira estariam omissos. Este trabalho consiste no estudo de Grid Computing a nível de conceito e de arquitectura e numa análise ao seu estado actual hoje em dia. Como complemento foi desenvolvido um componente que permite o desenvolvimento de serviços para Grids (Grid Services) mais eficaz do que o modelo de suporte a serviços actualmente utilizado. Este componente é disponibilizado sob a forma um plug-in para a plataforma Eclipse IDE.

Application of neural networks for pavement evaluation

As vias de comunicação são indispensáveis para o desenvolvimento de uma nação, económica e socialmente. Num mundo globalizado, onde tudo deve chegar ao seu destino no menor espaço de tempo, as vias de comunicação assumem um papel vital. Assim, torna-se essencial construir e manter uma rede de transportes eficiente. Apesar de não ser o método mais eficiente, o transporte rodoviário é muitas vezes o mais económico e possibilita o transporte porta-a-porta, sendo em muitos casos o único meio de transporte possível. Por estas razões, o modo rodoviário tem uma quota significativa no mercado dos transportes, seja de passageiros ou mercadorias, tornando-o extremamente importante na rede de transportes de um país. Os países europeus fizeram um grande investimento na criação de extensas redes de estradas, cobrindo quase todo o seu território. Neste momento, começa-se a atingir o ponto onde a principal preocu+ação das entidades gestoras de estradas deixa de ser a construção de novas vias, passando a focar-se na necessidade de manutenção e conservação das vias existentes. Os pavimentos rodoviários, como todas as outras construções, requerem manutenção de forma a garantir bons níveis de serviço com qualidade, conforto e segurança. Devido aos custos inerentes às operações de manutenção de pavimentos, estas devem rigorosamente e com base em critérios científicos bem definidos. Assim, pretende-se evitar intervenções desnecessárias, mas também impedir que os danos se tornem irreparáveis e economicamente prejudiciais, com repercussões na segurança dos utilizadores. Para se estimar a vida útil de um pavimento é essencial realizar primeiro a caracterização estrutural do mesmo. Para isso, torna-se necessário conhecer o tipo de estrutura de um pavimento, nomeadamente a espessura e o módulo de elasticidade constituintes. A utilização de métodos de ensaio não destrutivos é cada vez mais reconhecida como uma forma eficaz para obter informações sobre o comportamento estrutural de pavimentos. Para efectuar estes ensaios, existem vários equipamentos. No entanto, dois deles, o Deflectómetro de Impacto e o Radar de Prospecção, têm demonstrado ser particularmente eficientes para avaliação da capacidade de carga de um pavimento, sendo estes equipamentos utilizados no âmbito deste estudo. Assim, para realização de ensaios de carga em pavimentos, o equipamento Deflectómetro de Impacto tem sido utilizado com sucesso para medir as deflexões à superfície de um pavimento em pontos pré-determinados quando sujeito a uma carga normalizada de forma a simular o efeito da passagem da roda de um camião. Complementarmente, para a obtenção de informações contínuas sobre a estrutura de um pavimento, o equipamento Radar de Prospecção permite conhecer o número de camadas e as suas espessuras através da utilização de ondas electromagnéticas. Os dados proporcionam, quando usados em conjunto com a realização de sondagens à rotação e poços em alguns locais, permitem uma caracterização mais precisa da condição estrutural de um pavimento e o estabelecimento de modelos de resposta, no caso de pavimentos existentes. Por outro lado, o processamento dos dados obtidos durante os ensaios “in situ” revela-se uma tarefa morosa e complexa. Actualmente, utilizando as espessuras das camadas do pavimento, os módulos de elasticidade das camadas são calculados através da “retro-análise” da bacia de deflexões medida nos ensaios de carga. Este método é iterativo, sendo que um engenheiro experiente testa várias estruturas diferentes de pavimento, até se obter uma estrutura cuja resposta seja o mais próximo possível da obtida durante os ensaios “in Situ”. Esta tarefa revela-se muito dependente da experiência do engenheiro, uma vez que as estruturas de pavimento a serem testadas maioritariamente do seu raciocínio. Outra desvantagem deste método é o facto de apresentar soluções múltiplas, dado que diferentes estruturas podem apresentar modelos de resposta iguais. A solução aceite é, muitas vezes, a que se julga mais provável, baseando-se novamente no raciocínio e experiência do engenheiro. A solução para o problema da enorme quantidade de dados a processar e das múltiplas soluções possíveis poderá ser a utilização de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para auxiliar esta tarefa. As redes neuronais são elementos computacionais virtuais, cujo funcionamento é inspirado na forma como os sistemas nervosos biológicos, como o cérebro, processam a informação. Estes elementos são compostos por uma série de camadas, que por sua vez são compostas por neurónios. Durante a transmissão da informação entre neurónios, esta é modificada pela aplicação de um coeficiente, denominado “peso”. As redes neuronais apresentam uma habilidade muito útil, uma vez que são capazes de mapear uma função sem conhecer a sua fórmula matemática. Esta habilidade é utilizada em vários campos científicos como o reconhecimento de padrões, classificação ou compactação de dados. De forma a possibilitar o uso desta característica, a rede deverá ser devidamente “treinada” antes, processo realizado através da introdução de dois conjuntos de dados: os valores de entrada e os valores de saída pretendidos. Através de um processo cíclico de propagação da informação através das ligações entre neurónios, as redes ajustam-se gradualmente, apresentando melhores resultados. Apesar de existirem vários tipos de redes, as que aparentam ser as mais aptas para esta tarefa são as redes de retro-propagação. Estas possuem uma característica importante, nomeadamente o treino denominado “treino supervisionado”. Devido a este método de treino, as redes funcionam dentro da gama de variação dos dados fornecidos para o “treino” e, consequentemente, os resultados calculados também se encontram dentro da mesma gama, impedindo o aparecimento de soluções matemáticas com impossibilidade prática. De forma a tornar esta tarefa ainda mais simples, foi desenvolvido um programa de computador, NNPav, utilizando as RNA como parte integrante do seu processo de cálculo. O objectivo é tornar o processo de “retro-análise” totalmente automático e prevenir erros induzidos pela falta de experiência do utilizador. De forma a expandir ainda mais as funcionalidades do programa, foi implementado um processo de cálculo que realiza uma estimativa da capacidade de carga e da vida útil restante do pavimento, recorrendo a dois critérios de ruína. Estes critérios são normalmente utilizados no dimensionamento de pavimentos, de forma a prevenir o fendilhamento por fadiga e as deformações permanentes. Desta forma, o programa criado permite a estimativa da vida útil restante de um pavimento de forma eficiente, directamente a partir das deflexões e espessuras das camadas, medidas nos ensaios “in situ”. Todos os passos da caracterização estrutural do pavimento são efectuados pelo NNPav, seja recorrendo à utilização de redes neuronais ou a processos de cálculo matemático, incluindo a correcção do módulo de elasticidade da camada de misturas betuminosas para a temperatura de projecto e considerando as características de tráfego e taxas de crescimento do mesmo. Os testes efectuados às redes neuronais revelaram que foram alcançados resultados satisfatórios. Os níveis de erros na utilização de redes neuronais são semelhantes aos obtidos usando modelos de camadas linear-elásticas, excepto para o cálculo da vida útil com base num dos critérios, onde os erros obtidos foram mais altos. No entanto, este processo revela-se bastante mais rápido e possibilita o processamento dos dados por pessoal com menos experiência. Ao mesmo tempo, foi assegurado que nos ficheiros de resultados é possível analisar todos os dados calculados pelo programa, em várias fases de processamento de forma a permitir a análise detalhada dos mesmos. A possibilidade de estimar a capacidade de carga e a vida útil restante de um pavimento, contempladas no programa desenvolvido, representam também ferramentas importantes. Basicamente, o NNPav permite uma análise estrutural completa de um pavimento, estimando a sua vida útil com base nos ensaios de campo realizados pelo Deflectómetro de Impacto e pelo Radar de Prospecção, num único passo. Complementarmente, foi ainda desenvolvido e implementado no NNPav um módulo destinado ao dimensionamento de pavimentos novos. Este módulo permite que, dado um conjunto de estruturas de pavimento possíveis, seja estimada a capacidade de carga e a vida útil daquele pavimento. Este facto permite a análise de uma grande quantidade de estruturas de pavimento, e a fácil comparação dos resultados no ficheiro exportado. Apesar dos resultados obtidos neste trabalho serem bastante satisfatórios, os desenvolvimentos futuros na aplicação de Redes Neuronais na avaliação de pavimentos são ainda mais promissores. Uma vez que este trabalho foi limitado a uma moldura temporal inerente a um trabalho académico, a possibilidade de melhorar ainda mais a resposta das RNA fica em aberto. Apesar dos vários testes realizados às redes, de forma a obter as arquitecturas que apresentassem melhores resultados, as arquitecturas possíveis são virtualmente ilimitadas e pode ser uma área a aprofundar. As funcionalidades implementadas no programa foram as possíveis, dentro da moldura temporal referida, mas existem muitas funcionalidades a serem adicinadas ou expandidas, aumentando a funcionalidade do programa e a sua produtividade. Uma vez que esta é uma ferramenta que pode ser aplicada ao nível de gestão de redes rodoviárias, seria necessário estudar e desenvolver redes similares de forma a avaliar outros tipos de estruturas de pavimentos. Como conclusão final, apesar dos vários aspectos que podem, e devem ser melhorados, o programa desenvolvido provou ser uma ferramenta bastante útil e eficiente na avaliação estrutural de pavimentos com base em métodos de ensaio não destrutivos.

