Aplicação de algoritmos genéticos para sintonia de controladores

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Image upsampling algorithms applied on Nuclear Medicine: comparision of hqnx and nxSaI algorithms families with two interpolation algorithms - nearest neighbour and bicubic interpolation

Introduction: Image resizing is a normal feature incorporated into the Nuclear Medicine digital imaging. Upsampling is done by manufacturers to adequately fit more the acquired images on the display screen and it is applied when there is a need to increase - or decrease - the total number of pixels. This paper pretends to compare the “hqnx” and the “nxSaI” magnification algorithms with two interpolation algorithms – “nearest neighbor” and “bicubic interpolation” – in the image upsampling operations. Material and Methods: Three distinct Nuclear Medicine images were enlarged 2 and 4 times with the different digital image resizing algorithms (nearest neighbor, bicubic interpolation nxSaI and hqnx). To evaluate the pixel’s changes between the different output images, 3D whole image plot profiles and surface plots were used as an addition to the visual approach in the 4x upsampled images. Results: In the 2x enlarged images the visual differences were not so noteworthy. Although, it was clearly noticed that bicubic interpolation presented the best results. In the 4x enlarged images the differences were significant, with the bicubic interpolated images presenting the best results. Hqnx resized images presented better quality than 4xSaI and nearest neighbor interpolated images, however, its intense “halo effect” affects greatly the definition and boundaries of the image contents. Conclusion: The hqnx and the nxSaI algorithms were designed for images with clear edges and so its use in Nuclear Medicine images is obviously inadequate. Bicubic interpolation seems, from the algorithms studied, the most suitable and its each day wider applications seem to show it, being assumed as a multi-image type efficient algorithm.

Machine Learning Algorithms at Myocardial Perfusion Imaging - a Preliminary Study

Introduction: A major focus of data mining process - especially machine learning researches - is to automatically learn to recognize complex patterns and help to take the adequate decisions strictly based on the acquired data. Since imaging techniques like MPI – Myocardial Perfusion Imaging on Nuclear Cardiology, can implicate a huge part of the daily workflow and generate gigabytes of data, there could be advantages on Computerized Analysis of data over Human Analysis: shorter time, homogeneity and consistency, automatic recording of analysis results, relatively inexpensive, etc.Objectives: The aim of this study relates with the evaluation of the efficacy of this methodology on the evaluation of MPI Stress studies and the process of decision taking concerning the continuation – or not – of the evaluation of each patient. It has been pursued has an objective to automatically classify a patient test in one of three groups: “Positive”, “Negative” and “Indeterminate”. “Positive” would directly follow to the Rest test part of the exam, the “Negative” would be directly exempted from continuation and only the “Indeterminate” group would deserve the clinician analysis, so allowing economy of clinician’s effort, increasing workflow fluidity at the technologist’s level and probably sparing time to patients. Methods: WEKA v3.6.2 open source software was used to make a comparative analysis of three WEKA algorithms (“OneR”, “J48” and “Naïve Bayes”) - on a retrospective study using the comparison with correspondent clinical results as reference, signed by nuclear cardiologist experts - on “SPECT Heart Dataset”, available on University of California – Irvine, at the Machine Learning Repository. For evaluation purposes, criteria as “Precision”, “Incorrectly Classified Instances” and “Receiver Operating Characteristics (ROC) Areas” were considered. Results: The interpretation of the data suggests that the Naïve Bayes algorithm has the best performance among the three previously selected algorithms. Conclusions: It is believed - and apparently supported by the findings - that machine learning algorithms could significantly assist, at an intermediary level, on the analysis of scintigraphic data obtained on MPI, namely after Stress acquisition, so eventually increasing efficiency of the entire system and potentially easing both roles of Technologists and Nuclear Cardiologists. In the actual continuation of this study, it is planned to use more patient information and significantly increase the population under study, in order to allow improving system accuracy.

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.

