Detection of quasi-periodic processes in complex systems: how do we quantitatively describe their properties?

It has been shown that in reality at least two general scenarios of data structuring are possible: (a) a self-similar (SS) scenario when the measured data form an SS structure and (b) a quasi-periodic (QP) scenario when the repeated (strongly correlated) data form random sequences that are almost periodic with respect to each other. In the second case it becomes possible to describe their behavior and express a part of their randomness quantitatively in terms of the deterministic amplitude–frequency response belonging to the generalized Prony spectrum. This possibility allows us to re-examine the conventional concept of measurements and opens a new way for the description of a wide set of different data. In particular, it concerns different complex systems when the ‘best-fit’ model pretending to be the description of the data measured is absent but the barest necessity of description of these data in terms of the reduced number of quantitative parameters exists. The possibilities of the proposed approach and detection algorithm of the QP processes were demonstrated on actual data: spectroscopic data recorded for pure water and acoustic data for a test hole. The suggested methodology allows revising the accepted classification of different incommensurable and self-affine spatial structures and finding accurate interpretation of the generalized Prony spectroscopy that includes the Fourier spectroscopy as a partial case.

Solving MPCC problem with the hyperbolic penalty function

The main goal of this work is to solve mathematical program with complementarity constraints (MPCC) using nonlinear programming techniques (NLP). An hyperbolic penalty function is used to solve MPCC problems by including the complementarity constraints in the penalty term. This penalty function [1] is twice continuously differentiable and combines features of both exterior and interior penalty methods. A set of AMPL problems from MacMPEC [2] are tested and a comparative study is performed.

Solving a signalized traffic intersection problem with an hyperbolic penalty function

Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC) finds many applications in fields such as engineering design, economic equilibrium and mathematical programming theory itself. A queueing system model resulting from a single signalized intersection regulated by pre-timed control in traffic network is considered. The model is formulated as an MPCC problem. A MATLAB implementation based on an hyperbolic penalty function is used to solve this practical problem, computing the total average waiting time of the vehicles in all queues and the green split allocation. The problem was codified in AMPL.

Intervenção em fisioterapia numa prótese total do ombro

Introdução: A artroplastia total do ombro é largamente aceite como tratamento para uma variedade de patologias do ombro com dor persistente e perda acentuada da funcionalidade. Em termos globais, os resultados obtidos após a intervenção cirúrgica são bastante bons, parecendo estar, no entanto, condicionados com a patologia subjacente e a qualidade da coifa dos rotadores. Objectivo: Pretende-se com este trabalho descrever e avaliar a eficácia de um plano de intervenção numa prótese total do ombro com integridade da coifa dos rotadores. Metodologia: Paciente sexo feminino, 61 anos, reformada, com dor acentuada no ombro esquerdo desde há três anos, submetida a uma cirurgia de colocação de prótese total do ombro. Apresentava limitação da amplitude articular, diminuição da força, alteração do ritmo escapulo-umeral e ligeira incapacidade funcional. Cinco semanas após a cirurgia, iniciou sessões diárias de fisioterapia durante 12 semanas. A intervenção incluiu a aplicação de modalidades anti-álgicas, mobilização articular, fortalecimento muscular e reeducação neuromuscular. Foi avaliada em quatro momentos: antes da intervenção (M1), 4 (M2), 7 (M3) e 12 (M4) semanas após. Resultados: A dor diminuiu de 4 para 0 (END) no final de 7 semanas e as amplitudes articulares passivas aproximaram-se dos valores definidos pelo protocolo com a flexão/elevação anterior a evoluir de 90º para 130º; a abdução/elevação lateral de 80º para 110º e a rotação medial de 35º para 70º. A força muscular inicial era de 3 nos grupos musculares flexores, extensores e rotadores do ombro atingindo no final grau 4. O ritmo escapulo-umeral demonstrou assincronia durante a elevação do ombro na primeira avaliação, ficando quase normalizado no final das sessões. Quanto à funcionalidade, antes da intervenção o score obtido foi de 30.8 atingindo um valor de 11.6 no final das sessões de tratamento. Conclusão: Após 12 semanas de tratamento, os objectivos delineados foram praticamente atingidos, uma vez que a utente já não refere dor no ombro e apresenta uma boa capacidade funcional, apesar de apresentar ligeiras diferenças nas amplitudes articulares e força muscular esperadas, apontando para o sucesso do protocolo de tratamento aplicado.

