State Space Analysis of Forest Fires

This paper studies forest fires from the perspective of dynamical systems. Burnt area, precipitation and atmospheric temperatures are interpreted as state variables of a complex system and the correlations between them are investigated by means of different mathematical tools. First, we use mutual information to reveal potential relationships in the data. Second, we adopt the state space portrait to characterize the system’s behavior. Third, we compare the annual state space curves and we apply clustering and visualization tools to unveil long-range patterns. We use forest fire data for Portugal, covering the years 1980–2003. The territory is divided into two regions (North and South), characterized by different climates and vegetation. The adopted methodology represents a new viewpoint in the context of forest fires, shedding light on a complex phenomenon that needs to be better understood in order to mitigate its devastating consequences, at both economical and environmental levels.

Integer and Fractional Order Entropy Analysis of Earthquake Data-series

This paper studies the statistical distributions of worldwide earthquakes from year 1963 up to year 2012. A Cartesian grid, dividing Earth into geographic regions, is considered. Entropy and the Jensen–Shannon divergence are used to analyze and compare real-world data. Hierarchical clustering and multi-dimensional scaling techniques are adopted for data visualization. Entropy-based indices have the advantage of leading to a single parameter expressing the relationships between the seismic data. Classical and generalized (fractional) entropy and Jensen–Shannon divergence are tested. The generalized measures lead to a clear identification of patterns embedded in the data and contribute to better understand earthquake distributions.

Entropy Analysis of Industrial Accident Data Series

Complex industrial plants exhibit multiple interactions among smaller parts and with human operators. Failure in one part can propagate across subsystem boundaries causing a serious disaster. This paper analyzes the industrial accident data series in the perspective of dynamical systems. First, we process real world data and show that the statistics of the number of fatalities reveal features that are well described by power law (PL) distributions. For early years, the data reveal double PL behavior, while, for more recent time periods, a single PL fits better into the experimental data. Second, we analyze the entropy of the data series statistics over time. Third, we use the Kullback–Leibler divergence to compare the empirical data and multidimensional scaling (MDS) techniques for data analysis and visualization. Entropy-based analysis is adopted to assess complexity, having the advantage of yielding a single parameter to express relationships between the data. The classical and the generalized (fractional) entropy and Kullback–Leibler divergence are used. The generalized measures allow a clear identification of patterns embedded in the data.

Fractional Analysis of the DNA Information

Proceedings of the 12th Conference on 'Dynamical Systems -Theory and Applications'

Kinematic Manipulability of Robotic Systems

Many tasks involving manipulation require cooperation between robots. Meanwhile, it is necessary to determine the adequate values for the robot parameters to obtain a good performence. This paper discusses several aspects related with the manipulability of two co-operative robots when handling objects with different lengths and orientations. In this line of thought, a numerical tool is developed for the calculation and the graphical visualization of the manipulability measure.

Probabilistic Stereo Egomotion Transform

In this paper we propose a novel fully probabilistic solution to the stereo egomotion estimation problem. We extend the notion of probabilistic correspondence to the stereo case which allow us to compute the whole 6D motion information in a probabilistic way. We compare the developed approach against other known state-of-the-art methods for stereo egomotion estimation, and the obtained results compare favorably both for the linear and angular velocities estimation.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

Analysis of Natural and Artificial Phenomena Using Signal Processing and Fractional Calculus

In this paper we study several natural and man-made complex phenomena in the perspective of dynamical systems. For each class of phenomena, the system outputs are time-series records obtained in identical conditions. The time-series are viewed as manifestations of the system behavior and are processed for analyzing the system dynamics. First, we use the Fourier transform to process the data and we approximate the amplitude spectra by means of power law functions. We interpret the power law parameters as a phenomenological signature of the system dynamics. Second, we adopt the techniques of non-hierarchical clustering and multidimensional scaling to visualize hidden relationships between the complex phenomena. Third, we propose a vector field based analogy to interpret the patterns unveiled by the PL parameters.

Multidimensional Scalling Analysis of the World Economy During the Period 1972-2012

The last 40 years of the world economy are analyzed by means of computer visualization methods. Multidimensional scaling and the hierarchical clustering tree techniques are used. The current Western downturn in favor of Asian partners may still be reversed in the coming decades.

Visualizing control systems performance: A fractional perspective

This article presents a novel method for visualizing the control systems behavior. The proposed scheme uses the tools of fractional calculus and computes the signals propagating within the system structure as a time/frequency-space wave. Linear and nonlinear closed-loop control systems are analyzed, for both the time and frequency responses, under the action of a reference step input signal. Several nonlinearities, namely, Coulomb friction and backlash, are also tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed methodology as a visualization tool and motivate its extension for other systems and classes of nonlinearities.

