Introducing numerical analysis tools in engineering: a Scilab user case in electronics course

Software tools in education became popular since the widespread of personal computers. Engineering courses lead the way in this development and these tools became almost a standard. Engineering graduates are familiar with numerical analysis tools but also with simulators (e.g. electronic circuits), computer assisted design tools and others, depending on the degree. One of the main problems with these tools is when and how to start use them so that they can be beneficial to students and not mere substitutes for potentially difficult calculations or design. In this paper a software tool to be used by first year students in electronics/electricity courses is presented. The growing acknowledgement and acceptance of open source software lead to the choice of an open source software tool – Scilab, which is a numerical analysis tool – to develop a toolbox. The toolbox was developed to be used as standalone or integrated in an e-learning platform. The e-learning platform used was Moodle. The first approach was to assess the mathematical skills necessary to solve all the problems related to electronics and electricity courses. Analysing the existing circuit simulators software tools, it is clear that even though they are very helpful by showing the end result they are not so effective in the process of the students studying and self learning since they show results but not intermediate steps which are crucial in problems that involve derivatives or integrals. Also, they are not very effective in obtaining graphical results that could be used to elaborate reports and for an overall better comprehension of the results. The developed tool was based on the numerical analysis software Scilab and is a toolbox that gives their users the opportunity to obtain the end results of a circuit analysis but also the expressions obtained when derivative and integrals calculations, plot signals, obtain vector diagrams, etc. The toolbox runs entirely in the Moodle web platform and provides the same results as the standalone application. The students can use the toolbox through the web platform (in computers where they don't have installation privileges) or in their personal computers by installing both the Scilab software and the toolbox. This approach was designed for first year students from all engineering degrees that have electronics/electricity courses in their curricula.

Entropy analysis of DNA code dynamics in human chromosomes

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the most fundamental aspect of life but present day scientific knowledge has merely scratched the surface of the problem posed by its decoding. While experimental methods provide insightful clues, the adoption of analysis tools supported by the formalism of mathematics will lead to a systematic and solid build-up of knowledge. This paper studies human DNA from the perspective of system dynamics. By associating entropy and the Fourier transform, several global properties of the code are revealed. The fractional order characteristics emerge as a natural consequence of the information content. These properties constitute a small piece of scientific knowledge that will support further efforts towards the final aim of establishing a comprehensive theory of the phenomena involved in life.

Study of the Reliability of Statistical Timing Analysis for Real-Time Systems

Presented at 23rd International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS 2015). 4 to 6, Nov, 2015, Main Track. Lille, France.

"Gestão Oficinal no Setor Automóvel” - Caso de estudo na AMC, Lda.

A indústria automóvel no que respeita à gestão oficinal de qualidade é uma referência de dimensão e nível mundial. O constante avanço da indústria automóvel, o ciclo de vida dos produtos (automóveis) cada vez mais curtos e a competitividade entre empresas, requer uma procura constante de novas ferramentas de melhoria na gestão oficinal. Neste trabalho, centrado na gestão oficinal no setor automóvel, procuram-se introduzir novas abordagens que visem combater o decréscimo da rentabilidade neste setor. Como se depreende do exposto anteriormente, o objetivo principal desta dissertação é propor e avaliar (validar) propostas de melhoria que visem o aumento da rentabilidade financeira da empresa AMC – Auto Mecânica de Cambra, Lda. Com vista à prossecução deste objetivo foram definidos os seguintes objetivos intercalares na AMC: - Análise e levantamento dos problemas; - Identificação de potenciais causas; - Formulação de ações de propostas de melhoria na gestão da empresa; - Programação das ações e avaliação de resultados alcançados; A estrutura definida nesta dissertação após a sua introdução no capítulo 1 centra-se no capítulo 2 na apresentação da empresa AMC, com a descrição dos problemas levantados atendendo às vertentes mais críticas. Seguidamente, no capítulo 3, com ferramentas de análise de problemas, serão encontradas as causas raiz destes problemas. Posteriormente no capítulo seguinte serão criados planos de ações para a resolução das causas. No capítulo 4 as ações serão implementadas e avaliadas para garantir a sua eficácia e eficiência. Por fim, no capítulo 5 são descritas as conclusões e os desenvolvimentos futuros enquadráveis com a melhoria contínua da AMC. Como conclusão, este trabalho, mostra que várias propostas de melhoria implementadas trouxeram ganhos efetivos para a empresa e que futuras propostas são potencialmente válidas num futuro próximo. Esta dissertação com ligação direta à AMC tem igualmente dados que podem ser extrapolados e adaptados a outras empresas do mesmo setor. O objetivo principal deste estudo é a análise e o levantamento dos problemas com a utilização de ferramentas tais como: Benchmarking, Diagrama causa-efeito, ciclo PDCA, análise de SWOT e indicadores operativos da oficina.

