Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

Improving a Cluster Based Directional Channel Model in Realistic Macro-Cell Environment

In this paper a realistic directional channel model that is an extension of the COST 273 channel model is presented. The model uses a cluster of scatterers and visibility region generation based strategy with increased realism, due to the introduction of terrain and clutter information. New approaches for path-loss prediction and line of sight modeling are considered, affecting the cluster path gain model implementation. The new model was implemented using terrain, clutter, street and user mobility information for the city of Lisbon, Portugal. Some of the model's outputs are presented, mainly path loss and small/large-scale fading statistics.

QSAR modeling of antitubercular activity of diverse organic compounds

Tuberculosis (TB) is a worldwide infectious disease that has shown over time extremely high mortality levels. The urgent need to develop new antitubercular drugs is due to the increasing rate of appearance of multi-drug resistant strains to the commonly used drugs, and the longer durations of therapy and recovery, particularly in immuno-compromised patients. The major goal of the present study is the exploration of data from different families of compounds through the use of a variety of machine learning techniques so that robust QSAR-based models can be developed to further guide in the quest for new potent anti-TB compounds. Eight QSAR models were built using various types of descriptors (from ADRIANA.Code and Dragon software) with two publicly available structurally diverse data sets, including recent data deposited in PubChem. QSAR methodologies used Random Forests and Associative Neural Networks. Predictions for the external evaluation sets obtained accuracies in the range of 0.76-0.88 (for active/inactive classifications) and Q(2)=0.66-0.89 for regressions. Models developed in this study can be used to estimate the anti-TB activity of drug candidates at early stages of drug development (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

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.

The daily and hourly energy consumption and load forecasting using artifitial neural network method: a case study using a set of 93 households in Portugal

It is important to understand and forecast a typical or a particularly household daily consumption in order to design and size suitable renewable energy systems and energy storage. In this research for Short Term Load Forecasting (STLF) it has been used Artificial Neural Networks (ANN) and, despite the consumption unpredictability, it has been shown the possibility to forecast the electricity consumption of a household with certainty. The ANNs are recognized to be a potential methodology for modeling hourly and daily energy consumption and load forecasting. Input variables such as apartment area, numbers of occupants, electrical appliance consumption and Boolean inputs as hourly meter system were considered. Furthermore, the investigation carried out aims to define an ANN architecture and a training algorithm in order to achieve a robust model to be used in forecasting energy consumption in a typical household. It was observed that a feed-forward ANN and the Levenberg-Marquardt algorithm provided a good performance. For this research it was used a database with consumption records, logged in 93 real households, in Lisbon, Portugal, between February 2000 and July 2001, including both weekdays and weekend. The results show that the ANN approach provides a reliable model for forecasting household electric energy consumption and load profile. © 2014 The Author.

Assessment of data-driven modeling strategies for water delivery canals

Conferência: CONTROLO’2012 - 16-18 July 2012 - Funchal

Identification of tsunami-induced deposits using numerical modeling and rock magnetism techniques: A study case of the 1755 Lisbon tsunami in Algarve, Portugal

Storm- and tsunami-deposits are generated by similar depositional mechanisms making their discrimination hard to establish using classic sedimentologic methods. Here we propose an original approach to identify tsunami-induced deposits by combining numerical simulation and rock magnetism. To test our method, we investigate the tsunami deposit of the Boca do Rio estuary generated by the 1755 earthquake in Lisbon which is well described in the literature. We first test the 1755 tsunami scenario using a numerical inundation model to provide physical parameters for the tsunami wave. Then we use concentration (MS. SIRM) and grain size (chi(ARM), ARM, B1/2, ARM/SIRM) sensitive magnetic proxies coupled with SEM microscopy to unravel the magnetic mineralogy of the tsunami-induced deposit and its associated depositional mechanisms. In order to study the connection between the tsunami deposit and the different sedimentologic units present in the estuary, magnetic data were processed by multivariate statistical analyses. Our numerical simulation show a large inundation of the estuary with flow depths varying from 0.5 to 6 m and run up of similar to 7 m. Magnetic data show a dominance of paramagnetic minerals (quartz) mixed with lesser amount of ferromagnetic minerals, namely titanomagnetite and titanohematite both of a detrital origin and reworked from the underlying units. Multivariate statistical analyses indicate a better connection between the tsunami-induced deposit and a mixture of Units C and D. All these results point to a scenario where the energy released by the tsunami wave was strong enough to overtop and erode important amount of sand from the littoral dune and mixed it with reworked materials from underlying layers at least 1 m in depth. The method tested here represents an original and promising tool to identify tsunami-induced deposits in similar embayed beach environments.

Capacity Enhancement Using MIMO Antenna Arrays in Realistic Macro-Cellular Urban Environment

In MIMO systems the antenna array configuration in the BS and MS has a large influence on the available channel capacity. In this paper, we first introduce a new Frequency Selective (FS) MIMO framework for macro-cells in a realistic urban environment. The MIMO channel is built over a previously developed directional channel model, which considers the terrain and clutter information in the cluster, line-of-sight and link loss calculations. Next, MIMO configuration characteristics are investigated in order to maximize capacity, mainly the number of antennas, inter-antenna spacing and SNR impact. Channel and capacity simulation results are presented for the city of Lisbon, Portugal, using different antenna configurations. Two power allocations schemes are considered, uniform distribution and FS spatial water-filling. The results suggest optimized MIMO configurations, considering the antenna array size limitations, specially at the MS side.

Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Mixed-integer nonlinear approach for the optimal scheduling of a head-dependent hydro chain

This paper is on the problem of short-term hydro scheduling (STHS), particularly concerning a head-dependent hydro chain We propose a novel mixed-integer nonlinear programming (MINLP) approach, considering hydroelectric power generation as a nonlinear function of water discharge and of the head. As a new contribution to eat her studies, we model the on-off behavior of the hydro plants using integer variables, in order to avoid water discharges at forbidden areas Thus, an enhanced STHS is provided due to the more realistic modeling presented in this paper Our approach has been applied successfully to solve a test case based on one of the Portuguese cascaded hydro systems with a negligible computational time requirement.

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.