Híper-heurísticas com aprendizagem

A otimização nos sistemas de suporte à decisão atuais assume um carácter fortemente interdisciplinar relacionando-se com a necessidade de integração de diferentes técnicas e paradigmas na resolução de problemas reais complexos, sendo que a computação de soluções ótimas em muitos destes problemas é intratável. Os métodos de pesquisa heurística são conhecidos por permitir obter bons resultados num intervalo temporal aceitável. Muitas vezes, necessitam que a parametrização seja ajustada de forma a permitir obter bons resultados. Neste sentido, as estratégias de aprendizagem podem incrementar o desempenho de um sistema, dotando-o com a capacidade de aprendizagem, por exemplo, qual a técnica de otimização mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização mais adequada de um dado algoritmo num determinado cenário. Alguns dos métodos de otimização mais usados para a resolução de problemas do mundo real resultaram da adaptação de ideias de várias áreas de investigação, principalmente com inspiração na natureza - Meta-heurísticas. O processo de seleção de uma Meta-heurística para a resolução de um dado problema é em si um problema de otimização. As Híper-heurísticas surgem neste contexto como metodologias eficientes para selecionar ou gerar heurísticas (ou Meta-heurísticas) na resolução de problemas de otimização NP-difícil. Nesta dissertação pretende-se dar uma contribuição para o problema de seleção de Metaheurísticas respetiva parametrização. Neste sentido é descrita a especificação de uma Híperheurística para a seleção de técnicas baseadas na natureza, na resolução do problema de escalonamento de tarefas em sistemas de fabrico, com base em experiência anterior. O módulo de Híper-heurística desenvolvido utiliza um algoritmo de aprendizagem por reforço (QLearning), que permite dotar o sistema da capacidade de seleção automática da Metaheurística a usar no processo de otimização, assim como a respetiva parametrização. Finalmente, procede-se à realização de testes computacionais para avaliar a influência da Híper- Heurística no desempenho do sistema de escalonamento AutoDynAgents. Como conclusão genérica, é possível afirmar que, dos resultados obtidos é possível concluir existir vantagem significativa no desempenho do sistema quando introduzida a Híper-heurística baseada em QLearning.

Caracterização do transporte intermodal de cargas na zona norte de Portugal

Dissertação apresentada ao Instituto Politécnico do Porto para obtenção do Grau de Mestre em Logística Orientado pela professora Doutora Maria Teresa Ribeiro Pereira Esta dissertação não inclui as críticas e sugestões feitas pelo Júri.

CDIO and the European Project Semester: a match for capstone projects?

The CDIO Initiative is an open innovative educational framework for engineering graduation degrees set in the context of Conceiving – Designing – Implementing – Operating real-world systems and products, which is embraced by a network of worldwide universities, the CDIO collaborators. A CDIO compliant engineering degree programme typically includes a capstone module on the final semester. Its purpose is to expose students to problems of a greater dimension and complexity than those faced throughout the degree programme as well as to put them in contact with the so-called real world, in opposition to the academic world. However, even in the CDIO context, there are barriers that separate engineering capstone students from the real world context of an engineering professional: (i) limited interaction with experts from diverse scientific areas; (ii) reduced cultural and scientific diversity within the teams; and (iii) lack of a project supportive framework to foster the complementary technical and non-technical skills required in an engineering professional. To address these shortcomings, we propose the adoption of the European Project Semester (EPS) framework, a one semester student centred international capstone programme offered by a group of European engineering schools (the EPS Providers) as part of their student exchange programme portfolio. The EPS package is organised around a central module – the EPS project – and a set of complementary supportive modules. Project proposals refer to open multidisciplinary real world problems and supervision becomes coaching. The students are organised in teams, grouping individuals from diverse academic backgrounds and nationalities, and each team is fully responsible for conducting its project. EPS complies with the CDIO directives on Design-Implement experiences and provides an integrated framework for undertaking capstone projects, which is focussed on multicultural and multidisciplinary teamwork, problem-solving, communication, creativity, leadership, entrepreneurship, ethical reasoning and global contextual analysis. As a result, we recommend the adoption of the EPS within CDIO capstone modules for the benefit of engineering students.