Sistema de aquisição de dados em tempo real

Neste trabalho propus-me realizar um Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real via Porta Paralela. Para atingir com sucesso este objectivo, foi realizado um levantamento bibliográfico sobre sistemas operativos de tempo real, salientando e exemplificando quais foram marcos mais importantes ao longo da sua evolução. Este levantamento permitiu perceber o porquê da proliferação destes sistemas face aos custos que envolvem, em função da sua aplicação, bem como as dificuldades, científicas e tecnológicas, que os investigadores foram tendo, e que foram ultrapassando com sucesso. Para que Linux se comporte como um sistema de tempo real, é necessário configura-lo e adicionar um patch, como por exemplo o RTAI ou ADEOS. Como existem vários tipos de soluções que permitem aplicar as características inerentes aos sistemas de tempo real ao Linux, foi realizado um estudo, acompanhado de exemplos, sobre o tipo de arquitecturas de kernel mais utilizadas para o fazer. Nos sistemas operativos de tempo real existem determinados serviços, funcionalidades e restrições que os distinguem dos sistemas operativos de uso comum. Tendo em conta o objectivo do trabalho, e apoiado em exemplos, fizemos um pequeno estudo onde descrevemos, entre outros, o funcionamento escalonador, e os conceitos de latência e tempo de resposta. Mostramos que há apenas dois tipos de sistemas de tempo real o ‘hard’ que tem restrições temporais rígidas e o ‘soft’ que engloba as restrições temporais firmes e suaves. As tarefas foram classificadas em função dos tipos de eventos que as despoletam, e evidenciando as suas principais características. O sistema de tempo real eleito para criar o sistema de aquisição de dados via porta paralela foi o RTAI/Linux. Para melhor percebermos o seu comportamento, estudamos os serviços e funções do RTAI. Foi dada especial atenção, aos serviços de comunicação entre tarefas e processos (memória partilhada e FIFOs), aos serviços de escalonamento (tipos de escalonadores e tarefas) e atendimento de interrupções (serviço de rotina de interrupção - ISR). O estudo destes serviços levou às opções tomadas quanto ao método de comunicação entre tarefas e serviços, bem como ao tipo de tarefa a utilizar (esporádica ou periódica). Como neste trabalho, o meio físico de comunicação entre o meio ambiente externo e o hardware utilizado é a porta paralela, também tivemos necessidade de perceber como funciona este interface. Nomeadamente os registos de configuração da porta paralela. Assim, foi possível configura-lo ao nível de hardware (BIOS) e software (módulo do kernel) atendendo aos objectivos do presente trabalho, e optimizando a utilização da porta paralela, nomeadamente, aumentando o número de bits disponíveis para a leitura de dados. No desenvolvimento da tarefa de hard real-time, foram tidas em atenção as várias considerações atrás referenciadas. Foi desenvolvida uma tarefa do tipo esporádica, pois era pretendido, ler dados pela porta paralela apenas quando houvesse necessidade (interrupção), ou seja, quando houvesse dados disponíveis para ler. Desenvolvemos também uma aplicação para permitir visualizar os dados recolhidos via porta paralela. A comunicação entre a tarefa e a aplicação é assegurada através de memória partilhada, pois garantindo a consistência de dados, a comunicação entre processos do Linux e as tarefas de tempo real (RTAI) que correm ao nível do kernel torna-se muito simples. Para puder avaliar o desempenho do sistema desenvolvido, foi criada uma tarefa de soft real-time cujos tempos de resposta foram comparados com os da tarefa de hard real-time. As respostas temporais obtidas através do analisador lógico em conjunto com gráficos elaborados a partir destes dados, mostram e comprovam, os benefícios do sistema de aquisição de dados em tempo real via porta paralela, usando uma tarefa de hard real-time.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Ampliação do reservatório de Custóias

O presente relatório é a última etapa para a obtenção do Grau de Mestre em Tecnologia e Gestão das Construções leccionado no Instituto Superior de Engenharia do Porto, (ISEP). O estágio decorreu em ambiente maioritariamente de obra na empresa Monte Adriano, Engenharia e Construção, SA, e o objectivo consistiu em dar apoio e acompanhar a Obra de Ampliação do Reservatório de Custóias, inserida na Empreita de concepção, projecto e construção das infraestruturas necessárias à execução do plano de investimentos da Indáqua Matosinhos, actividades estas, decorrentes da função de adjunta de direcção de obra. Para além da breve descrição da empresa que a estagiária integrou e da empreitada geral, foi feita uma enumeração das várias actividades desempenhadas na Obra e dos vários condicionalismos encontrados que por vezes levaram a alterações do projecto. Dá-se especial ênfase à parte da execução das fundações, quer pela heterogeneidade do solo e sua relevância no geral, quer pelo facto do tempo de execução da obra ser praticamente o tempo do estágio. A obra consiste na execução de três células em painéis pré-fabricados SOPLACAS (paredes e cobertura), sendo que, as lajes de soleira de duas das células apoiam em poços e a laje de soleira da outra célula apoia directamente no terreno e em poços. Anexa às células encontra-se a câmara de manobras, executada em estrutura de betão armado.

