Algoritmos genéticos: aplicação na síntese de alguns algoritmos de controlo

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização de Automação e Sistemas.

Application of wetland systems in the treatment of acid rock mine drainage

The presented work was conducted within the Dissertation / Internship, branch of Environmental Protection Technology, associated to the Master thesis in Chemical Engineering by the Instituto Superior de Engenharia do Porto and it was developed in the Aquatest a.s, headquartered in Prague, in Czech Republic. The ore mining exploitation in the Czech Republic began in the thirteenth century, and has been extended until the twentieth century, being now evident the consequences of the intensive extraction which includes contamination of soil and sub-soil by high concentrations of heavy metals. The mountain region of Zlaté Hory was chosen for the implementation of the remediation project, which consisted in the construction of three cells (tanks), the first to raise the pH, the second for the sedimentation of the formed precipitates and a third to increase the process efficiency in order to reduce high concentrations of metals, with special emphasis on iron, manganese and sulfates. This project was initiated in 2005, being pioneer in this country and is still ongoing due to the complex chemical and biological phenomenon’s inherent to the system. At the site where the project was implemented, there is a natural lagoon, thereby enabling a comparative study of the two systems (natural and artificial) regarding the efficiency of both in the reduction/ removal of the referred pollutants. The study aimed to assist and cooperate in the ongoing investigation at the company Aquatest, in terms of field work conducted in Zlaté Hory and in terms of research methodologies used in it. Thereby, it was carried out a survey and analysis of available data from 2005 to 2008, being complemented by the treatment of new data from 2009 to 2010. Moreover, a theoretical study of the chemical and biological processes that occurs in both systems was performed. Regarding the field work, an active participation in the collection and in situ sample analyzing of water and soil from the natural pond has been attained, with the supervision of Engineer, Irena Šupiková. Laboratory analysis of water and soil were carried out by laboratory technicians. It was found that the natural lagoon is more efficient in reducing iron and manganese, being obtained removal percentages of 100%. The artificial lagoon had a removal percentage of 90% and 33% for iron and manganese respectively. Despite the minor efficiency of the constructed wetland, it must be pointed out that this system was designed for the treatment and consequent reduction of iron. In this context, it can conclude that the main goal has been achieved. In the case of sulphates, the removal optimization is yet a goal to be achieved not only in the Czech Republic but also in other places where this type of contamination persists. In fact, in the natural lagoon and in the constructed wetland, removal efficiencies of 45% and 7% were obtained respectively. It has been speculated that the water at the entrance of both systems has different sources. The analysis of the collected data shows at the entrance of the natural pond, a concentration of 4.6 mg/L of total iron, 14.6 mg/L of manganese and 951 mg/L of sulphates. In the artificial pond, the concentrations are 27.7 mg/L, 8.1 mg/L and 382 mg/L respectively for iron, manganese and sulphates. During 2010 the investigation has been expanded. The study of soil samples has started in order to observe and evaluate the contribution of bacteria in the removal of heavy metals being in its early phase. Summarizing, this technology has revealed to be an interesting solution, since in addition to substantially reduce the mentioned contaminants, mostly iron, it combines the low cost of implementation with an reduced maintenance, and it can also be installed in recreation parks, providing habitats for plants and birds.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Contribuição da fluorescência de Raios–X na avaliação e modelação de georrecursos

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado compreendida no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre a contribuição da Fluorescência de Raios – X (FRX) no Zonamento de Georrecursos, com particular ênfase para a utilização do instrumento portátil e de ferramentas tecnológicas de vanguarda, indispensáveis à prospecção e exploração dos recursos minerais, designadamente na interpretação e integração de dados de natureza geológica e na modelação de métodos de exploração e processamento /tratamento de depósitos minerais, assim como do respectivo controlo. Esta dissertação discute os aspectos fundamentais da utilização da técnica de Fluorescência de Raios-X (portátil, FRXP), quanto à sua possibilidade de aplicação e metodologia exigida, com vista à definição de zonas com características químicas análogas do georrecurso e que preencham as exigências especificadas para a utilização da matéria-prima, nas indústrias consumidoras. Foi elaborada uma campanha de recolha de amostras de calcário proveniente da pedreira do Sangardão, em Condeixa–a–Nova, que numa primeira fase teve como objectivo principal a identificação da composição química da área em estudo e o grau de precisão do aparelho portátil de FRX. Para além desta análise foram, também, realizadas análises granulométricas por peneiração e sedimentação por Raios-X a amostras provenientes das bacias de sedimentação e do material passado no filtro prensa. Validado o método de análise por FRXP, realizou-se uma segunda fase deste trabalho, que consistiu na elaboração de uma amostragem bastante significativa de pontos, onde se realizaram análises por FRXP, de forma a obter uma maior cobertura química da área em estudo e localizar os locais chave de exploração da matéria-prima. Para uma correcta leitura dos dados analisados recorreu-se a ferramentas aliadas às novas tecnologias, as quais se mostraram um importante contributo para uma boa gestão do georrecurso em avaliação, nomeadamente o “XLSTAT” e o “Surfer” para tratamento estatístico dos dados e modelação, respectivamente.

