Derivative-free optimization and filter methods to solve nonlinear constrained problems

In real optimization problems, usually the analytical expression of the objective function is not known, nor its derivatives, or they are complex. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives, or the verification of their existence, is not necessary: the Direct Search Methods or Derivative-free Methods are one solution. When the problem has constraints, penalty functions are often used. Unfortunately the choice of the penalty parameters is, frequently, very difficult, because most strategies for choosing it are heuristics strategies. As an alternative to penalty function appeared the filter methods. A filter algorithm introduces a function that aggregates the constrained violations and constructs a biobjective problem. In this problem the step is accepted if it either reduces the objective function or the constrained violation. This implies that the filter methods are less parameter dependent than a penalty function. In this work, we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of the simplex method and filter methods. This method does not compute or approximate any derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers. The basic idea of simplex filter algorithm is to construct an initial simplex and use the simplex to drive the search. We illustrate the behavior of our algorithm through some examples. The proposed methods were implemented in Java.

Developing multiple - choice questions in mathematics

In this paper we wish to illustrate different perspectives used to create Multiple-Choice questions and we will show how we can improve these in the construction of math tests. As it is known, web technologies have a great influence on student’s behaviour. Based on an on-line project beginning at 2007 which has been contributing to help students on their individual work, we would like to share our experience and thoughts with colleagues who have a common concern when they have the task of constructing Multiple-Choice tests. We feel that Multiple-Choice tests play an important and a very useful supporting role in selfevaluation or self-examination of our students. Nonetheless, good Multiple–Choice Test Items are generally more complex and time-consuming to create than other types of tests. It requires a certain amount of skill. However, this skill maybe increases through study, practice and experience. This paper discusses a number of issues related to the use of Multiple-Choice questions, lists the advantages and disadvantages of this question format contrasting it with open questions. Some examples are given in this context.

Moodle and multiple-choice tests

Multiple-Choice items are used in many different kinds of tests in several areas of knowledge. They can be considered an interesting tool to the self-assessing or as an alternative or complementary instrument to the traditional methods for assessing knowledge. The objectivity and accuracy of the multiple-choice tests is an important reason to think about. They are especially useful when the number of students to evaluate is too large. Moodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment) is an Open Source course management system centered around learners' needs and designed to support collaborative approaches to teaching and learning. Moodle offers to the users a rich interface, context-specific help buttons, and a wide variety of tools such as discussion forums, wikis, chat, surveys, quizzes, glossaries, journals, grade books and more, that allow them to learn and collaborate in a truly interactive space. Come together the interactivity of the Moodle platform and the objectivity of this kind of tests one can easily build manifold random tests. The proposal of this paper is to relate our journey in the construction of these tests and share our experience in the use of the Moodle platform to create, take advantage and improve the multiple-choices tests in the Mathematic area.

Multiple-choice tests: a tool in assessing knowledge

The purpose of this paper is to analyse if Multiple-Choice Tests may be considered an interesting alternative for assessing knowledge, particularly in the Mathematics area, as opposed to the traditional methods, such as open questions exams. In this sense we illustrate some opinions of the researchers in this area. Often the perception of the people about the construction of this kind of exams is that they are easy to create. But it is not true! Construct well written tests it’s a hard work and needs writing ability from the teachers. Our proposal is analyse the construction difficulties of multiple - choice tests as well some advantages and limitations of this type of tests. We also show the frequent critics and worries, since the beginning of this objective format usage. Finally in this context some examples of Multiple-Choice Items in the Mathematics area are given, and we illustrate as how we can take advantage and improve this kind of tests.

Porto: cidade amiga das pessoas idosas: um estudo centrado na visão de prestadores de serviços a pessoas idosas das freguesias de Cedofeita, Paranhos, St. Ildefonso, Bonfim e Campanhã