Tutor Inteligente para o Ensino em Medicina

O objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de um protótipo que possibilita a adaptação do conteúdo disponibilizado de acordo com as características pessoais e psicológicas do aluno, aplicado no ensino da Medicina, nomeadamente na componente de Desenho de Estudos da disciplina de Introdução à Medicina. Para o protótipo desenvolvido foi definida uma arquitectura constituída por três componentes: um Modelo de Aluno que engloba as características pessoais e psicológicas do aluno, um Modelo de Domínio constituído por um grafo de conceitos e um Modelo Pedagógico formado pelas regras de adaptação e mecanismos de interação utilizados para obter uma solução adaptativa. Os diferentes componentes desenvolvidos para este protótipo permitem que este apresente as seguintes funcionalidades: Acesso ao conceito adequado, tendo em consideração o nível de conhecimento do aluno; Visualização de conte udos adequados ao estilo de aprendizagem do aluno; Adaptação do percurso do aluno de acordo com os resultados obtidos; Atualização das preferências de aprendizagem, com base no comportamento demonstrado pelo aluno na interação com o sistema. A primeira versão da ferramenta j a foi implementada. No entanto ainda será realizada a avaliação do protótipo em ambiente de aprendizagem, com a maior brevidade possível.

Um estudo sobre geometria no 1.º ciclo: simetria em figuras planas

Este estudo insere-se no âmbito da Geometria e pretende compreender a influência dos recursos didáticos utilizados no reconhecimento de propriedades e relações geométricas em figuras planas. De acordo com o objetivo do estudo formulamos duas questões orientadoras que se articulam entre si. - Que fragilidades apresentam os alunos, no reconhecimento de propriedades geométricas em figuras planas? - Que contributos resultam da utilização de materiais manipuláveis, na visualização espacial e investigação de propriedades geométricas? Com este estudo pretendemos reunir informação que contribua para aprofundar o conhecimento sobre o raciocínio geométrico dos alunos. Em termos metodológicos segue um método de investigação misto, com recolha de informação qualitativa de natureza interpretativa e quantitativa, na modalidade de estudo de caso. A recolha de dados foi realizada numa turma de 4.º ano do ensino básico onde foi desenvolvida a experiência didática. A informação recolhida resultou da observação direta e as fontes dos dados foram as produções dos alunos, as notas de campo, registos fotográficos, vídeo e áudio. A docente assumiu o papel de investigadora e orientadora das tarefas propostas aos alunos tendo estes desempenhado um papel ativo na construção do seu próprio conhecimento. Os resultados obtidos permitem evidenciar as fragilidades dos alunos no reconhecimento de propriedades geométricas de figuras planas em diferentes posições. Destacam ainda os contributos da utilização da Mira e do Tangram, no estudo da simetria e no desenvolvimento da visualização espacial para a concretização de aprendizagens concretas, motivadoras e significativas.

Produção Sustentável em BT- Análise de Características de Contadores Inteligentes

A crescente necessidade de reduzir a dependência energética e a emissão de gases de efeito de estufa levou à adoção de uma série de políticas a nível europeu com vista a aumentar a eficiência energética e nível de controlo de equipamentos, reduzir o consumo e aumentar a percentagem de energia produzida a partir de fontes renováveis. Estas medidas levaram ao desenvolvimento de duas situações críticas para o setor elétrico: a substituição das cargas lineares tradicionais, pouco eficientes, por cargas não-lineares mais eficientes e o aparecimento da produção distribuída de energia a partir de fontes renováveis. Embora apresentem vantagens bem documentadas, ambas as situações podem afetar negativamente a qualidade de energia elétrica na rede de distribuição, principalmente na rede de baixa tensão onde é feita a ligação com a maior parte dos clientes e onde se encontram as cargas não-lineares e a ligação às fontes de energia descentralizadas. Isto significa que a monitorização da qualidade de energia tem, atualmente, uma importância acrescida devido aos custos relacionados com perdas inerentes à falta de qualidade de energia elétrica na rede e à necessidade de verificar que determinados parâmetros relacionados com a qualidade de energia elétrica se encontram dentro dos limites previstos nas normas e nos contratos com clientes de forma a evitar disputas ou reclamações. Neste sentido, a rede de distribuição tem vindo a sofrer alterações a nível das subestações e dos postos de transformação que visam aumentar a visibilidade da qualidade de energia na rede em tempo real. No entanto, estas medidas só permitem monitorizar a qualidade de energia até aos postos de transformação de média para baixa tensão, não revelando o estado real da qualidade de energia nos pontos de entrega ao cliente. A monitorização nestes pontos é feita periodicamente e não em tempo real, ficando aquém do necessário para assegurar a deteção correta de problemas de qualidade de energia no lado do consumidor. De facto, a metodologia de monitorização utilizada atualmente envolve o envio de técnicos ao local onde surgiu uma reclamação ou a um ponto de medição previsto para instalar um analisador de energia que permanece na instalação durante um determinado período de tempo. Este tipo de monitorização à posteriori impossibilita desde logo a deteção do problema de qualidade de energia que levou à reclamação, caso não se trate de um problema contínuo. Na melhor situação, o aparelho poderá detetar uma réplica do evento, mas a larga percentagem anomalias ficam fora deste processo por serem extemporâneas. De facto, para detetar o evento que deu origem ao problema é necessário monitorizar permanentemente a qualidade de energia. No entanto este método de monitorização implica a instalação permanente de equipamentos e não é viável do ponto de vista das empresas de distribuição de energia já que os equipamentos têm custos demasiado elevados e implicam a necessidade de espaços maiores nos pontos de entrega para conter os equipamentos e o contador elétrico. Uma alternativa possível que pode tornar viável a monitorização permanente da qualidade de energia consiste na introdução de uma funcionalidade de monitorização nos contadores de energia de determinados pontos da rede de distribuição. Os contadores são obrigatórios em todas as instalações ligadas à rede, para efeitos de faturação. Tradicionalmente estes contadores são eletromecânicos e recentemente começaram a ser substituídos por contadores inteligentes (smart meters), de natureza eletrónica, que para além de fazer a contagem de energia permitem a recolha de informação sobre outros parâmetros e aplicação de uma serie de funcionalidades pelo operador de rede de distribuição devido às suas capacidades de comunicação. A reutilização deste equipamento com finalidade de analisar a qualidade da energia junto dos pontos de entrega surge assim como uma forma privilegiada dado que se trata essencialmente de explorar algumas das suas características adicionais. Este trabalho tem como objetivo analisar a possibilidade descrita de monitorizar a qualidade de energia elétrica de forma permanente no ponto de entrega ao cliente através da utilização do contador elétrico do mesmo e elaborar um conjunto de requisitos para o contador tendo em conta a normalização aplicável, as características dos equipamentos utilizados atualmente pelo operador de rede e as necessidades do sistema elétrico relativamente à monitorização de qualidade de energia.