Matemática na hora do conto

Este artigo procura realçar que, através da conexão entre a literatura e a matemática, se podem criar situações em que as crianças abordem conceitos matemáticos de uma forma significativa permitindo que as habilidades matemáticas e as de linguagem se desenvolvam em conjunto. Uma das formas mais significativas de se construir conhecimento matemático é resolver problemas e desafios, tão comuns nos contos infantis. Apresentamos duas situações, que se enquadram nesta perspetiva pedagógica. Em ambas as situações foi usado um conto como ponto de partida para a construção de atividades matemáticas e tendo presente uma visão construtivista do ensino da matemática.

Gestão de Obras: Aplicação prática em ambiente empresarial

O presente Relatório de estágio enquadra-se no âmbito da disciplina de Dissertação / Projeto / Estágio, do Curso de Mestrado em Engenharia Civil, do Instituto Superior de Engenharia do Porto subordinado ao tema “Gestão de Obras: Aplicação prática em ambiente empresarial”. O estágio foi realizado na empresa NEGRO S.A., empresa que atua no mercado Francês, no sector da construção civil no âmbito de obras públicas e privadas. Foi com grande satisfação que o estagiário abraçou esta oportunidade de poder realizar um estágio neste setor da engenharia civil, integrando uma equipa de trabalho com uma ampla experiência no mercado. Foi igualmente gratificante poder aplicar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso e enriquecedor adquirir novas competências, através da resolução das dificuldades ocorridas no dia-a-dia durante o estágio. Considera-se assim esta experiencia como uma mais-valia para ingressar com êxito na futura vida profissional. Este documento descreve essencialmente as tarefas realizadas ao longo do estágio. Estas tarefas foram executadas recorrendo aos conhecimentos adquiridos durante a formação académica, nomeadamente no que se refere a planeamento, qualidade, gestão de obra e segurança e saúde no trabalho e com finalidade de alcançar os seguintes objetivos: - Proporcionar a integração do aluno no ambiente empresarial, realizando as atividades planeadas; - Propiciar a aplicação dos conhecimentos e competências adquiridas ao longo do curso, utilizando os casos reais durante o estágio; - Resolver problemas concretos de engenharia civil em meio profissional e empresarial; - Proceder a recolha de informação com vista a resolução dos problemas que surgem ao longo do estágio; - Analisar as situações que surgem durante a realização do estágio, estabelecendo conclusões; - Desenvolver metodologias aplicáveis no contexto do estágio; - Recolher dados e interpretar os mesmos no contexto do estágio; - Estabelecer conclusões sobre as experiências vividas durante o estágio; - Analisar o impacto do trabalho realizado na instituição de acolhimento.

Selection Constructive based Hyper-heuristic for Dynamic Scheduling

A função de escalonamento desempenha um papel importante nos sistemas de produção. Os sistemas de escalonamento têm como objetivo gerar um plano de escalonamento que permite gerir de uma forma eficiente um conjunto de tarefas que necessitam de ser executadas no mesmo período de tempo pelos mesmos recursos. Contudo, adaptação dinâmica e otimização é uma necessidade crítica em sistemas de escalonamento, uma vez que as organizações de produção têm uma natureza dinâmica. Nestas organizações ocorrem distúrbios nas condições requisitos de trabalho regularmente e de forma inesperada. Alguns exemplos destes distúrbios são: surgimento de uma nova tarefa, cancelamento de uma tarefa, alteração na data de entrega, entre outros. Estes eventos dinâmicos devem ser tidos em conta, uma vez que podem influenciar o plano criado, tornando-o ineficiente. Portanto, ambientes de produção necessitam de resposta imediata para estes eventos, usando um método de reescalonamento em tempo real, para minimizar o efeito destes eventos dinâmicos no sistema de produção. Deste modo, os sistemas de escalonamento devem de uma forma automática e inteligente, ser capazes de adaptar o plano de escalonamento que a organização está a seguir aos eventos inesperados em tempo real. Esta dissertação aborda o problema de incorporar novas tarefas num plano de escalonamento já existente. Deste modo, é proposta uma abordagem de otimização – Hiper-heurística baseada em Seleção Construtiva para Escalonamento Dinâmico- para lidar com eventos dinâmicos que podem ocorrer num ambiente de produção, a fim de manter o plano de escalonamento, o mais robusto possível. Esta abordagem é inspirada em computação evolutiva e hiper-heurísticas. Do estudo computacional realizado foi possível concluir que o uso da hiper-heurística de seleção construtiva pode ser vantajoso na resolução de problemas de otimização de adaptação dinâmica.