O envelhecimento da população é um fenómeno das sociedades contemporâneas simultâneo à crescente modificação do meio urbano. De modo a responder a estas alterações a Organização Mundial de Saúde (OMS) lançou o projeto Cidade Amiga das Pessoas Idosas que preconiza a adaptação das estruturas e serviços para que estes sejam acessíveis e promovam a inclusão dos cidadãos idosos. A presente investigação, de natureza qualitativa e exploratória, tem como objetivo verificar se a cidade do Porto possui características de uma cidade amiga das pessoas idosas através da visão de prestadores de serviços a pessoas idosas das freguesias de Paranhos, Cedofeita, St. Ildefonso, Bonfim e Campanhã. Pretende, assim, ser um contributo para o desenvolvimento do projeto Cidade Amiga das Pessoas Idosas na cidade portuense. Para tal, realizam-se 3 focus groups com prestadores de serviços selecionados a partir de uma amostragem por conveniência, onde se utiliza um guião de entrevista semi-estruturado com as seguintes categorias: espaços exteriores e edifícios, transportes, habitação, participação social, respeito e inclusão social, participação cívica e emprego, comunicação e informação e apoio comunitário e serviços de saúde. É possível verificar que os participantes partilham, de forma geral, uma imagem positiva da cidade do Porto, contudo, têm tendência a iniciar o discurso pelas características negativas da cidade. Colaboram também com sugestões de melhoria para a cidade. Pela perspetiva dos participantes é possível verificar que aspetos relacionados com espaços exteriores e edifícios, respeito e inclusão social e apoio comunitário e serviços de saúde se destacam pela negativa, enquanto aspetos intimos à participação social das pessoas idosas bem como, à comunicação e informação na cidade do Porto são na generalidade elogiados. Desta forma, indicam como positivo o aparecimento de novas iniciativas como as Universidades Seniores ou o projeto “Afetos” desenvolvido pela Misericórdia; as ofertas dirigidas à população sénior desenvolvidas pelas Juntas de Freguesia e a presença de jornais de distribuição gratuita, em espaços públicos. Por oposição, identificam como pouco amigo das pessoas idosas os passeios pouco largos, com obstáculos e pouco cuidados; a falta de casas de banho públicas; o desinvestimento em atividades intergeracionais e a carência de lares públicos na cidade.

Reposição do sistema semi-automático Pyxis® num Hospital Central Universitário: avaliação do número de unidades repostas

Introdução: No Centro Hospitalar de São João, EPE a partir de 2008, foi implementado o sistema semi-automático de reposição de stocks nivelados de medicamentos, Pyxis®, atualmente implementado em 16 serviços clínicos. Atendendo ao crescimento verificado na implementação deste sistema automatizado na instituição, este trabalho pretende dar a conhecer a realidade de preparação da medicação para reposição no sistema semi-automático Pyxis®, por avaliação do número de unidades de medicamentos repostos diariamente e por dia da semana. Material e Métodos: Desenvolveu-se um estudo longitudinal retrospetivo onde se analisou a totalidade de serviços com implementação Pyxis® através do registo diário de reposição dos diferentes Serviços Clínicos num período de 41 dias consecutivos. Numa segunda fase, os dados foram sintetizados sob a forma de tabelas em Microsoft Office Excel®, tendo posteriormente sido construídos os respetivos gráficos para análise. Resultados: Os resultados, representados graficamente, mostram que a segunda-feira é o dia da semana com maior número de reposições de medicamentos, sendo os serviços com maior número de reposições totais UCI Geral, UCI Neurocríticos, Cirurgia Cardiotorácica e UCIPU. Discussão / Conclusões: Os resultados obtidos permitiram verificar uma sobrecarga de referências de medicamentos e unidades repostas às segundas-feiras, atingindo, em muitos serviços, valores de unidades repostas duas vezes superior à média de reposições do serviço (por ex. UCI Neurocíticos). Contudo, apesar do reduzido período de análise, os dados parecem evidenciar que o facto de haver reposições ao domingo agiliza o processo de reposição dos Pyxis® às segundas-feiras.

Derivative-free nonlinear optimization filter simplex

The filter method is a technique for solving nonlinear programming problems. The filter algorithm has two phases in each iteration. The first one reduces a measure of infeasibility, while in the second the objective function value is reduced. In real optimization problems, usually the objective function is not differentiable or its derivatives are unknown. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives or the verification of their existence is not necessary: direct search methods or derivative-free methods are examples of such techniques. In this work we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of simplex and filter methods. This method neither computes nor approximates derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers.

Navegação de um robô autónomo semi-industrial usando diferentes técnicas sensoriais

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Aplicação web para tratamento estatístico de dados de teste

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema sem fios para controlo de iluminação decorativa