Desenho e desenvolvimento de um Sistema de Informação em Oracle ADF

Um Sistema de Informação consiste num sistema capaz de armazenar, organizar e estruturar dados para ajudar a responder às necessidades das empresas, passando também pela capacidade de resposta às questões diárias das empresas. Assim, um Sistema de Informação pode ser definido como o software que ajuda a organizar e analisar dados, tendo como objetivo fornecer informação útil na altura certa para que possa ser utilizada para a tomada de decisões ou para uma gestão mais eficiente dos diversos fluxos que uma empresa pode conter. Neste sentido, o projeto apresentado centra-se no desenho e construção de um Sistema de Informação capaz de gerir o negócio de uma empresa do setor alimentar, mais propriamente do setor da transformação de carnes. Foi desenvolvido em Oracle ADF, de forma a aproveitar as vantagens inerentes à tecnologia e ao desenvolvimento web. Sendo uma tecnologia relativamente nova no mercado e dominada por poucos, a sua utilização neste momento pode tornar-se uma grande vantagem. Para o desenvolvimento da aplicação foi realizado o levantamento e análise de requisitos, foi criada a base de dados capaz de suportar o funcionamento do software e desenvolvido um sistema de login, capaz de gerir as sessões de cada utilizador. Foi implementado um processo de introdução e edição de informação, nomeadamente o registo de entradas, transformações e saídas. Contemplou-se também uma secção com dados mestre da empresa com a possibilidade de inserção, atualização e/ou remoção. Além disso, foram incorporadas validações em todos os processos que são usados pelos utilizadores, de modo a evitar a existência de dados incoerentes ou duplicados. Relativamente à lógica de negócio, foi embutida na aplicação de forma a permitir consultar a informação de forma clara, rápida e em diversos lugares, reduzindo tempo e tarefas ao colaborador/utilizador, visto que os processos foram automatizados. Com a implementação deste Sistema de Informação, a empresa pode usufruir de um sistema integrado capaz de gerir e controlar todo o seu processo produtivo, reduzindo custos e desperdícios, aumentando a produtividade e eficiência.

Classificação de sons urbanos usando motifs e MFCC

A classificação automática de sons urbanos é importante para o monitoramento ambiental. Este trabalho apresenta uma nova metodologia para classificar sons urbanos, que se baseia na descoberta de padrões frequentes (motifs) nos sinais sonoros e utiliza-los como atributos para a classificação. Para extrair os motifs é utilizado um método de descoberta multi-resolução baseada em SAX. Para a classificação são usadas árvores de decisão e SVMs. Esta nova metodologia é comparada com outra bastante utilizada baseada em MFCC. Para a realização de experiências foi utilizado o dataset UrbanSound disponível publicamente. Realizadas as experiências, foi possível concluir que os atributos motif são melhores que os MFCC a discriminar sons com timbres semelhantes e que os melhores resultados são conseguidos com ambos os tipos de atributos combinados. Neste trabalho foi também desenvolvida uma aplicação móvel para Android que permite utilizar os métodos de classificação desenvolvidos num contexto de vida real e expandir o dataset.