Resolução do problema de atribuição de salas a exames

Este trabalho pretende resolver o problema das alocações de salas a exames no Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior de Engenharia do Porto. A solução desenvolvida atribui salas a exames respeitando as restrições de capacidade de salas e a restrição de realização dum único exame por sala num determinado período, por forma a minimizar a atribuição de salas e, consequentemente, docentes a exames. Foi criado um modelo matemático, que representa as variáveis relevantes do problema, e realiza a sua implementação numa plataforma informática amigável para o utilizador. O modelo matemático foi validado comparando as suas soluções com as obtidas através do processo manual. Os resultados do novo método demonstram a sua supremacia relativamente ao modelo atual. No futuro, poderá ser estudada a possibilidade de usar esta ferramenta na resolução do mesmo problema em realidades diferentes da do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP.

Development of Biomimetic Robots in the EPS Engineering Programme Capstone Project

This paper proposes the development of biologically inspired robots as the capstone project of the European Project Semester (EPS) framework. EPS is a one semester student centred international programme offered by a group of European engineering schools (EPS Providers) as part of their student exchange programme portfolio. EPS is organized around a central module (the EPS project) and a set of complementary supportive modules. Project proposals refer to open multidisciplinary real world problems. Its purpose is to expose students to problems of a greater dimension and complexity than those faced throughout the degree programme as well as to put them in contact with the socalled real world, in opposition to the academic world. Students are organized in teams, grouping individuals from diverse academic backgrounds and nationalities, and each team is fully responsible for conducting its project. EPS provides an integrated framework for undertaking capstone projects, which is focused on multicultural and multidisciplinary teamwork, communication, problem-solving, creativity, leadership, entrepreneurship, ethical reasoning and global contextual analysis. The design and development of biologically inspired robots allows the students to fulfil the previously described requirements and objectives and, as a result, we recommend the adoption of these projects within the EPS project capstone module for the benefit of engineering students.

Efficient Legendre spectral tau algorithm for solving two-sided space-time Caputo fractional advection-dispersion equation

In this paper we present the operational matrices of the left Caputo fractional derivative, right Caputo fractional derivative and Riemann–Liouville fractional integral for shifted Legendre polynomials. We develop an accurate numerical algorithm to solve the two-sided space–time fractional advection–dispersion equation (FADE) based on a spectral shifted Legendre tau (SLT) method in combination with the derived shifted Legendre operational matrices. The fractional derivatives are described in the Caputo sense. We propose a spectral SLT method, both in temporal and spatial discretizations for the two-sided space–time FADE. This technique reduces the two-sided space–time FADE to a system of algebraic equations that simplifies the problem. Numerical results carried out to confirm the spectral accuracy and efficiency of the proposed algorithm. By selecting relatively few Legendre polynomial degrees, we are able to get very accurate approximations, demonstrating the utility of the new approach over other numerical methods.

Impacto Ambiental do Processo de Tingimento de uma Indústria de Curtumes e Avaliação do Desempenho da ETAR