Realidade aumentada aplicada ao processo de ensino/aprendizagem. Estudo de caso.

Nas últimas décadas temos assistido a um avanço tecnológico a todos os níveis mas com particular incidência ao nível do hardware e dos dispositivos móveis. Estes tornaram-­‐se cada vez mais leves e mais baratos, e transferiram-­‐se do escritório para o carro, para os equipamentos e para os utensílios. A quantidade de informação (digital) disponível no meio envolvente aumentou de forma exponencial exigindo uma resposta tecnológica com o intuito de melhorar/facilitar o seu acesso e assimilação. É aqui que surge o conceito de Realidade Aumentada a funcionar como uma ponte de ligação entre o real e o digital convidando a novos modelos de interacção com o utilizador. A sua incorporação visa essencialmente tornar os sistemas mais usáveis diminuindo a carga cognitiva inerente à sua utilização. Este trabalho apresenta um estudo de caso, propondo um modelo para a construção de um Objecto de Aprendizagem com recurso a Realidade Aumentada especificamente para a área da saúde. O problema identificado nesta dissertação procura investigar se a integração de técnicas de Realidade Aumentada combinadas com técnicas multimédia e outros materiais convencionais podem contribuir para uma maior motivação e percepção cooperando para a construção de conhecimento.

Ampliação do reservatório de Custóias

O presente relatório é a última etapa para a obtenção do Grau de Mestre em Tecnologia e Gestão das Construções leccionado no Instituto Superior de Engenharia do Porto, (ISEP). O estágio decorreu em ambiente maioritariamente de obra na empresa Monte Adriano, Engenharia e Construção, SA, e o objectivo consistiu em dar apoio e acompanhar a Obra de Ampliação do Reservatório de Custóias, inserida na Empreita de concepção, projecto e construção das infraestruturas necessárias à execução do plano de investimentos da Indáqua Matosinhos, actividades estas, decorrentes da função de adjunta de direcção de obra. Para além da breve descrição da empresa que a estagiária integrou e da empreitada geral, foi feita uma enumeração das várias actividades desempenhadas na Obra e dos vários condicionalismos encontrados que por vezes levaram a alterações do projecto. Dá-se especial ênfase à parte da execução das fundações, quer pela heterogeneidade do solo e sua relevância no geral, quer pelo facto do tempo de execução da obra ser praticamente o tempo do estágio. A obra consiste na execução de três células em painéis pré-fabricados SOPLACAS (paredes e cobertura), sendo que, as lajes de soleira de duas das células apoiam em poços e a laje de soleira da outra célula apoia directamente no terreno e em poços. Anexa às células encontra-se a câmara de manobras, executada em estrutura de betão armado.

Electrochemical analysis of opiates—an overview

The analysis of opiates is of vital interest in drug abuse monitoring and research. This review presents a general overview of the electrochemical methods used for detection and quantification of opiates in a variety of matrices. Emphasis has been placed on the voltammetric methods used for study and determination of morphine, codeine, and heroin. Specific issues that need to be solved and better explained as well as future trends in the use of electrochemical methods in the examination of opiates are also discussed.

TRAILER Project (Tagging, Recognition, Acknowledgment of Informal Learning Experiences) a methodology to make learners' informal learning activities visible to the institutions

The application of information technologies (specially the Internet, Web 2.0 and social tools) make informal learning more visible. This kind of learning is not linked to an institution or a period of time, but it is important enough to be taken into account. On the one hand, learners should be able to communicate to the institutions they are related to, what skills they possess, whether they were achieved in a formal or informal way. On the other hand the companies and educational institutions need to have a deeper knowledge about the competencies of their staff. The TRAILER project provides a methodology supported by a technological framework to facilitate communication about informal learning between businesses, employees and learners. The paper presents the project and some of the work carried out, an exploratory analysis about how informal learning is considered and the technological framework proposed. Whilst challenges remain in terms of establishing the meaningfulness of technological engagement for employees and businesses, the continuing transformation of the social, technological and educational environment is likely to lead to greater emphasis for the effective exploitation of informal learning.