The periodic table: contest and exhibition

The systemization and organization of ideas and concepts is an integral part of science. In chemistry, the organization of the periodic table of the chemical elements in the 1860s was one of the greatest scientific breakthroughs ever made and in fact during the 20th century it became a universally recognized scientific icon (1). The periodic table is the fundamental classificatory scheme of the elements and summarizes the realm of chemistry (2). Simply knowing the position of an element in the periodic table tells us about its properties and is usually enough to predict how the element will behave in a wide variety of different situations or reactions (1). Based on this potential mine of information, it is possible to make reliable predictions of the properties of the compounds that each element forms. Nowadays, the concept of the periodic table is starting to interact with other sciences and reports of periodic tables of amino acids (3), genetic codes (4), protein structures (5), and biology (6) can be found in the specialized literature. Symbiosis between science and art, for example, “The Periodic Table of The Elephants” (7), can also be seen. To appeal to a better understanding of the periodic table, the Instituto Superior de Engenharia do Instituto Politécnico do Porto and the Centro de Química da Universidade do Porto promoted a contest and exhibit with the goal of stimulating a wide and heterogeneous audience, ranging from young children and their parents to graduate students from several disciplines, to explore the nature of this icon. Imaginative educational activities such as contests (8–10), games (11, 12), and puzzles (13–15) provided a way to communicate with the general public with the goal of attracting students to science. This also constituted an interesting, informative, and entertaining alternative to non-interactive lectures. Simultaneously, artistic creativity was combined with scientific knowledge.

Using WorldFIP networks to support periodic and sporadic real-time traffic

In this paper we address the ability of WorldFIP to cope with the real-time requirements of distributed computer-controlled systems (DCCS). Typical DCCS include process variables that must be transferred between network devices both in a periodic and sporadic (aperiodic) basis. The WorldFIP protocol is designed to support both types of traffic. WorldFIP can easily guarantee the timing requirements for the periodic traffic. However, for the aperiodic traffic more complex analysis must be made in order to guarantee its timing requirements. This paper describes work that is being carried out to extend previous relevant work, in order to include the actual schedule for the periodic traffic in the worst-case response time analysis of sporadic traffic in WorldFIP networks

The generalized multiprocessor periodic resource interface model for hierarchical multiprocessor scheduling

Composition is a practice of key importance in software engineering. When real-time applications are composed it is necessary that their timing properties (such as meeting the deadlines) are guaranteed. The composition is performed by establishing an interface between the application and the physical platform. Such an interface does typically contain information about the amount of computing capacity needed by the application. In multiprocessor platforms, the interface should also present information about the degree of parallelism. Recently there have been quite a few interface proposals. However, they are either too complex to be handled or too pessimistic.In this paper we propose the Generalized Multiprocessor Periodic Resource model (GMPR) that is strictly superior to the MPR model without requiring a too detailed description. We describe a method to generate the interface from the application specification. All these methods have been implemented in Matlab routines that are publicly available.

Exact admission-control for integrated aperiodic and periodic tasks

Admission controllers are used to prevent overload in systems with dynamically arriving tasks. Typically, these admission controllers are based on suÆcient (but not necessary) capacity bounds in order to maintain a low computational complexity. In this paper we present how exact admission-control for aperiodic tasks can be eÆciently obtained. Our rst result is an admission controller for purely aperiodic task sets where the test has the same runtime complexity as utilization-based tests. Our second result is an extension of the previous controller for a baseload of periodic tasks. The runtime complexity of this test is lower than for any known exact admission-controller. In addition to presenting our main algorithm and evaluating its performance, we also discuss some general issues concerning admission controllers and their implementation.

Penalty fuzzy function for derivative-free optimization

Penalty and Barrier methods are normally used to solve Nonlinear Optimization Problems constrained problems. The problems appear in areas such as engineering and are often characterised by the fact that involved functions (objective and constraints) are non-smooth and/or their derivatives are not know. This means that optimization methods based on derivatives cannot net used. A Java based API was implemented, including only derivative-free optimizationmethods, to solve both constrained and unconstrained problems, which includes Penalty and Barriers methods. In this work a new penalty function, based on Fuzzy Logic, is presented. This function imposes a progressive penalization to solutions that violate the constraints. This means that the function imposes a low penalization when the violation of the constraints is low and a heavy penalisation when the violation is high. The value of the penalization is not known in beforehand, it is the outcome of a fuzzy inference engine. Numerical results comparing the proposed function with two of the classic penalty/barrier functions are presented. Regarding the presented results one can conclude that the prosed penalty function besides being very robust also exhibits a very good performance.

Fitness function evaluation through fractional algorithms

This paper proposes a Genetic Algorithm (GA) for the design of combinational logic circuits. The fitness function evaluation is calculated using Fractional Calculus. This approach extends the classical fitness function by including a fractional-order dynamical evaluation. The experiments reveal superior results when comparing with the classical method.