An artificial neural network approach for short-term wind power forecasting in Portugal

This paper presents an artificial neural network approach for short-term wind power forecasting in Portugal. The increased integration of wind power into the electric grid, as nowadays occurs in Portugal, poses new challenges due to its intermittency and volatility. Hence, good forecasting tools play a key role in tackling these challenges. The accuracy of the wind power forecasting attained with the proposed approach is evaluated against persistence and ARIMA approaches, reporting the numerical results from a real-world case study.

Technical considerations concerning digital technologies

This chapter addresses technical issues concerning digital technologies. Radiological equipment and technique are briefly introduced together with a discussion about requirements and advantages of digital technologies. Digital technologies offer several advantages when compared to conventional analogical systems, or screen–film (SF) systems. While in clinical practice the practitioners should be aware of technical factors such as image acquisition, management of patient dose, and diagnostic image quality. Thus, digital technologies require an up-to-date scientific knowledge concerning their use in projection radiography. In this chapter, technical considerations concerning digital technologies are provided.

Digital radiology and Picture Archiving and Communication System (PACS)

Plain radiography still accounts for the vast majority of imaging studies that are performed at multiple clinical instances. Digital detectors are now prominent in many imaging facilities and they are the main driving force towards filmless environments. There has been a working paradigm shift due to the functional separation of acquisition, visualization, and storage with deep impact in the imaging workflows. Moreover with direct digital detectors images are made available almost immediately. Digital radiology is now completely integrated in Picture Archiving and Communication System (PACS) environments governed by the Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) standard. In this chapter a brief overview of PACS architectures and components is presented together with a necessarily brief account of the DICOM standard. Special focus is given to the DICOM digital radiology objects and how specific attributes may now be used to improve and increase the metadata repository associated with image data. Regular scrutiny of the metadata repository may serve as a valuable tool for improved, cost-effective, and multidimensional quality control procedures.

A Flexible Architecture for the Computation of Direct and Inverse Transforms in H.264/AVC Video Codecs

A new high throughput and scalable architecture for unified transform coding in H.264/AVC is proposed in this paper. Such flexible structure is capable of computing all the 4x4 and 2x2 transforms for Ultra High Definition Video (UHDV) applications (4320x7680@ 30fps) in real-time and with low hardware cost. These significantly high performance levels were proven with the implementation of several different configurations of the proposed structure using both FPGA and ASIC 90 nm technologies. In addition, such experimental evaluation also demonstrated the high area efficiency of theproposed architecture, which in terms of Data Throughput per Unit of Area (DTUA) is at least 1.5 times more efficient than its more prominent related designs(1).

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.

Short-term wind power forecasting in Portugal by neural networks and wavelet transform

This paper proposes artificial neural networks in combination with wavelet transform for short-term wind power forecasting in Portugal. The increased integration of wind power into the electric grid, as nowadays occurs in Portugal, poses new challenges due to its intermittency and volatility. Hence, good forecasting tools play a key role in tackling these challenges. Results from a real-world case study are presented. A comparison is carried out, taking into account the results obtained with other approaches. Finally, conclusions are duly drawn. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Computing the phase diagram of binary mixtures: A patchy particle case study

We investigate the phase behaviour of 2D mixtures of bi-functional and three-functional patchy particles and 3D mixtures of bi-functional and tetra-functional patchy particles by means of Monte Carlo simulations and Wertheim theory. We start by computing the critical points of the pure systems and then we investigate how the critical parameters change upon lowering the temperature. We extend the successive umbrella sampling method to mixtures to make it possible to extract information about the phase behaviour of the system at a fixed temperature for the whole range of densities and compositions of interest. (C) 2013 AIP Publishing LLC.

FMRI 3D registration based on Fourier space subsets using neural networks

In this work, we present a neural network (NN) based method designed for 3D rigid-body registration of FMRI time series, which relies on a limited number of Fourier coefficients of the images to be aligned. These coefficients, which are comprised in a small cubic neighborhood located at the first octant of a 3D Fourier space (including the DC component), are then fed into six NN during the learning stage. Each NN yields the estimates of a registration parameter. The proposed method was assessed for 3D rigid-body transformations, using DC neighborhoods of different sizes. The mean absolute registration errors are of approximately 0.030 mm in translations and 0.030 deg in rotations, for the typical motion amplitudes encountered in FMRI studies. The construction of the training set and the learning stage are fast requiring, respectively, 90 s and 1 to 12 s, depending on the number of input and hidden units of the NN. We believe that NN-based approaches to the problem of FMRI registration can be of great interest in the future. For instance, NN relying on limited K-space data (possibly in navigation echoes) can be a valid solution to the problem of prospective (in frame) FMRI registration.

A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering