Foraging at the Edge of Chaos: Internal Clock versus External Forcing

Activity rhythms in animal groups arise both from external changes in the environment, as well as from internal group dynamics. These cycles are reminiscent of physical and chemical systems with quasiperiodic and even chaotic behavior resulting from “autocatalytic” mechanisms. We use nonlinear differential equations to model how the coupling between the self-excitatory interactions of individuals and external forcing can produce four different types of activity rhythms: quasiperiodic, chaotic, phase locked, and displaying over or under shooting. At the transition between quasiperiodic and chaotic regimes, activity cycles are asymmetrical, with rapid activity increases and slower decreases and a phase shift between external forcing and activity. We find similar activity patterns in ant colonies in response to varying temperature during the day. Thus foraging ants operate in a region of quasiperiodicity close to a cascade of transitions leading to chaos. The model suggests that a wide range of temporal structures and irregularities seen in the activity of animal and human groups might be accounted for by the coupling between collectively generated internal clocks and external forcings.

As características geotécnicas de um maciço como factores preponderantes na planificação e organização de obras de escavação subterrâneas - uma perspectiva sobre a produção

Com o presente documento pretende-se abordar e identificar os diferentes factores que influenciam directamente a produção e execução de uma escavação subterrânea, com especial relevo sobre a influência exercida pela geotecnia do maciço intersectado. Inicialmente são focados os principais aspectos a ter em conta na caracterização geotécnica de um maciço, seguindo-se uma introdução a diferentes métodos de escavação actuais e metodologias de suporte de uma obra subterrânea, com particular realce para os utilizados em maciços brandos. Depois de tratados estes conceitos, é apresentada uma obra subterrânea em execução que foi acompanhada durante 4 meses para efeitos de desenvolvimento deste estudo. Assim, são abordados neste documento diferentes aspectos construtivos, no que diz respeito à mão-de-obra utilizada, metodologias e técnicas aplicadas, redes técnicas auxiliares instaladas, produções e rendimentos verificados. De seguida e de modo a atestar a importância da caracterização geotécnica ao longo da obra, foi feito um estudo do maciço intersectado, relativamente às descontinuidades que o intersectam, litologia, alteração, e resistência à compressão. Para este último parâmetro foram utilizadas técnicas distintas mas complementares, nomeadamente o ensaio de carga pontual (em laboratório), e o esclerómetro portátil (in situ). Por último, tendo em conta os parâmetros e características presentes e as implicações que uma obra do género acarreta, são propostas de modo sucinto, técnicas alternativas de escavação do maciço cuja viabilidade de implementação seja possível no contexto em questão.

Sistema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas

A presente dissertação apresenta uma solução para o problema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas. O trabalho desenvolvido emprega técnicas provenientes da área da robótica móvel para obtenção um sistema autónomo móvel de modelização, capaz de operar em ambientes não estruturados sem acesso a sistemas de posicionamento global, designadamente GPS. Um sistema de modelização móvel e autónomo pode ser bastante vantajoso, pois constitui um método rápido e simples de monitorização das estruturas e criação de representações virtuais das galerias com um elevado nível de detalhe. O sistema de modelização desloca-se no interior dos túneis para recolher informações sensoriais sobre a geometria da estrutura. A tarefa de organização destes dados com vista _a construção de um modelo coerente, exige um conhecimento exacto do percurso praticado pelo sistema, logo o problema de localização da plataforma sensorial tem que ser resolvido. A formulação de um sistema de localização autónoma tem que superar obstáculos que se manifestam vincadamente nos ambientes underground, tais como a monotonia estrutural e a já referida ausência de sistemas de posicionamento global. Neste contexto, foi abordado o conceito de SLAM (Simultaneous Loacalization and Mapping) para determinação da localização da plataforma sensorial em seis graus de liberdade. Seguindo a abordagem tradicional, o núcleo do algoritmo de SLAM consiste no filtro de Kalman estendido (EKF { Extended Kalman Filter ). O sistema proposto incorpora métodos avançados do estado da arte, designadamente a parametrização em profundidade inversa (Inverse Depth Parametrization) e o método de rejeição de outliers 1-Point RANSAC. A contribuição mais importante do método por nós proposto para o avanço do estado da arte foi a fusão da informação visual com a informação inercial. O algoritmo de localização foi testado com base em dados reais, adquiridos no interior de um túnel rodoviário. Os resultados obtidos permitem concluir que, ao fundir medidas inerciais com informações visuais, conseguimos evitar o fenómeno de degeneração do factor de escala, comum nas aplicações de localização através de sistemas puramente monoculares. Provámos simultaneamente que a correcção de um sistema de localização inercial através da consideração de informações visuais é eficaz, pois permite suprimir os desvios de trajectória que caracterizam os sistemas de dead reckoning. O algoritmo de modelização, com base na localização estimada, organiza no espaço tridimensional os dados geométricos adquiridos, resultando deste processo um modelo em nuvem de pontos, que posteriormente _e convertido numa malha triangular, atingindo-se assim uma representação mais realista do cenário original.