População e Enriquecimento de Ontologias através de Web Scraping

O surgir da World Wide Web providenciou aos utilizadores uma série de oportunidades no que diz respeito ao acesso a dados e informação. Este acesso tornou-se um ato banal para qualquer utilizador da Web, tanto pelo utilizador comum como por outros mais experientes, tanto para obter informações básicas, como outras informações mais complexas. Todo este avanço tecnológico permitiu que os utilizadores tivessem acesso a uma vasta quantidade de informação, dispersa pelo globo, não tendo, na maior parte das vezes, a informação qualquer tipo de ligação entre si. A necessidade de se obter informação de interesse relativamente a determinado tema, mas tendo que recorrer a diversas fontes para obter toda a informação que pretende obter e comparar, torna-se um processo moroso para o utilizador. Pretende-se que este processo de recolha de informação de páginas web seja o mais automatizado possível, dando ao utilizador a possibilidade de utilizar algoritmos e ferramentas de análise e processamento automáticas, reduzindo desta forma o tempo e esforço de realização de tarefas sobre páginas web. Este processo é denominado Web Scraping. Neste trabalho é descrita uma arquitetura de sistema de web scraping automático e configurável baseado em tecnologias existentes, nomeadamente no contexto da web semântica. Para tal o trabalho desenvolvido analisa os efeitos da aplicação do Web Scraping percorrendo os seguintes pontos: • Identificação e análise de diversas ferramentas de web scraping; • Identificação do processo desenvolvido pelo ser humano complementar às atuais ferramentas de web scraping; • Design duma arquitetura complementar às ferramentas de web scraping que dê apoio ao processo de web scraping do utilizador; • Desenvolvimento dum protótipo baseado em ferramentas e tecnologias existentes; • Realização de experiências no domínio de aplicação de páginas de super-mercados portugueses; • Analisar resultados obtidos a partir destas.

Desenvolvimento de ferramentas BIM no âmbito do cálculo estrutural em situação de incêndio

Este trabalho insere-se no âmbito de um estágio curricular realizado no gabinete de projetos SE2P, durante o qual foram desenvolvidas ferramentas de cálculo estrutural em situação de incêndio, integradas numa metodologia de trabalho que segue os princípios inerentes à tecnologia BIM (Building Information Modeling). Em particular foi implementado um procedimento de análise ao fogo segundo os modelos simplificados prescritos pelos Eurocódigos. Estes modelos garantem a segurança estrutural, permitindo, de forma rápida e eficiente, a determinação das necessidades de proteção passiva para diferentes cenários, tendo em vista a obtenção da solução mais económica. Esta dissertação, para além da apresentação do trabalho desenvolvido em regime de estágio curricular, objetivou dotar o leitor de um documento que introduza os principais conceitos relativos ao cálculo estrutural em situação de incêndio, indicando as várias opções de análise e respetivas vantagens e desvantagens, ajudando a definir a sua adequabilidade ao projeto em estudo. Neste contexto é efetuada uma introdução geral ao fenómeno do fogo e às medidas mais correntes de proteção, indicando-se os documentos normativos aplicáveis tanto ao cálculo estrutural como aos materiais de proteção. É também abordada a interação entre as várias normas que devem ser consultadas quando é efetuada uma análise ao fogo, e quais se aplicam a cada fase da análise. Efetua-se uma clara distinção entre a análise do comportamento térmico e mecânico, indicando-se as principais propriedades dos materiais em função do tipo de análise e a forma como são afetadas pela temperatura. No campo da análise do comportamento térmico faz-se essencialmente referência aos modelos de cálculo simplificados do desenvolvimento da temperatura em elementos metálicos e vigas mistas, com e sem proteção passiva. No que concerne ao campo da análise do comportamento mecânico são descritos os modelos de cálculo simplificados para a verificação da segurança estrutural atendendo às ações e combinações em situação de incêndio e à perda de resistência a temperaturas elevadas. Relativamente ao trabalho desenvolvido na SE2P, relativo ao desenvolvimento de ferramentas de cálculo e a sua implementação na análise ao fogo, realiza-se uma descrição detalhada de todo o processo, e da forma como se integra no conceito BIM, utilizando informações provenientes da modelação das estruturas e introduzindo novos dados ao modelo. Realizou-se também a aplicação de todo o procedimento de análise e das ferramentas desenvolvidas, a um caso de estudo baseado num edifício de habitação. Este caso de estudo serviu também para criar cenários de otimização utilizando-se referências de preços de mercado para o aço, sua transformação em fábrica e sistemas de proteção passiva, demonstrando-se a dificuldade em encontrar caminhos rápidos e diretos de decisão no processo de otimização.