Este projecto surgiu no contexto da solicitação de um dos clientes da empresa Castros Iluminações que pretendia um sistema de iluminação decorativa (baseada em LED) de dois conjuntos de 288 janelas, pertencendo cada conjunto a uma fachada diferente do edifício. Este sistema teria que prever a possibilidade de controlar a cor de cada janela individualmente, dando ao cliente a possibilidade de alterar o ambiente decorativo das fachadas do edifício. A utilização de comunicação sem fios foi justificada pela necessidade de evitar a quantidade enorme de cabos que seria necessário passar utilizando os sistemas comerciais convencionais e a impossibilidade de os esconder. Esta solução foi pensada para ser implementada num edifício com 14 Andares, facto que por si só inviabiliza a passajem de cabos. Para interligar todos os dispositivos de iluminação decorativa com um controlador portátil, e eliminar os problemas ligados à cablagem, foi utilizado o protocolo de comunicações sem fios ZigBee™. A escolha recaiu neste protocolo devido a factores como os seus baixos consumos, simplicidade do protocolo comparativamente com outras redes e o seu baixo custo. No desenvolvimento deste projecto foi utilizada a stack da Microchip©, versão gratuita, disponibilizada na internet e os seus transceivers de comunicação Zigbee™, MRF24j40MA. Para fazer a interface de comunicação com o utilizador, foi desenvolvida uma aplicação de Software para correr em computadores com ambiente Windows™. Esta aplicação foi desenvolvida em Visual Studio™ utilizando a linguagem C#. Foram efectuados alguns testes para se perceber a eficiência e robustez da comunicação ZigBee™ e apesar do número de dispositivos disponíveis para ensaios ser muito reduzido, foi possível verificar que, mesmo funcionando correctamente, o desempenho do sistema poderá ser melhorado, quer seja a nível da gestão das comunicações, quer a nível do software informático para controlo do ambiente decorativo das fachadas do edifício. O sistema, no actual estado de desenvolvimento, permite controlar a cor dos vários dispositivos da rede através do computador, com uma resolução de 24bits. A aplicação desenvolvida em Visual Studio™ permite controlar de forma simples e intuitiva para o utilizador, a cor do material iluminativo dos vários dispositivos da rede.

Geotecnia dos túneis do maciço de Paranhos: avaliação hidrogeomecânica exploratória

As classificações geomecânicas são uma das abordagens mais reconhecidas para estimar a qualidade do maciço rochoso, face à sua simplicidade e competência para gerir incertezas. As incertezas geológicas e geotécnicas podem ser avaliadas de forma eficaz usando classificações adequadas. Este estudo pretende enfatizar a importância das classificações geomecânicas e índices geomecânicos, tais como a Rock Mass Rating (RMR), a Rock Tunnelling Quality Index (Qsystem), o Geological Strength Index (GSI) e o Hydro‐Potential (HP) Value, para ajuizar a qualidade do maciço rochoso granítico das galerias subterrâneas de Paranhos (setor de Carvalhido ‐ Burgães; área urbana do Porto). Em particular, o valor hidro‐potencial (HP‐value) é uma classificação semi‐quantitativa aplicada a maciços rochosos que permite estimar as infiltrações de água subterrânea em escavações de terrenos rochosos. Para esta avaliação foi compilada e integrada uma extensa base de dados geológico‐geotécnica e geomecânica, apoiada na técnica de amostragem linear de superfícies expostas descontinuidades. Para refinar o zonamento geotécnico do maciço rochoso granítico, previamente realizado em 2010, foram coletadas amostras de rocha em pontos‐chave, com o objetivo de avaliar a sua resistência através do Ensaio de Carga Pontual (PLT). A aplicação das classificações geomecânicas foi realizada de uma forma equilibrada, estabelecendo diferentes cenários e tendo sempre em conta o conhecimento das características do maciço in situ. Apresenta‐se uma proposta de zonamento hidrogeomecânico com o objetivo de compreender melhor a circulação geo‐hidráulica do maciço rochoso granítico. Pretende‐se com esta metodologia contribuir para aprofundar o conhecimento do substrato rochoso do Porto, nomeadamente no que diz respeito ao seu comportamento geomecânico.

Complex question answering on semi-structured repositories: a user centric process enhanced with context

