An Intelligent Distributed System for Environmental Management

Environmental management is a complex task. The amount and heterogeneity of the data needed for an environmental decision making tool is overwhelming without adequate database systems and innovative methodologies. As far as data management, data interaction and data processing is concerned we here propose the use of a Geographical Information System (GIS) whilst for the decision making we suggest a Multi-Agent System (MAS) architecture. With the adoption of a GIS we hope to provide a complementary coexistence between heterogeneous data sets, a correct data structure, a good storage capacity and a friendly user’s interface. By choosing a distributed architecture such as a Multi-Agent System, where each agent is a semi-autonomous Expert System with the necessary skills to cooperate with the others in order to solve a given task, we hope to ensure a dynamic problem decomposition and to achieve a better performance compared with standard monolithical architectures. Finally, and in view of the partial, imprecise, and ever changing character of information available for decision making, Belief Revision capabilities are added to the system. Our aim is to present and discuss an intelligent environmental management system capable of suggesting the more appropriate land-use actions based on the existing spatial and non-spatial constraints.

Intelligent Distributed Environmental Decision Support System

This article discusses the development of an Intelligent Distributed Environmental Decision Support System, built upon the association of a Multi-agent Belief Revision System with a Geographical Information System (GIS). The inherent multidisciplinary features of the involved expertises in the field of environmental management, the need to define clear policies that allow the synthesis of divergent perspectives, its systematic application, and the reduction of the costs and time that result from this integration, are the main reasons that motivate the proposal of this project. This paper is organised in two parts: in the first part we present and discuss the developed Distributed Belief Revision Test-bed — DiBeRT; in the second part we analyse its application to the environmental decision support domain, with special emphasis on the interface with a GIS.

Environmental Decision Support: a Distributed Artificial Intelligence Approach

Decision making in any environmental domain is a complex and demanding activity, justifying the development of dedicated decision support systems. Every decision is confronted with a large variety and amount of constraints to satisfy as well as contradictory interests that must be sensibly accommodated. The first stage of a project evaluation is its submission to the relevant group of public (and private) agencies. The individual role of each agency is to verify, within its domain of competence, the fulfilment of the set of applicable regulations. The scope of the involved agencies is wide and ranges from evaluation abilities on the technical or economical domains to evaluation competences on the environmental or social areas. The second project evaluation stage involves the gathering of the recommendations of the individual agencies and their justified merge to produce the final conclusion. The incorporation and accommodation of the consulted agencies opinions is of extreme importance: opinions may not only differ, but can be interdependent, complementary, irreconcilable or, simply, independent. The definition of adequate methodologies to sensibly merge, whenever possible, the existing perspectives while preserving the overall legality of the system, will lead to the making of sound justified decisions. The proposed Environmental Decision Support System models the project evaluation activity and aims to assist developers in the selection of adequate locations for their projects, guaranteeing their compliance with the applicable regulations.

Saccharomyces cerevisiae Mutants Affected in Vacuole Assembly or Vacuolar H+-ATPase are Hypersensitive to Lead (Pb) Toxicity

Lead is an important environmental pollutant. The role of vacuole, in Pb detoxification, was studied using a vacuolar protein sorting mutant strain (vps16D), belonging to class C mutants. Cells disrupted in VPS16 gene, did not display a detectable vacuolar-like structure. Based on the loss of cell proliferation capacity, it was found that cells from vps16D mutant exhibited a hypersensitivity to Pb-induced toxicity, compared to wild type (WT) strain. The function of vacuolar H?-ATPase (VATPase), in Pb detoxification, was evaluated using mutants with structurally normal vacuoles but defective in subunits of catalytic (vma1D or vma2D) or membrane domain (vph1D or vma3D) of V-ATPase. All mutants tested, lacking a functional V-ATPase, displayed an increased susceptibility to Pb, comparatively to cells from WT strain. Modification of vacuolar morphology, in Pb-exposed cells, was visualized using a Vma2p-GFP strain. The treatment of yeast cells with Pb originated the fusion of the medium size vacuolar lobes into one enlarged vacuole. In conclusion, it was found that vacuole plays an important role in the detoxification of Pb in Saccharomyces cerevisiae; in addition, a functional V-ATPase was required for Pb compartmentalization.

Executive Function Impairments in Patients with Depression

Depression, the most prevalent psychiatric disorder, has a lifelong risk of 20% and is related to high rates of death among the patients. Thus, this study aims to conduct a systematic review of changes in executive functions of adult patients diagnosed with depression. We found 1381 articles; however, only 28 were selected and recovered. The inclusion criteria was the assessment of executive functions with at least one neuropsychological test, and articles that evaluated primarily adult individuals with depression, without comparison to other psychiatric disorders. Although most of the studies (25 out of 28 analyzed) have shown deficits in some executive subcomponents, these findings are not conclusive because they used different parameters of assessment. Moreover, many variables were not controlled, such as the different subtypes of the disorder, the high level of severity, comorbidity and the use of drugs. Most studies showed different deficits in executive functions in depressed patients, but further longitudinal studies are needed in order to confirm these findings.