Um dos objetivos desta dissertação de mestrado foi avaliar o impacto ambiental do processo de tingimento usado na indústria de curtumes, em termos de volume de efluente produzido e sua carga poluente. Pretendeu-se também encontrar alternativas ao nível do processo de tingimento que levem a uma melhoria na qualidade do efluente produzido. Outro objetivo deste trabalho foi avaliar o funcionamento da ETAR existente na empresa JR Fontes, no que diz respeito aos parâmetros em estudo (carência química de oxigénio - CQO, pH, crómio e teor de sólidos suspensos totais - SST), propondo alterações que permitam respeitar os valores de emissão exigidos na licença de descarga da empresa. Verificou-se que o processo de tingimento aplicado pela empresa JR Fontes é muito poluente, em termos de carga orgânica e matéria em suspensão. Este facto é comprovado pelos resultados obtidos para os três processos estudados: Montana, Galáctico e Navak. Todos os processos apresentam um efluente com pH ácido (aproximado a 3) e valores de CQO superiores a 3550 mg O2/L, sendo o processo Navak aquele que apresenta o valor mais alto para o banho composto, 8362 mg O2/L. Relativamente ao teor de crómio, o banho de recurtume com concentração mais elevada de crómio total é o banho 1 do processo Navak, com 2297 mg/L, sendo que a concentração destes banhos é sempre elevada, igual ou superior a 746 mg/L. No que diz respeito à matéria em suspensão, o processo Navak é novamente o mais poluente, com um valor de 3842 mg SST/L, não sendo obtidos nos outros processos, valores inferiores a 1205 mg SST/L. Na realização de um processo alternativo de tingimento verificou-se que é possível diminuir a carga orgânica do efluente originado. A aplicação de recurtumes sintéticos deu origem a efluentes menos poluentes. O melhor valor obtido para a CQO foi de 1113 mg O2/L, sendo obtidos valores não superiores a 7185 mg O2/L para processos de características semelhantes aos aplicados nesta indústria. Relativamente à ETAR, apesar das restrições ao funcionamento que esta apresenta, no geral pode ser considerada eficiente, embora não consiga atingir o objetivo pretendido de remoção para a CQO, ou seja o valor de 1100 mg O2/L. Nos restantes parâmetros é cumprido o limite de emissão (350 mg SST/L, pH entre 6 e 9 e 2 mg Cr/L para o crómio total): os SST apresentam o valor de 98 mg SST/L, o crómio total de 1,2 mg Cr/L e o pH encontra-se entre 8 e 9. São aqui feitas duas abordagens para solucionar os problemas existentes na ETAR. A primeira considera um ajuste no tratamento e equipamentos existentes, através da reconstrução do tanque de equalização, da substituição do coagulante por sulfato ferroso e da reconstrução do sedimentador, assim como a substituição das tubagens por umas de maior diâmetro, solucionando assim problemas de manutenção de toda a instalação e do incumprimento da legislação. A outra abordagem implica a substituição do sistema de afinação existente, os filtros de areia e carvão ativados, por um sistema de membranas de ultrafiltração ou por dois filtros de carvão ativado. Para tratar um efluente com um valor de CQO de 3000 mg O2/L com o carvão estudado, seriam necessários 132 kg de carvão por coluna, aproveitando-se os equipamentos existentes. No caso das membranas filtrantes, estas são eficazes, reduzindo a CQO em cerca de 70%. Ao contrário do carvão, a aplicação deste sistema implicaria a aquisição de novos equipamentos. Futuramente propõe-se a avaliação dos vários tipos de reagentes usados no tingimento de couro de forma a aplicar no tratamento aqueles que produzam as características desejadas no produto final e a que apresentem um menor resultado de CQO. Propõe-se também o estudo de viabilidade da remoção de crómio dos banhos de recurtume e consequente avaliação da aplicabilidade de um tratamento biológico em substituição ou como complemento do tratamento existente.

Measures in Sectorization Problems

Sectorization means dividing a whole into parts (sectors), a procedure that occurs in many contexts and applications, usually to achieve some goal or to facilitate an activity. The objective may be a better organization or simplification of a large problem into smaller sub-problems. Examples of applications are political districting and sales territory division. When designing/comparing sectors some characteristics such as contiguity, equilibrium and compactness are usually considered. This paper presents and describes new generic measures and proposes a new measure, desirability, connected with the idea of preference.