A framework for using real data with distributed low cost sensors

Currently, due to the widespread use of computers and the internet, students are trading libraries for the World Wide Web and laboratories with simulation programs. In most courses, simulators are made available to students and can be used to proof theoretical results or to test a developing hardware/product. Although this is an interesting solution: low cost, easy and fast way to perform some courses work, it has indeed major disadvantages. As everything is currently being done with/in a computer, the students are loosing the “feel” of the real values of the magnitudes. For instance in engineering studies, and mainly in the first years, students need to learn electronics, algorithmic, mathematics and physics. All of these areas can use numerical analysis software, simulation software or spreadsheets and in the majority of the cases data used is either simulated or random numbers, but real data could be used instead. For example, if a course uses numerical analysis software and needs a dataset, the students can learn to manipulate arrays. Also, when using the spreadsheets to build graphics, instead of using a random table, students could use a real dataset based, for instance, in the room temperature and its variation across the day. In this work we present a framework which uses a simple interface allowing it to be used by different courses where the computers are the teaching/learning process in order to give a more realistic feeling to students by using real data. A framework is proposed based on a set of low cost sensors for different physical magnitudes, e.g. temperature, light, wind speed, which are connected to a central server, that the students have access with an Ethernet protocol or are connected directly to the student computer/laptop. These sensors use the communication ports available such as: serial ports, parallel ports, Ethernet or Universal Serial Bus (USB). Since a central server is used, the students are encouraged to use sensor values results in their different courses and consequently in different types of software such as: numerical analysis tools, spreadsheets or simply inside any programming language when a dataset is needed. In order to do this, small pieces of hardware were developed containing at least one sensor using different types of computer communication. As long as the sensors are attached in a server connected to the internet, these tools can also be shared between different schools. This allows sensors that aren't available in a determined school to be used by getting the values from other places that are sharing them. Another remark is that students in the more advanced years and (theoretically) more know how, can use the courses that have some affinities with electronic development to build new sensor pieces and expand the framework further. The final solution provided is very interesting, low cost, simple to develop, allowing flexibility of resources by using the same materials in several courses bringing real world data into the students computer works.

Melhoria do Processo Produtivo da Pietec Através das Ferramentas Kaizen

Esta Tese de Mestrado foi realizada na empresa Pietec Cortiças S.A.. A empresa Pietec Cortiças S.A. é a unidade industrial responsável pela produção de rolhas técnicas de cortiça do Grupo Piedade. O objetivo desta tese prende-se com a melhoria do processo produtivo de uma das suas secções, a secção da Marcação. Esta secção é responsável pela marcação da superfície da rolha, pela aplicação do tratamento de superfície e pelo embalamento das rolhas. A otimização do processo da secção de Marcação, na qualidade de última secção do processo produtivo, permitirá à empresa obter vantagens competitivas. De forma a atingir o objetivo proposto, foi realizado um levantamento exaustivo do processo produtivo e das respetivas operações. Esta análise permitiu a identificação dos possíveis pontos de desperdício, a sua avaliação e a definição de possíveis melhorias que visam o aumento de produtividade e a redução do número de produtos não conformes. Uma vez identificados os pontos críticos do processo, procedeu-se à definição das ações de melhoria a implementar de forma a melhorar o processo produtivo. As ações tomadas assentam na filosofia Lean e nos seus princípios, utilizando-se algumas das ferramentas desta filosofia para concretizar os objetivos traçados. A ferramenta de análise Plan-Do-Check-Act (PDCA) foi a ferramenta base do projeto, acompanhando na elaboração do plano de ação, na implementação das ferramentas 5S e Single Minute Exchange of Die (SMED), na verificação dos resultados e no plano de manutenção das melhorias alcançadas. Após a implementação das medidas definidas no processo de marcação da superfície das rolhas, foi mensurada uma melhoria de 23 % no tempo médio de setup da máquina de marcação. Esta melhoria global foi alcançada através de intervenções no processo de vazamento do circuito da máquina de marcação, no procedimento de armazenamento dos moldes de marcação e na alteração dos mecanismos de ajuste da máquina de marcar e de orientar. No processo de embalamento das rolhas, as medidas implementadas produziram um aumento de 1,7 % no número de rolhas produzidas e uma redução do número de rolhas não conformes de 3,6 %. Os resultados obtidos no projeto demonstram que é possível continuar a melhorar o estado atual dos processos. Constatou-se ainda que, com a adoção de ferramentas de análise e de proposta de melhoria adequadas, é possível atuar sobre os processos e obter melhorias a curto prazo, sem que para isso seja necessário efetuar grandes investimentos.