A Teia Mundial (Web) foi prevista como uma rede de documentos de hipertexto interligados de forma a criar uma espaço de informação onde humanos e máquinas poderiam comunicar. No entanto, a informação contida na Web tradicional foi/é armazenada de forma não estruturada o que leva a que apenas os humanos a possam consumir convenientemente. Consequentemente, a procura de informações na Web sintáctica é uma tarefa principalmente executada pelos humanos e nesse sentido nem sempre é fácil de concretizar. Neste contexto, tornou-se essencial a evolução para uma Web mais estruturada e mais significativa onde é dado significado bem definido à informação de forma a permitir a cooperação entre humanos e máquinas. Esta Web é usualmente referida como Web Semântica. Além disso, a Web Semântica é totalmente alcançável apenas se os dados de diferentes fontes forem ligados criando assim um repositório de Dados Abertos Ligados (LOD). Com o aparecimento de uma nova Web de Dados (Abertos) Ligados (i.e. a Web Semântica), novas oportunidades e desafios surgiram. Pergunta Resposta (QA) sobre informação semântica é actualmente uma área de investigação activa que tenta tirar vantagens do uso das tecnologias ligadas à Web Semântica para melhorar a tarefa de responder a questões. O principal objectivo do projecto World Search passa por explorar a Web Semântica para criar mecanismos que suportem os utilizadores de domínios de aplicação específicos a responder a questões complexas com base em dados oriundos de diferentes repositórios. No entanto, a avaliação feita ao estado da arte permite concluir que as aplicações existentes não suportam os utilizadores na resposta a questões complexas. Nesse sentido, o trabalho desenvolvido neste documento foca-se em estudar/desenvolver metodologias/processos que permitam ajudar os utilizadores a encontrar respostas exactas/corretas para questões complexas que não podem ser respondidas fazendo uso dos sistemas tradicionais. Tal inclui: (i) Ultrapassar a dificuldade dos utilizadores visionarem o esquema subjacente aos repositórios de conhecimento; (ii) Fazer a ponte entre a linguagem natural expressa pelos utilizadores e a linguagem (formal) entendível pelos repositórios; (iii) Processar e retornar informações relevantes que respondem apropriadamente às questões dos utilizadores. Para esse efeito, são identificadas um conjunto de funcionalidades que são consideradas necessárias para suportar o utilizador na resposta a questões complexas. É também fornecida uma descrição formal dessas funcionalidades. A proposta é materializada num protótipo que implementa as funcionalidades previamente descritas. As experiências realizadas com o protótipo desenvolvido demonstram que os utilizadores efectivamente beneficiam das funcionalidades apresentadas: ▪ Pois estas permitem que os utilizadores naveguem eficientemente sobre os repositórios de informação; ▪ O fosso entre as conceptualizações dos diferentes intervenientes é minimizado; ▪ Os utilizadores conseguem responder a questões complexas que não conseguiam responder com os sistemas tradicionais. Em suma, este documento apresenta uma proposta que comprovadamente permite, de forma orientada pelo utilizador, responder a questões complexas em repositórios semiestruturados.

Determination of free furfuryl alcohol in foundry resins by chromatographic techniques

Two chromatographic methods, gas chromatography with flow ionization detection (GC–FID) and liquid chromatography with ultraviolet detection (LC–UV), were used to determine furfuryl alcohol in several kinds of foundry resins, after application of an optimised extraction procedure. The GC method developed gave feasibility that did not depend on resin kind. Analysis by LC was suitable just for furanic resins. The presence of interference in the phenolic resins did not allow an appropriate quantification by LC. Both methods gave accurate and precise results. Recoveries were >94%; relative standard deviations were ≤7 and ≤0.3%, respectively for GC and LC methods. Good relative deviations between the two methods were found (≤3%).

Determination of free formaldehyde in foundry resins as its 2,4-dinitrophenylhydrazone by liquid chromatography

Formaldehyde is a toxic component that is present in foundry resins. Its quantification is important to the characterisation of the resin (kind and degradation) as well as for the evaluation of free contaminants present in wastes generated by the foundry industry. The complexity of the matrices considered suggests the need for separative techniques. The method developed for the identification and quantification of formaldehyde in foundry resins is based on the determination of free carbonyl compounds by derivatization with 2,4-dinitrophenylhydrazine (DNPH), being adapted to the considered matrices using liquid chromatography (LC) with UV detection. Formaldehyde determinations in several foundry resins gave precise results. Mean recovery and R.S.D. were, respectively, >95 and 5%. Analyses by the hydroxylamine reference method gave comparable results. Results showed that hydroxylamine reference method is applicable just for a specific kind of resin, while the developed method has good performance for all studied resins.

Chromatographic techniques for the determination of free phenol in foundry resins

Phenol is a toxic compound present in a wide variety of foundry resins. Its quantification is important for the characterization of the resins as well as for the evaluation of free contaminants present in foundry wastes. Two chromatographic methods, liquid chromatography with ultraviolet detection (LC-UV) and gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID), for the analysis of free phenol in several foundry resins, after a simple extraction procedure (30 min), were developed. Both chromatographic methods were suitable for the determination of phenol in the studied furanic and phenolic resins, showing good selectivity, accuracy (recovery 99–100%; relative deviations <5%), and precision (coefficients of variation <6%). The used ASTM reference method was only found to be useful in the analysis of phenolic resins, while the LC and GC methods were applicable for all the studied resins. The developed methods reduce the time of analysis from 3.5 hours to about 30 min and can readily be used in routine quality control laboratories.