On the numerical computation of the Mittag-Leffler function

Recently simple limiting functions establishing upper and lower bounds on the Mittag-Leffler function were found. This paper follows those expressions to design an efficient algorithm for the approximate calculation of expressions usual in fractional-order control systems. The numerical experiments demonstrate the superior efficiency of the proposed method.

Privatization in an international mixed duopoly with environmental taxes

We study the effects of environmental and trade policies in an international duopoly serving two countries, with pollution abatement. This analysis is done in both mixed and privatized markets. The model has two stages: First, governments choose environmental taxes and import tariffs, simultaneously; then, the firms compete in the market by choosing output levels for the domestic market and to export and also abatement levels.

Solar Intensity Forecasting using Artificial Neural Networks and Support Vector Machines

This paper presents several forecasting methodologies based on the application of Artificial Neural Networks (ANN) and Support Vector Machines (SVM), directed to the prediction of the solar radiance intensity. The methodologies differ from each other by using different information in the training of the methods, i.e, different environmental complementary fields such as the wind speed, temperature, and humidity. Additionally, different ways of considering the data series information have been considered. Sensitivity testing has been performed on all methodologies in order to achieve the best parameterizations for the proposed approaches. Results show that the SVM approach using the exponential Radial Basis Function (eRBF) is capable of achieving the best forecasting results, and in half execution time of the ANN based approaches.

Contextual and Environmental Awareness Laboratory for Energy Consumption Management

The recent changes on power systems paradigm requires the active participation of small and medium players in energy management. With an electricity price fluctuation these players must manage the consumption. Lowering costs and ensuring adequate user comfort levels. Demand response can improve the power system management and bring benefits for the small and medium players. The work presented in this paper, which is developed aiming the smart grid context, can also be used in the current power system paradigm. The proposed system is the combination of several fields of research, namely multi-agent systems and artificial neural networks. This system is physically implemented in our laboratories and it is used daily by researchers. The physical implementation gives the system an improvement in the proof of concept, distancing itself from the conventional systems. This paper presents a case study illustrating the simulation of real-time pricing in a laboratory.

Environmental/Regatta Buoy: Telemetry and Configuration

A monitorização ambiental é essencial para a tomada de decisões tanto na ciência como na indústria. Em particular, uma vez que a água é essencial à vida e a superfície da Terra é composta principalmente por água, a monitorização do clima e dos parâmetros relacionados com a água em ecossistemas sensíveis, tais como oceanos, lagoas, rios e lagos, é de extrema importância. Um dos métodos mais comuns para monitorar a água é implantar bóias. O presente trabalho está integrado num projeto mais amplo, com o objetivo de projectar e desenvolver uma bóia autónoma para a investigação científica com dois modos de funcionamento: (i) monitorização ambiental ; e (ii) baliza ativa de regata. Assim, a bóia tem duas aplicações principais: a coleta e armazenamento de dados e a assistência a regatas de veleiros autónomos. O projeto arrancou há dois anos com um grupo de quatro estudantes internacionais. Eles projetaram e construíram a estrutura física, compraram e montaram o sistema de ancoragem da bóia e escolherem a maioria dos componentes electrónicos para o sistema geral de controlo e medição. Este ano, durante o primeiro semestre, dois estudantes belgas - Jeroen Vervenne e Hendrick Verschelde – trabalharam nos subsistemas de recolha e armazenamento de dados (unidade de controlo escrava) e de telemetria e configuração (unidade de controlo mestre) assim como definiram o protocolo de comunicação da aplicação. O trabalho desta tese continua o desenvolvimento do subsistema de telemetria e configuração. Este subsistema _e responsável pela configuração do modo de funcionamento e dos sensores assim como pela comunicação com a estacão de base (controlo ambiental), barcos (baliza ativa de regata) e com o subsistema de recolha e armazenamento de dados. O desenvolvimento do subsistema de recolha e armazenamento de dados, que coleta e armazena num cartão SD os dados dos sensores selecionados, prossegue com outro estudante belga - Mathias van Flieberge. O objetivo desta tese é, por um lado, implementar o subsistema de telemetria e de configuração na unidade de controle mestre e, por outro lado, refinar e implementar, conjuntamente com Mathias van Flieberge, o protocolo de nível de aplicação projetado. Em particular, a unidade de controlo mestre deve processar e atribuir prioridades às mensagens recebidas da estacão base, solicitar dados à unidade de controlo escrava e difundir mensagens com informação de posição e condições de vento e água no modo de regata. Enquanto que a comunicação entre a unidade de controlo mestre e a estacão base e a unidade de controlo mestre e os barcos é sem fios, a unidade de controlo mestre e a unidade de controlo escrava comunicam através de uma ligação série. A bóia tem atualmente duas limitações: (i) a carga máxima é de 40 kg; e (ii) apenas pode ser utilizada em rios ou próximo da costa dada à limitação de distância imposta pela técnica de comunicação sem fios escolhida.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