Geotecnia dos túneis do maciço de Paranhos: avaliação hidrogeomecânica exploratória

As classificações geomecânicas são uma das abordagens mais reconhecidas para estimar a qualidade do maciço rochoso, face à sua simplicidade e competência para gerir incertezas. As incertezas geológicas e geotécnicas podem ser avaliadas de forma eficaz usando classificações adequadas. Este estudo pretende enfatizar a importância das classificações geomecânicas e índices geomecânicos, tais como a Rock Mass Rating (RMR), a Rock Tunnelling Quality Index (Qsystem), o Geological Strength Index (GSI) e o Hydro‐Potential (HP) Value, para ajuizar a qualidade do maciço rochoso granítico das galerias subterrâneas de Paranhos (setor de Carvalhido ‐ Burgães; área urbana do Porto). Em particular, o valor hidro‐potencial (HP‐value) é uma classificação semi‐quantitativa aplicada a maciços rochosos que permite estimar as infiltrações de água subterrânea em escavações de terrenos rochosos. Para esta avaliação foi compilada e integrada uma extensa base de dados geológico‐geotécnica e geomecânica, apoiada na técnica de amostragem linear de superfícies expostas descontinuidades. Para refinar o zonamento geotécnico do maciço rochoso granítico, previamente realizado em 2010, foram coletadas amostras de rocha em pontos‐chave, com o objetivo de avaliar a sua resistência através do Ensaio de Carga Pontual (PLT). A aplicação das classificações geomecânicas foi realizada de uma forma equilibrada, estabelecendo diferentes cenários e tendo sempre em conta o conhecimento das características do maciço in situ. Apresenta‐se uma proposta de zonamento hidrogeomecânico com o objetivo de compreender melhor a circulação geo‐hidráulica do maciço rochoso granítico. Pretende‐se com esta metodologia contribuir para aprofundar o conhecimento do substrato rochoso do Porto, nomeadamente no que diz respeito ao seu comportamento geomecânico.

Escavações subterrâneas em meio urbano: Túnel do Seixo Alvo

As obras subterrâneas têm actualmente maior relevância, sobretudo em meios urbanos e são, desde a fase de estudo até à sua execução, projectos tecnicamente complexos, exigentes e interessantes. O meio em que a obra subterrânea está inserida condiciona, quer na fase de estudo quer no desenvolvimento dos trabalhos, as opções técnicas e representa um desafio constante para todos os intervenientes. São poucos os técnicos que têm a oportunidade de acompanhar e apreender o conhecimento envolvido nestas obras, pelo que é importante que toda a experiência adquirida seja registada e se possível transmitida. Pela sua formação e vocação, os engenheiros geotécnicos desempenham um papel de destaque nestes empreendimentos, onde o conhecimento e a sensibilidade técnica, associados à experiência em trabalhos semelhantes, são factores determinantes para atingir os objectivos propostos. Com este trabalho pretende-se caracterizar, valorizar, analisar e concluir sobre as várias etapas desenvolvidas na construção do túnel de Seixo Alvo, enquadrado na Concessão do Douro Litoral. Realizou-se uma apreciação do estado da arte e apresenta-se o túnel do Seixo Alvo como caso de estudo, onde se evidencia a importância do estudo e observação da obra e do meio em que está inserida, caracteriza os métodos e processos construtivos implementados e propostos, analisa os incidentes ocorridos e valoriza os trabalhos executados. Por último conclui-se sobre as técnicas, os custos e os rendimentos obtidos.