Algoritmo genético para empacotamento de contentores

No âmbito da investigação operacional o problema de empacotamento de contentores é conhecido por procurar definir uma configuração de carga, de forma a otimizar a utilização de um espaço disponível para efetuar o empacotamento. Este problema pode ser apresentado em diversas formas, formas estas que variam em função das características de cada empacotamento. Estas características podem ser: o tipo de carga que se pretende carregar (homogénea ou heterogénea), a possibilidade de a carga poder sofrer rotações em todas as suas dimensões ou apenas em algumas, o lucro que está associado a cada caixa carregada ou restrições inerentes ao contentor como por exemplo dimensões. O interesse pelo estudo de problemas de empacotamento de contentores tem vindo a receber cada vez mais ênfase por várias razões, uma delas é o interesse financeiro dado que o transporte é uma prática que representa custos, sendo importante diminuir estes custos aproveitando o volume do contentor da melhor forma. Outra preocupação que motiva o estudo deste problema prende-se com fatores ambientes, onde se procura racionalizar os recursos naturais estando esta também ligada a questões financeiras. Na literatura podem ser encontradas varias propostas para solucionar este problema, cada uma destas dirigidas a uma variante do problema, estas propostas podem ser determinísticas ou não determinísticas onde utilizam heurísticas ou metaheurísticas. O estudo realizado nesta dissertação descreve algumas destas propostas, nomeadamente as metaheurísticas que são utilizadas na resolução deste problema. O trabalho aqui apresentado traz também uma nova metaheurísticas, mais precisamente um algoritmo genético que terá como objetivo, apresentar uma configuração de carga para um problema de empacotamento de um contentor. O algoritmo genético tem como objetivo a resolução do seguinte problema: empacotar várias caixas retangulares com diversos tamanhos num contentor. Este problema é conhecido como Bin-Packing. A novidade que este algoritmo genético vai introduzir nas diversas soluções apresentadas até à data, é uma nova forma de criar padrões iniciais, ou seja, é utilizada a heurística HSSI (Heurística de Suavização de Superfícies Irregulares) que tem como objetivo criar uma população inicial de forma a otimizar o algoritmo genético. A heurística HSSI tenta resolver problemas de empacotamento simulando, o comportamento da maioria das pessoas ao fazer este processo na vida real, contudo, tem um campo de busca reduzido entre as soluções possíveis e será então utilizado um algoritmo genético para ampliar este campo de busca e explorar novas soluções. No final pretende-se obter um software onde será possível configurar um dado problema de empacotamento de um contentor e obter, a solução do mesmo através do algoritmo genético. Assim sendo, o estudo realizado tem como principal objetivo contribuir com pesquisas e conclusões, sobre este problema e trazer uma nova proposta de solução para o problema de empacotamento de contentores.

Adaptive Penalty and Barrier function based on Fuzzy Logic

Optimization methods have been used in many areas of knowledge, such as Engineering, Statistics, Chemistry, among others, to solve optimization problems. In many cases it is not possible to use derivative methods, due to the characteristics of the problem to be solved and/or its constraints, for example if the involved functions are non-smooth and/or their derivatives are not know. To solve this type of problems a Java based API has been implemented, which includes only derivative-free optimization methods, and that can be used to solve both constrained and unconstrained problems. For solving constrained problems, the classic Penalty and Barrier functions were included in the API. In this paper a new approach to Penalty and Barrier functions, based on Fuzzy Logic, is proposed. Two penalty functions, that impose a progressive penalization to solutions that violate the constraints, are discussed. The implemented functions impose a low penalization when the violation of the constraints is low and a heavy penalty when the violation is high. Numerical results, obtained using twenty-eight test problems, comparing the proposed Fuzzy Logic based functions to six of the classic Penalty and Barrier functions are presented. Considering the achieved results, it can be concluded that the proposed penalty functions besides being very robust also have a very good performance.

Aprendizagem contínua - Novas conquistas - Projeto de intervenção desenvolvido com idosos numa Academia Sénior inserida num Centro de Dia

O presente relatório vem traduzir a configuração e o desenvolvimento de um projeto assente na metodologia de Investigação-Ação Participativa, com o objetivo de alcançar uma melhoria na qualidade de vida das pessoas idosas através da disciplina de ‘Cidadania Ativa’ inserida numa modalidade de Educação Não Formal de Adultos – ‘Academia Sénior’. Neste seguimento, foram utilizados vários métodos e técnicas de investigação que permitiram ao investigador, juntamente com os participantes implicados, obter uma visão mais holística sob o que os rodeia, recolhendo e analisando um conjunto de informações, que possibilitaram a identificação de diferentes problemas, necessidades e potencialidades dos próprios sujeitos. Após a construção do conhecimento sob a realidade e da resultante priorização de problemas/necessidades, como demanda um projeto de intervenção, sucedem as ações constituídas por um conjunto de atividades que procuram dar resposta aos objetivos orientadores do projeto. Todo este planeamento, com bases fixas na Educação e Intervenção Social, provém de um projeto que vem explanar a importância da Educação para a Cidadania, uma vez que surge a incumbência dos participantes (idosos) refletirem sobre os seus problemas numa dimensão generalizada, capazes de mergulhar até ao foro pessoal, institucional e diferentes campos sociais para que, autonomamente, se organizem e possam dar resolução aos mesmos. Ainda, nesta lógica, este projeto, contribuiu para a participação ativa dos idosos na resolução dos problemas institucionais, denotando consequentemente a transformação pessoal dos sujeitos. Importa referir ainda que todo este projeto e o conjunto de processos inerentes ao mesmo estiveram em constante (re)construção.