Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Automatic email organization

Introdução Actualmente, as mensagens electrónicas são consideradas um importante meio de comunicação. As mensagens electrónicas – vulgarmente conhecidas como emails – são utilizadas fácil e frequentemente para enviar e receber o mais variado tipo de informação. O seu uso tem diversos fins gerando diariamente um grande número de mensagens e, consequentemente um enorme volume de informação. Este grande volume de informação requer uma constante manipulação das mensagens de forma a manter o conjunto organizado. Tipicamente esta manipulação consiste em organizar as mensagens numa taxonomia. A taxonomia adoptada reflecte os interesses e as preferências particulares do utilizador. Motivação A organização manual de emails é uma actividade morosa e que consome tempo. A optimização deste processo através da implementação de um método automático, tende a melhorar a satisfação do utilizador. Cada vez mais existe a necessidade de encontrar novas soluções para a manipulação de conteúdo digital poupando esforços e custos ao utilizador; esta necessidade, concretamente no âmbito da manipulação de emails, motivou a realização deste trabalho. Hipótese O objectivo principal deste projecto consiste em permitir a organização ad-hoc de emails com um esforço reduzido por parte do utilizador. A metodologia proposta visa organizar os emails num conjunto de categorias, disjuntas, que reflectem as preferências do utilizador. A principal finalidade deste processo é produzir uma organização onde as mensagens sejam classificadas em classes apropriadas requerendo o mínimo número esforço possível por parte do utilizador. Para alcançar os objectivos estipulados, este projecto recorre a técnicas de mineração de texto, em especial categorização automática de texto, e aprendizagem activa. Para reduzir a necessidade de inquirir o utilizador – para etiquetar exemplos de acordo com as categorias desejadas – foi utilizado o algoritmo d-confidence. Processo de organização automática de emails O processo de organizar automaticamente emails é desenvolvido em três fases distintas: indexação, classificação e avaliação. Na primeira fase, fase de indexação, os emails passam por um processo transformativo de limpeza que visa essencialmente gerar uma representação dos emails adequada ao processamento automático. A segunda fase é a fase de classificação. Esta fase recorre ao conjunto de dados resultantes da fase anterior para produzir um modelo de classificação, aplicando-o posteriormente a novos emails. Partindo de uma matriz onde são representados emails, termos e os seus respectivos pesos, e um conjunto de exemplos classificados manualmente, um classificador é gerado a partir de um processo de aprendizagem. O classificador obtido é então aplicado ao conjunto de emails e a classificação de todos os emails é alcançada. O processo de classificação é feito com base num classificador de máquinas de vectores de suporte recorrendo ao algoritmo de aprendizagem activa d-confidence. O algoritmo d-confidence tem como objectivo propor ao utilizador os exemplos mais significativos para etiquetagem. Ao identificar os emails com informação mais relevante para o processo de aprendizagem, diminui-se o número de iterações e consequentemente o esforço exigido por parte dos utilizadores. A terceira e última fase é a fase de avaliação. Nesta fase a performance do processo de classificação e a eficiência do algoritmo d-confidence são avaliadas. O método de avaliação adoptado é o método de validação cruzada denominado 10-fold cross validation. Conclusões O processo de organização automática de emails foi desenvolvido com sucesso, a performance do classificador gerado e do algoritmo d-confidence foi relativamente boa. Em média as categorias apresentam taxas de erro relativamente baixas, a não ser as classes mais genéricas. O esforço exigido pelo utilizador foi reduzido, já que com a utilização do algoritmo d-confidence obteve-se uma taxa de erro próxima do valor final, mesmo com um número de casos etiquetados abaixo daquele que é requerido por um método supervisionado. É importante salientar, que além do processo automático de organização de emails, este projecto foi uma excelente oportunidade para adquirir conhecimento consistente sobre mineração de texto e sobre os processos de classificação automática e recuperação de informação. O estudo de áreas tão interessantes despertou novos interesses que consistem em verdadeiros desafios futuros.

Sustainable blended-learning in HEI: developing and implementing multi-level interventions

This chapter aims to demonstrate how PAOL - Unit for Innovation in Education, a project from ISCAP - School of Accounting and Administration of Oporto ....

