Introduction to the special issue on real world applications of intelligent tutoring systems

The idea behind creating this special issue on real world applications of intelligent tutoring systems was to bring together in a single publication some of the most important examples of success in the use of ITS technology. This will serve as a reference to all researchers working in the area. It will also be an important resource for the industry, showing the maturity of ITS technology and creating an atmosphere for funding new ITS projects. Simultaneously, it will be valuable to academic groups, motivating students for new ideas of ITS and promoting new academic research work in the area.

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.

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.

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.

Fractional dynamics of genetic algorithms using hexagonal space tessellation

The paper formulates a genetic algorithm that evolves two types of objects in a plane. The fitness function promotes a relationship between the objects that is optimal when some kind of interface between them occurs. Furthermore, the algorithm adopts an hexagonal tessellation of the two-dimensional space for promoting an efficient method of the neighbour modelling. The genetic algorithm produces special patterns with resemblances to those revealed in percolation phenomena or in the symbiosis found in lichens. Besides the analysis of the spacial layout, a modelling of the time evolution is performed by adopting a distance measure and the modelling in the Fourier domain in the perspective of fractional calculus. The results reveal a consistent, and easy to interpret, set of model parameters for distinct operating conditions.

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.

Fractional describing function of systems with nonlinear friction

This paper studies the describing function (DF) of systems consisting in a mass subjected to nonlinear friction. The friction force is composed in three components namely, the viscous, the Coulomb and the static forces. The system dynamics is analyzed in the DF perspective revealing a fractional-order behaviour. The reliability of the DF method is evaluated through the signal harmonic content and the limit cycle prediction.

Delamination analysis of carbon fibre reinforced laminates: evaluation of a special step drill

Drilling of carbon fibre/epoxy laminates is usually carried out using standard drills. However, it is necessary to adapt the processes and/or tooling as the risk of delamination, or other damages, is high. These problems can affect mechanical properties of produced parts, therefore, lower reliability. In this paper, four different drills – three commercial and a special step (prototype) – are compared in terms of thrust force during drilling and delamination. In order to evaluate damage, enhanced radiography is applied. The resulting images were then computational processed using a previously developed image processing and analysis platform. Results show that the prototype drill had encouraging results in terms of maximum thrust force and delamination reduction. Furthermore, it is possible to state that a correct choice of drill geometry, particularly the use of a pilot hole, a conservative cutting speed – 53 m/min – and a low feed rate – 0.025 mm/rev – can help to prevent delamination.

Integration of e-learning systems with repositories of learning objects

This paper describes a communication model to integrate repositories of programming problems with other e-Learning software components. The motivation for this work comes from the EduJudge project that aims to connect an existing repository of programming problems to learning management systems. When trying to use the existing repositories of learning objects we realized that they are mainly specialized search engines and lack features for integration with other e-Learning systems. With this model we intend to clarify the main features of a programming problem repository, in order to enable the design and development of software components that use it. The two main points of this model are the definition of programming problems as learning objects and the definition of the core functions exposed by the repository. In both cases, this model follows the existing specifications of the IMS standard and proposes extensions to deal with the special requirements of automatic evaluation and grading of programming exercises. In the definition of programming problems as learning objects we introduced a new schema for meta-data. This schema is used to represent meta-data related to automatic evaluation that cannot be conveniently represented using the standard: the type of automatic evaluation; the requirements of the evaluation engine; or the roles of different assets - tests cases, program solutions, etc. In the definition of the core functions we used two different web services flavours - SOAP and REST - and described each function as an operation for each type of interface. We describe also the data types of the arguments of each operation. These data types consist mainly on learning objects and their identifications, but include also usage reports and queries using XQuery.

Describing function of two masses with backlash

This paper analyzes the dynamical properties of systems with backlash and impact phenomena based on the describing function method. It is shown that this type of nonlinearity can be analyzed in the perspective of the fractional calculus theory. The fractional dynamics is compared with that of standard models.

Fractional describing function of systems with Coulomb friction

This paper studies the describing function (DF) of systems constituted by a mass subjected to nonlinear friction. The friction force is decomposed into two components, namely, the viscous and the Coulomb friction. The system dynamics is analyzed in the DF perspective revealing a fractional-order behavior. The reliability of the DF method is evaluated through the signal harmonic contents.