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Instrumentação e monitorização na avaliação do comportamento de maciços e estruturas envolventes: caso de poços em meio urbano

Atualmente, a escavação de poços em locais densamente ocupados requer medidas severas para reduzir riscos e possíveis influências quer na própria obra quer em estruturas próximas. Neste campo, a instrumentação geotécnica e a sua monitorização tem um papel determinante na execução de obras geotécnicas, sendo que neste trabalho é dado um especial realce à instrumentação utilizada, às atividades de observação geotécnica, bem como à análise e interpretação das leituras para o controlo de movimentos induzidos no terreno pelas escavações. Este acompanhamento é baseado num plano de instrumentação, sendo descrito de uma forma transversal a importância do projeto e em particular das fases do processo de investigação geotécnica. O acompanhamento da execução dos poços para a futura Estação da Reboleira, permitiu validar as soluções de projeto para um determinado método construtivo, determinadas através de métodos numéricos e semi-empíricos, e abordados neste trabalho. A monitorização sistemática desde o início das escavações até ao revestimento secundário, permitiu tecer apreciações sobre os valores obtidos, apresentando-se alguns registos. Todas estas ações visam controlar e antecipar riscos de acidentes provocados pela execução de escavações, pelo que nesta tese é também realçada a importância da segurança e higiene no trabalho na prevenção dos riscos profissionais, independentemente da sua origem.

Análise e síntese de música através de sistemas computacionais

Este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, procura mostrar de que forma a Computação Evolucionária se pode aplicar no mundo da Música. Este é, de resto, um tema sobejamente aliciante dentro da área da Inteligência Artificial. Começa-se por apresentar o mundo da Música com uma perspetiva cronológica da sua história, dando especial relevo ao estilo musical do Fado de Coimbra. Abordam-se também os conceitos fundamentais da teoria musical. Relativamente à Computação Evolucionária, expõem-se os elementos associados aos Algoritmos Evolucionários e apresentam-se os principais modelos, nomeadamente os Algoritmos Genéticos. Ainda no âmbito da Computação Evolucionária, foi elaborado um pequeno estudo do “estado da arte” da aplicação da Computação Evolucionária na Música. A implementação prática deste trabalho baseia-se numa aplicação – AG Fado – que compõe melodias de Fado de Coimbra, utilizando Algoritmos Genéticos. O trabalho foi dividido em duas partes principais: a primeira parte consiste na recolha de informações e posterior levantamento de dados estatísticos sobre o género musical escolhido, nomeadamente fados em tonalidade maior e fados em tonalidade menor; a segunda parte consiste no desenvolvimento da aplicação, com a conceção do respetivo algoritmo genético para composição de melodias. As melodias obtidas através da aplicação desenvolvida são bastante audíveis e boas melodicamente. No entanto, destaca-se o facto de a avaliação ser efetuada por seres humanos o que implica sensibilidades musicais distintas levando a resultados igualmente distintos.

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

From task scheduling in single processor environments to message scheduling in a PROFIBUS fieldbus network

In this paper we survey the most relevant results for the prioritybased schedulability analysis of real-time tasks, both for the fixed and dynamic priority assignment schemes. We give emphasis to the worst-case response time analysis in non-preemptive contexts, which is fundamental for the communication schedulability analysis. We define an architecture to support priority-based scheduling of messages at the application process level of a specific fieldbus communication network, the PROFIBUS. The proposed architecture improves the worst-case messages’ response time, overcoming the limitation of the first-come-first-served (FCFS) PROFIBUS queue implementations.

Hybrid wired/wireless PROFIBUS networks supported by bridges/routers

Fieldbus networks are becoming increasingly popular in industrial computer-controlled systems. More recently, there has been the desire to extend the capabilities of fieldbuses to cover functionalities not previously considered in such networks, with particular emphasis on industrial wireless communications. Thinking about wireless means considering hybrid wired/wireless solutions capable of interoperating with legacy (wired) systems. One possible solution is to use intermediate systems (IS) acting as repeaters to interconnect the wired and wireless parts. In contrast, we analyze a solution where intermediate systems are implemented as bridges/routers. We detail the main advantages in terms of dependability and timeliness, and propose mechanisms to manage message transactions and intercell mobility.

Programming atomic multicasts in CAN

In Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS), a special emphasis must be given to the communication infrastructure, which must provide timely and reliable communication services. CAN networks are usually suitable to support small-scale DCCS. However, they are known to present some reliability problems, which can lead to an unreliable behaviour of the supported applications. In this paper, an atomic multicast protocol for CAN networks is proposed. This protocol explores the CAN synchronous properties, providing a timely and reliable service to the supported applications. The implementation of such protocol in Ada, on top of the Ada version of Real-Time Linux is presented, which is used to demonstrate the advantages and disadvantages of the platform to support reliable communications in DCCS.