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Multi-criteria design optimization study of solvent extraction in mixer–settler units

Solvent extraction is considered as a multi-criteria optimization problem, since several chemical species with similar extraction kinetic properties are frequently present in the aqueous phase and the selective extraction is not practicable. This optimization, applied to mixer–settler units, considers the best parameters and operating conditions, as well as the best structure or process flow-sheet. Global process optimization is performed for a specific flow-sheet and a comparison of Pareto curves for different flow-sheets is made. The positive weight sum approach linked to the sequential quadratic programming method is used to obtain the Pareto set. In all investigated structures, recovery increases with hold-up, residence time and agitation speed, while the purity has an opposite behaviour. For the same treatment capacity, counter-current arrangements are shown to promote recovery without significant impairment in purity. Recycling the aqueous phase is shown to be irrelevant, but organic recycling with as many stages as economically feasible clearly improves the design criteria and reduces the most efficient organic flow-rate.

Entropy diversity in multi-objective particle swarm optimization

Multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) is a search algorithm based on social behavior. Most of the existing multi-objective particle swarm optimization schemes are based on Pareto optimality and aim to obtain a representative non-dominated Pareto front for a given problem. Several approaches have been proposed to study the convergence and performance of the algorithm, particularly by accessing the final results. In the present paper, a different approach is proposed, by using Shannon entropy to analyzethe MOPSO dynamics along the algorithm execution. The results indicate that Shannon entropy can be used as an indicator of diversity and convergence for MOPSO problems.

Melhoria do planeamento programação e controlo de produção (ppcp) de uma empresa de calçado

Atualmente o sistema produtivo do tipo job shop é muito comum nas PMEs (Pequenas e Médias Empresas). Estas empresas trabalham por encomenda. Produzem grande variedade de modelos, e em pequenas quantidades. Os prazos de entrega são um fator de elevada importância, pois os clientes exigem um produto de qualidade no tempo certo. O presente trabalho, pretende criar uma ferramenta de programação da produção para a secção da costura, usando dados reais da empresa, que tem uma implantação do tipo job shop com máquinas multi-operação (Multi-Purpose -Machines Job Shop). No final, são reunidas as principais conclusões e perspetivados futuros desenvolvimentos. Os resultados obtidos comprovam que o algoritmo desenvolvido, com base no algoritmo de Giffler & Thompson, consegue obter com grande precisão e de forma rápida o escalonamento / balanceamento da secção da costura. Com a ferramenta criada, a empresa otimiza a programação da secção da costura e fornece informação importante á gestão da produção, possibilitando uma melhoria do planeamento da empresa.

Biosensor based on multi-walled carbon nanotubes paste electrode modified with laccase for pirimicarb pesticide quantification

This study focused on the development of a sensitive enzymatic biosensor for the determination of pirimicarb pesticide based on the immobilization of laccase on composite carbon paste electrodes. Multi- walled carbon nanotubes(MWCNTs)paste electrode modified by dispersion of laccase(3%,w/w) within the optimum composite matrix(60:40%,w/w,MWCNTs and paraffin binder)showed the best performance, with excellent electron transfer kinetic and catalytic effects related to the redox process of the substrate4- aminophenol. No metal or anti-interference membrane was added. Based on the inhibition of laccase activity, pirimicarb can be determined in the range 9.90 ×10- 7 to 1.15 ×10- 5 molL 1 using 4- aminophenol as substrate at the optimum pH of 5.0, with acceptable repeatability and reproducibility (relative standard deviations lower than 5%).The limit of detection obtained was 1.8 × 10-7 molL 1 (0.04 mgkg 1 on a fresh weight vegetable basis).The high activity and catalytic properties of the laccase- based biosensor are retained during ca. one month. The optimized electroanalytical protocol coupled to the QuEChERS methodology were applied to tomato and lettuce samples spiked at three levels; recoveries ranging from 91.0±0.1% to 101.0 ± 0.3% were attained. No significant effects in the pirimicarb electro- analysis were observed by the presence of pro-vitamin A, vitamins B1 and C,and glucose in the vegetable extracts. The proposed biosensor- based pesticide residue methodology fulfills all requisites to be used in implementation of food safety programs.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

Multi-μ: an Ada 95 based architecture for fault tolerance support of real-time systems

This paper presents an architecture (Multi-μ) being implemented to study and develop software based fault tolerant mechanisms for Real-Time Systems, using the Ada language (Ada 95) and Commercial Off-The-Shelf (COTS) components. Several issues regarding fault tolerance are presented and mechanisms to achieve fault tolerance by software active replication in Ada 95 are discussed. The Multi-μ architecture, based on a specifically proposed Fault Tolerance Manager (FTManager), is then described. Finally, some considerations are made about the work being done and essential future developments.

Energy-conscious tasks partitioning onto a heterogeneous multi-core platform

Modern multicore processors for the embedded market are often heterogeneous in nature. One feature often available are multiple sleep states with varying transition cost for entering and leaving said sleep states. This research effort explores the energy efficient task-mapping on such a heterogeneous multicore platform to reduce overall energy consumption of the system. This is performed in the context of a partitioned scheduling approach and a very realistic power model, which improves over some of the simplifying assumptions often made in the state-of-the-art. The developed heuristic consists of two phases, in the first phase, tasks are allocated to minimise their active energy consumption, while the second phase trades off a higher active energy consumption for an increased ability to exploit savings through more efficient sleep states. Extensive simulations demonstrate the effectiveness of the approach.

Complex evolution of a multi-particle system

This paper studies a discrete dynamical system of interacting particles that evolve by interacting among them. The computational model is an abstraction of the natural world, and real systems can range from the huge cosmological scale down to the scale of biological cell, or even molecules. Different conditions for the system evolution are tested. The emerging patterns are analysed by means of fractal dimension and entropy measures. It is observed that the population of particles evolves towards geometrical objects with a fractal nature. Moreover, the time signature of the entropy can be interpreted at the light of complex dynamical systems.

Dynamical behaviour of multi-particle large-scale systems

Collective behaviours can be observed in both natural and man-made systems composed of a large number of elemental subsystems. Typically, each elemental subsystem has its own dynamics but, whenever interaction between individuals occurs, the individual behaviours tend to be relaxed, and collective behaviours emerge. In this paper, the collective behaviour of a large-scale system composed of several coupled elemental particles is analysed. The dynamics of the particles are governed by the same type of equations but having different parameter values and initial conditions. Coupling between particles is based on statistical feedback, which means that each particle is affected by the average behaviour of its neighbours. It is shown that the global system may unveil several types of collective behaviours, corresponding to partial synchronisation, characterised by the existence of several clusters of synchronised subsystems, and global synchronisation between particles, where all the elemental particles synchronise completely.

A multi-objective approach for the motion planning of redundant manipulators

Kinematic redundancy occurs when a manipulator possesses more degrees of freedom than those required to execute a given task. Several kinematic techniques for redundant manipulators control the gripper through the pseudo-inverse of the Jacobian, but lead to a kind of chaotic inner motion with unpredictable arm configurations. Such algorithms are not easy to adapt to optimization schemes and, moreover, often there are multiple optimization objectives that can conflict between them. Unlike single optimization, where one attempts to find the best solution, in multi-objective optimization there is no single solution that is optimum with respect to all indices. Therefore, trajectory planning of redundant robots remains an important area of research and more efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics of redundant manipulators, using a multi-objective genetic algorithm. This scheme combines the closed-loop pseudo-inverse method with a multi-objective genetic algorithm to control the joint positions. Simulations for manipulators with three or four rotational joints, considering the optimization of two objectives in a workspace without and with obstacles are developed. The results reveal that it is possible to choose several solutions from the Pareto optimal front according to the importance of each individual objective.

Towards real multi-criticality scheduling

Componentised systems, in particular those with fault confinement through address spaces, are currently emerging as a hot topic in embedded systems research. This paper extends the unified rate-based scheduling framework RBED in several dimensions to fit the requirements of such systems: we have removed the requirement that the deadline of a task is equal to its period. The introduction of inter-process communication reflects the need to communicate. Additionally we also discuss server tasks, budget replenishment and the low level details needed to deal with the physical reality of systems. While a number of these issues have been studied in previous work in isolation, we focus on the problems discovered and lessons learned when integrating solutions. We report on our experiences implementing the proposed mechanisms in a commercial grade OKL4 microkernel as well as an application with soft real-time and best-effort tasks on top of it.