Microtunelação. Aplicação a um caso de obra

Um túnel é uma obra subterrânea dimensionada com o objetivo de satisfazer diversas necessidades num mundo onde o planeamento urbano e a gestão de espaços ganha cada vez mais importância. A execução de este género de obras de engenharia pode ter várias finalidades, que podem ir desde a construção/reabilitação de redes de saneamento, abastecimento de água ou gás (túneis de pequeno diâmetro) até à construção/modernização de redes pedonais, rodoviárias ou ferroviárias, galerias mineiras, tuneis para barragens, etc. (túneis de grande diâmetro). As tuneladoras são uma das ferramentas de desmonte mais utilizadas na execução de obras subterrâneas. Existem no mercado vários tipos de máquinas tuneladoras, a sua escolha e dimensionamento depende de diversos fatores que devem ser cuidadosamente analisados, nomeadamente tipo de terreno a escavar, presença ou não de água na zona de escavação, dureza e/ou abrasividade das formações a atravessar, etc. Será feita uma abordagem aos princípios de funcionamento de este tipo de equipamentos, indicando o seu campo de aplicação dentro da respetiva tecnologia de escavação onde se inserem. Finalmente será desenvolvido o caso da empreitada: “Execução da Travessia do Rio Ave, da Estação Elevatória de Vila do Conde e dos Sistemas Elevatória da Aguçadoura e da Apúlia 4 - AR 44.0.08”, onde em alternativa ao desvio provisório do Rio Ave em Vila do Conde foi projetada a execução de duas travessias no diâmetro 1200 mm, uma delas escavadas maioritariamente em terreno aluvionar brando e a outra em terreno rochoso duro e abrasivo com recurso, em ambos casos, à utilização de máquina tuneladora. Através da avaliação do desempenho do equipamento escolhido para execução de este trabalho será estudada a eficiência da utilização deste tipo de equipamento. Com o objetivo de mostrar os custos associados à execução de obras de escavação subterrânea com recurso a utilização de máquinas tuneladoras, será feita uma análise económica e comparativa relativa aos dois casos de obra apresentados.

A fuzzified systematic adjustment of the robotic Darwinian PSO

The Darwinian Particle Swarm Optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the Particle Swarm Optimization using natural selection to enhance the ability to escape from sub-optimal solutions. An extension of the DPSO to multi-robot applications has been recently proposed and denoted as Robotic Darwinian PSO (RDPSO), benefiting from the dynamical partitioning of the whole population of robots, hence decreasing the amount of required information exchange among robots. This paper further extends the previously proposed algorithm adapting the behavior of robots based on a set of context-based evaluation metrics. Those metrics are then used as inputs of a fuzzy system so as to systematically adjust the RDPSO parameters (i.e., outputs of the fuzzy system), thus improving its convergence rate, susceptibility to obstacles and communication constraints. The adapted RDPSO is evaluated in groups of physical robots, being further explored using larger populations of simulated mobile robots within a larger scenario.

A wireless sensor network platform for structural health monitoring: enabling accurate and synchronized measurements through COTS+custom-based design

Structural health monitoring has long been identified as a prominent application of Wireless Sensor Networks (WSNs), as traditional wired-based solutions present some inherent limitations such as installation/maintenance cost, scalability and visual impact. Nevertheless, there is a lack of ready-to-use and off-the-shelf WSN technologies that are able to fulfill some most demanding requirements of these applications, which can span from critical physical infrastructures (e.g. bridges, tunnels, mines, energy grid) to historical buildings or even industrial machinery and vehicles. Low-power and low-cost yet extremely sensitive and accurate accelerometer and signal acquisition hardware and stringent time synchronization of all sensors data are just examples of the requirements imposed by most of these applications. This paper presents a prototype system for health monitoring of civil engineering structures that has been jointly conceived by a team of civil, and electrical and computer engineers. It merges the benefits of standard and off-the-shelf (COTS) hardware and communication technologies with a minimum set of custom-designed signal acquisition hardware that is mandatory to fulfill all application requirements.