Balanceamento de linhas de produção usando algoritmos genéticos

Aquando da definição de um layout por fluxo de produto, ou linha de produção, é necessário proceder-se à melhor selecção de combinações de tarefas a serem executadas em cada estação / posto de trabalho para que o trabalho seja executado numa sequência exequível e sejam necessárias quantidades de tempo aproximadamente iguais em cada estação / posto de trabalho. Este processo é chamado de balanceamento da linha de produção. Verifica-se que as estações de trabalho e equipamentos podem ser combinados de muitas maneiras diferentes; daí que a necessidade de efectuar o balanceamento das linhas de produção implique a distribuição de actividades sequenciais por postos de trabalho de modo a permitir uma elevada utilização de trabalho e de equipamentos e a minimizar o tempo de vazio. Os problemas de balanceamento de linhas são tipicamente problemas complexos de tratar, devido ao elevado número de combinações possíveis. Entre os métodos utilizados para resolver estes problemas encontram-se métodos de tentativa e erro, métodos heurísticos, métodos computacionais de avaliação de diferentes opções até se encontrar uma boa solução e métodos de optimização. O objectivo deste trabalho passou pelo desenvolvimento de uma ferramenta computacional para efectuar o balanceamento de linhas de produção recorrendo a algoritmos genéticos. Foi desenvolvida uma aplicação que implementa dois algoritmos genéticos, um primeiro que obtém soluções para o problema e um segundo que optimiza essas soluções, associada a uma interface gráfica em C# que permite a inserção do problema e a visualização de resultados. Obtiveram-se resultados exequíveis demonstrando vantagens em relação aos métodos heurísticos, pois é possível obter-se mais do que uma solução. Além disso, para problemas complexos torna-se mais prático o uso da aplicação desenvolvida. No entanto, esta aplicação permite no máximo seis precedências por cada operação e resultados com o máximo de nove estações de trabalho.

Detecção e seguimento de objectos em imagens termográficas: análise experimental de modelos de descrição

A instalação de sistemas de videovigilância, no interior ou exterior, em locais como aeroportos, centros comerciais, escritórios, edifícios estatais, bases militares ou casas privadas tem o intuito de auxiliar na tarefa de monitorização do local contra eventuais intrusos. Com estes sistemas é possível realizar a detecção e o seguimento das pessoas que se encontram no ambiente local, tornando a monitorização mais eficiente. Neste contexto, as imagens típicas (imagem natural e imagem infravermelha) são utilizadas para extrair informação dos objectos detectados e que irão ser seguidos. Contudo, as imagens convencionais são afectadas por condições ambientais adversas como o nível de luminosidade existente no local (luzes muito fortes ou escuridão total), a presença de chuva, de nevoeiro ou de fumo que dificultam a tarefa de monitorização das pessoas. Deste modo, tornou‐se necessário realizar estudos e apresentar soluções que aumentem a eficácia dos sistemas de videovigilância quando sujeitos a condições ambientais adversas, ou seja, em ambientes não controlados, sendo uma das soluções a utilização de imagens termográficas nos sistemas de videovigilância. Neste documento são apresentadas algumas das características das câmaras e imagens termográficas, assim como uma caracterização de cenários de vigilância. Em seguida, são apresentados resultados provenientes de um algoritmo que permite realizar a segmentação de pessoas utilizando imagens termográficas. O maior foco desta dissertação foi na análise dos modelos de descrição (Histograma de Cor, HOG, SIFT, SURF) para determinar o desempenho dos modelos em três casos: distinguir entre uma pessoa e um carro; distinguir entre duas pessoas distintas e determinar que é a mesma pessoa ao longo de uma sequência. De uma forma sucinta pretendeu‐se, com este estudo, contribuir para uma melhoria dos algoritmos de detecção e seguimento de objectos em sequências de vídeo de imagens termográficas. No final, através de uma análise dos resultados provenientes dos modelos de descrição, serão retiradas conclusões que servirão de indicação sobre qual o modelo que melhor permite discriminar entre objectos nas imagens termográficas.