Avaliação do papel da glutationa e do vacúolo como mecanismos de defesa contra a toxicidade induzida pelo chumbo na levedura Saccharomyces cerevisiae

A presença de metais pesados no meio ambiente deve-se, principalmente, a actividades antropogénicas. Ao contrário do Cu e do Zn, que em baixas concentrações são essenciais para o normal funcionamento celular, não se conhece para o chumbo nenhuma função biológica. O chumbo apresenta efeitos tóxicos, e considerado possível agente carcinogéneo, sendo classificado como poluente prioritário pela Agencia de Protecção Ambiental dos EUA (US-EPA). O presente trabalho teve como objetivo avaliar o papel da glutationa e do vacúolo, como mecanismos de defesa, contra os efeitos tóxicos induzidos pelo chumbo, usando como modelo a levedura Saccharomyces cerevisiae. A levedura S. cerevisiae quando exposta a varias concentrações de chumbo, durante 3h, perde a viabilidade e acumula espécies reativas de oxigénio (ROS). O estudo comparativo da perda de viabilidade e acumulação de ROS em células de uma estirpe selvagem (WT) e de estirpes mutantes, incapazes de produzir glutationa devido a uma deficiência no gene GSH1 (gsh1) ou GSH2 (gsh2) mostrou que as estirpes gsh1 ou(gsh2 não apresentavam um aumento da sensibilidade ao efeito toxico do chumbo. No entanto, o tratamento de células da estirpe WT com iodoacetamida (um agente alquilante que induz a depleção de glutationa) aumentou a sensibilidade das células a presença de chumbo. Pelo contrário, o enriquecimento em GSH, através da incubação de células WT com glucose e uma mistura de aminoácidos que constituem a GSH (acido L-glutâmico, L-cisteína e glicina), reduziu o stress oxidativo e a perda de viabilidade induzida por chumbo. A importância do vacúolo, como mecanismo de defesa, foi avaliada através da utilização de um mutante sem qualquer estrutura vacuolar (vps16) ou de mutantes deficientes na subunidade catalítica A (vma1) ou B (vma2) ou no proteolítico - subunidade C (vma3) da V-ATPase. As células da estirpe ƒ´vps16 apresentaram uma elevada suscetibilidade a presença de chumbo. As células das estirpes deficientes na subunidade A, B ou c da V-ATPase, apresentaram uma maior perda de viabilidade, quando expostas a chumbo, do que as células da estirpe WT, mas menor do que a da estirpe vps16 Em conclusão, os resultados obtidos, no seu conjunto, sugerem que a glutationa esta envolvida na defesa contra a toxicidade provocada por chumbo; todavia, a glutationa, por si só, parece não ser suficiente para suster o stress oxidativo e a perda de viabilidade induzida por chumbo. O vacúolo parece constituir um importante mecanismo de defesa contra a toxicidade provocada por chumbo. A V-ATPase parece estar envolvida na compartimentação de chumbo no vacúolo.

Optimizing potentiometric ionophore and electrode design for environmental on-site control of antibiotic drugs: Application to sulfamethoxazole

Potentiometric sensors are typically unable to carry out on-site monitoring of environmental drug contaminants because of their high limits of detection (LODs). Designing a novel ligand material for the target analyte and managing the composition of the internal reference solution have been the strategies employed here to produce for the first time a potentiometric-based direct reading method for an environmental drug contaminant. This concept has been applied to sulfamethoxazole (SMX), one of the many antibiotics used in aquaculture practices that may occur in environmental waters. The novel ligand has been produced by imprinting SMX on the surface of graphitic carbon nanostructures (CN) < 500 nm. The imprinted carbon nanostructures (ICN) were dispersed in plasticizer and entrapped in a PVC matrix that included (or not) a small amount of a lipophilic additive. The membrane composition was optimized on solid-contact electrodes, allowing near-Nernstian responses down to 5.2 μg/mL and detecting 1.6 μg/mL. The membranes offered good selectivity against most of the ionic compounds in environmental water. The best membrane cocktail was applied on the smaller end of a 1000 μL micropipette tip made of polypropylene. The tip was then filled with inner reference solution containing SMX and chlorate (as interfering compound). The corresponding concentrations were studied for 1 × 10−5 to 1 × 10−10 and 1 × 10−3 to 1 × 10−8 mol/L. The best condition allowed the detection of 5.92 ng/L (or 2.3 × 10−8 mol/L) SMX for a sub-Nernstian slope of −40.3 mV/decade from 5.0 × 10−8 to 2.4 × 10−5 mol/L.