Rapid Evolution of the Sequences and Gene Repertoires

Proteins secreted to the extracellular environment or to the periphery of the cell envelope, the secretome, play essential roles in foraging, antagonistic and mutualistic interactions. We hypothesize that arms races, genetic conflicts and varying selective pressures should lead to the rapid change of sequences and gene repertoires of the secretome. The analysis of 42 bacterial pan-genomes shows that secreted, and especially extracellular proteins, are predominantly encoded in the accessory genome, i.e. among genes not ubiquitous within the clade. Genes encoding outer membrane proteins might engage more frequently in intra-chromosomal gene conversion because they are more often in multi-genic families. The gene sequences encoding the secretome evolve faster than the rest of the genome and in particular at non-synonymous positions. Cell wall proteins in Firmicutes evolve particularly fast when compared with outer membrane proteins of Proteobacteria. Virulence factors are over-represented in the secretome, notably in outer membrane proteins, but cell localization explains more of the variance in substitution rates and gene repertoires than sequence homology to known virulence factors. Accordingly, the repertoires and sequences of the genes encoding the secretome change fast in the clades of obligatory and facultative pathogens and also in the clades of mutualists and free-living bacteria. Our study shows that cell localization shapes genome evolution. In agreement with our hypothesis, the repertoires and the sequences of genes encoding secreted proteins evolve fast. The particularly rapid change of extracellular proteins suggests that these public goods are key players in bacterial adaptation.

Estudo e desenvolvimento de uma solução de monitorização estrutural em túneis baseada na tecnologia de redes de Bragg em fibra ótica

Ao longo dos últimos anos, vários esforços e estudos foram feitos com o objetivo de colocar a fibra ótica no mercado, como um sistema preferencial de monitorização das mais diversas obras de Engenharia. Os sensores baseados na tecnologia em fibra ótica apresentam vantagens reconhecidas pelos mais diversos especialistas, sendo atualmente reconhecida como uma das soluções mais eficazes. Na engenharia Civil, a monitorização das grandes obras tem ganho uma importância crescente. Neste contexto, a monitorização de convergências em túneis visa o controlo da respectiva integridade estrutural ao longo da construção e a exploração da obra. Atualmente a solução de monitorização estrutural de túneis utilizada pela FiberSensing é uma solução desenhada em conjunto com a EPOS e o Cegeo (IST), baseada em sensores de Bragg em Fibra Ótica: o SysTunnel. O objetivo do estudo de uma solução alternativa encontra-se no facto do SysTunnel apresentar algumas debilidades no algoritmo de cálculo, sendo para o seu cálculo necessário a introdução de um parâmetro relacionado com o solo envolvente do túnel, facto que introduz incertezas no cálculo das convergências. O presente relatório tem como finalidade documentar o estágio curricular realizado na FiberSensing, entre 01/02/2014 a 31/07/2014. Este estágio teve como objetivo o desenvolvimento de uma solução alternativa de monitorização estrutural baseada na tecnologia das redes de Bragg para a monitorização das convergências em túneis.

Towards a Mobile Three-dimensional Modelling System for Underground Structures

Robotica 2012: 12th International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions April 11, 2012, Guimarães, Portugal

Application of Visual-Inertial SLAM for 3D Mapping of Underground Environments

The underground scenarios are one of the most challenging environments for accurate and precise 3d mapping where hostile conditions like absence of Global Positioning Systems, extreme lighting variations and geometrically smooth surfaces may be expected. So far, the state-of-the-art methods in underground modelling remain restricted to environments in which pronounced geometric features are abundant. This limitation is a consequence of the scan matching algorithms used to solve the localization and registration problems. This paper contributes to the expansion of the modelling capabilities to structures characterized by uniform geometry and smooth surfaces, as is the case of road and train tunnels. To achieve that, we combine some state of the art techniques from mobile robotics, and propose a method for 6DOF platform positioning in such scenarios, that is latter used for the environment modelling. A visual monocular Simultaneous Localization and Mapping (MonoSLAM) approach based on the Extended Kalman Filter (EKF), complemented by the introduction of inertial measurements in the prediction step, allows our system to localize himself over long distances, using exclusively sensors carried on board a mobile platform. By feeding the Extended Kalman Filter with inertial data we were able to overcome the major problem related with MonoSLAM implementations, known as scale factor ambiguity. Despite extreme lighting variations, reliable visual features were extracted through the SIFT algorithm, and inserted directly in the EKF mechanism according to the Inverse Depth Parametrization. Through the 1-Point RANSAC (Random Sample Consensus) wrong frame-to-frame feature matches were rejected. The developed method was tested based on a dataset acquired inside a road tunnel and the navigation results compared with a ground truth obtained by post-processing a high grade Inertial Navigation System and L1/L2 RTK-GPS measurements acquired outside the tunnel. Results from the localization strategy are presented and analyzed.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.