Gestão de projectos no âmbito da construção sustentável

A indústria da construção, nomeadamente no sector da edificação, baseia-se essencialmente em métodos de construção tradicional. Esta indústria é caracterizada pelo consumo excessivo de matérias-primas, de recursos energéticos não renováveis e pela elevada produção de resíduos. Esta realidade é de todo incompatível com os desígnios do desenvolvimento sustentável, nos quais se procura a conveniência harmoniosa entre as dimensões ambiental, social e económica. O desafio da sustentabilidade, colocado à actividade da construção, tem motivado abordagens distintas, não só por parte das várias especialidades da engenharia, como também da arquitectura. É nesta perspectiva, que o presente modelo pretende ser um contributo para uma abordagem inovadora, introduzindo linhas de intervenção e de orientação, para apoiar e estimular o desenvolvimento de soluções sustentáveis em edifícios habitacionais, em qualquer fase do ciclo de evolução de um projecto e das várias especialidades do mesmo. Assim, no sentido de optimizar os recursos envolvidos no projecto são expostas estratégias de intervenção, com os seguintes objectivos: optimização do potencial do local, preservação da identidade regional e cultural, minimização do consumo de energia, utilização de materiais e produtos de baixo impacto ambiental, redução do consumo de água, redução da produção de emissões, resíduos e outros poluentes, adequada qualidade do ambiente interior e optimização das fases de operação e manutenção. A ferramenta apresentada surge como um instrumento facilitador para a equipa de projectistas, e que se esta adaptada para o desenvolvimento de projectos de edifícios de habitação, dada a génese dos métodos utilizados. As soluções de sustentabilidade apresentadas neste manual emanam dos sistemas de certificação LíderA, LEED, BREEAM e SBToolpt. O modelo encontra-se estruturado, no que às fases de projecto diz respeito, de acordo com os requisitos expressos na Portaria 701-H/2008 de 29 de Julho, tendo sido igualmente seguido o descrito para os respectivos intervenientes.

Desmonte de rocha com explosivos: importância da optimização

Este trabalho pretende avaliar e melhorar o modo de execução da aplicação da técnica de rebentamento com explosivos, aumentando a fragmentação e reduzindo o custo no conjunto das operações de perfuração, carga, detonação e fragmentação secundária e compreender a influência na variação do custo das operações face às melhorias adoptadas. A investigação foi executada na pedreira da Mota-Engil, Engenharia S.A. ‘’ Bouça do Menino’’ Vila Verde, Cervães, tendo os dados iniciais sido recolhidos em 2004 (ano de referência) e comparados com os seguintes 4 anos. A perfuração é geralmente um dos principais factores que influenciam o resultado de um rebentamento, já que do seu rigor pode depender a eficiência do explosivo. Hoje em dia, para além da adequação dos métodos de execução ao local a fragmentar, existem ferramentas que nos permitem visualizar com rigor as circunstâncias em que se desenvolvem os trabalhos, nomeadamente as utilizadas pelos equipamentos de perfuração para controlo de profundidade, inclinação e direcção, a utilização de feixes ‘’laser’’ que nos permitem manter o nivelamento das plataformas, o ‘’laser’’ profile que nos ajuda a definir o posicionamento e inclinação dos furos relativamente à frente livre antes de executar a perfuração, ou ainda, a utilização de equipamentos de registo de coordenadas que nos permitem verificar o posicionamento do furo após a sua execução e decidir sobre a sua utilização mais correcta em função da sua posição. A utilização destas ferramentas associadas a um ‘’software’’ de desenho é ainda uma excelente ferramenta de formação para os operadores da perfuração e utilização dos explosivos, já que permite visualizar e compreender a relação da posição dos furos com o resultado do rebentamento.

Optimization of Cu(II) biosorption onto ascophyllum nodosum by factorial design methodology

A Box–Behnken factorial design coupled with surface response methodology was used to evaluate the effects of temperature, pH and initial concentration in the Cu(II) sorption process onto the marine macroalgae Ascophyllum nodosum. The effect of the operating variables on metal uptake capacitywas studied in a batch system and a mathematical model showing the influence of each variable and their interactions was obtained. Study ranges were 10–40ºC for temperature, 3.0–5.0 for pH and 50–150mgL−1 for initial Cu(II) concentration. Within these ranges, the biosorption capacity is slightly dependent on temperature but markedly increases with pH and initial concentration of Cu(II). The uptake capacities predicted by the model are in good agreement with the experimental values. Maximum biosorption capacity of Cu(II) by A. nodosum is 70mgg−1 and corresponds to the following values of those variables: temperature = 40ºC, pH= 5.0 and initial Cu(II) concentration = 150mgL−1.

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.

On local fractional continuous wavelet transform

We introduce a new wavelet transform within the framework of the local fractional calculus. An illustrative example of local fractional wavelet transform is also presented.