Engineering real-time applications with WorldFIP: tools and analysis

WorldFIP is standardised as European Norm EN 50170 - General Purpose Field Communication System. Field communication systems (fieldbuses) started to be widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS), and are being used in all sorts of process control and manufacturing applications within different types of industries. There are several advantages in using fieldbuses as a replacement of for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems. Indeed they concern economical ones (cable savings) but, importantly, fieldbuses allow an increased decentralisation and distribution of the processing power over the field. Typically DCCS have real-time requirements that must be fulfilled. By this, we mean that process data must be transferred between network computing nodes within a maximum admissible time span. WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers. It explicit distinguishes to types of traffic: periodic and aperiodic. In this paper we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis for guaranteeing the real-time requirements of both types of traffic. A major contribution is made in the analysis of worst-case response time of aperiodic transfer requests.

Tools for simulation output analysis

This technical report presents a description of the output data files and the tools used to validate and to extract information from the output data files generated by the Repeater-Based Hybrid Wired/Wireless Network Simulator and the Bridge-Based Hybrid Wired/Wireless Network Simulator.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

From design-for-test to design-for-debug-and-test: analysis of requirements and limitations for 1149.1

The increasing complexity of VLSI circuits and the reduced accessibility of modern packaging and mounting technologies restrict the usefulness of conventional in-circuit debugging tools, such as in-circuit emulators for microprocessors and microcontrollers. However, this same trend enables the development of more complex products, which in turn require more powerful debugging tools. These conflicting demands could be met if the standard scan test infrastructures now common in most complex components were able to match the debugging requirements of design verification and prototype validation. This paper analyses the main debug requirements in the design of microprocessor-based applications and the feasibility of their implementation using the mandatory, optional and additional operating modes of the standard IEEE 1149.1 test infrastructure.

Dynamical analysis of compositions

This paper analyzes musical opus from the point of view of two mathematical tools, namely the entropy and the multidimensional scaling (MDS). The Fourier analysis reveals a fractional dynamics, but the time rhythm variations are diluted along the spectrum. The combination of time-window entropy and MDS copes with the time characteristics and is well suited to treat a large volume of data. The experiments focus on a large number of compositions classified along three sets of musical styles, namely “Classical”, “Jazz”, and “Pop & Rock” compositions. Without lack of generality, the present study describes the application of the tools and the sets of musical compositions in a methodology leading to clear conclusions, but extensions to other possibilities are straightforward. The results reveal significant differences in the musical styles, demonstrating the feasibility of the proposed strategy and motivating further developments toward a dynamical analysis of musical compositions.

Multi-dimensional scaling applied to histogram-based DNA analysis

This paper aims to study the relationships between chromosomal DNA sequences of twenty species. We propose a methodology combining DNA-based word frequency histograms, correlation methods, and an MDS technique to visualize structural information underlying chromosomes (CRs) and species. Four statistical measures are tested (Minkowski, Cosine, Pearson product-moment, and Kendall τ rank correlations) to analyze the information content of 421 nuclear CRs from twenty species. The proposed methodology is built on mathematical tools and allows the analysis and visualization of very large amounts of stream data, like DNA sequences, with almost no assumptions other than the predefined DNA “word length.” This methodology is able to produce comprehensible three-dimensional visualizations of CR clustering and related spatial and structural patterns. The results of the four test correlation scenarios show that the high-level information clusterings produced by the MDS tool are qualitatively similar, with small variations due to each correlation method characteristics, and that the clusterings are a consequence of the input data and not method’s artifacts.

A multidimensional scaling analysis of musical sounds based on pseudo phase plane

This paper studies musical opus from the point of view of three mathematical tools: entropy, pseudo phase plane (PPP), and multidimensional scaling (MDS). The experiments analyze ten sets of different musical styles. First, for each musical composition, the PPP is produced using the time series lags captured by the average mutual information. Second, to unravel hidden relationships between the musical styles the MDS technique is used. The MDS is calculated based on two alternative metrics obtained from the PPP, namely, the average mutual information and the fractal dimension. The results reveal significant differences in the musical styles, demonstrating the feasibility of the proposed strategy and motivating further developments towards a dynamical analysis of musical sounds.