Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

Adaptive modeling and high quality spectral estimation for speech enhancement

In this work an adaptive modeling and spectral estimation scheme based on a dual Discrete Kalman Filtering (DKF) is proposed for speech enhancement. Both speech and noise signals are modeled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and improves time-frequency resolution. The model parameters are arranged to obtain a combined state-space model and are also used to calculate instantaneous power spectral density estimates. The speech enhancement is performed by a dual discrete Kalman filter that simultaneously gives estimates for the models and the signals. This approach is particularly useful as a pre-processing module for parametric based speech recognition systems that rely on spectral time dependent models. The system performance has been evaluated by a set of human listeners and by spectral distances. In both cases the use of this pre-processing module has led to improved results.

User modeling and recommendation strategies for tourism

Mestrado em Engenharia Informática

Biomechanical modeling and simulation of the spider crab (maja brachydactyla)

Uma linha de pesquisa e desenvolvimento na área da robótica, que tem recebido atenção crescente nos últimos anos, é o desenvolvimento de robôs biologicamente inspirados. A ideia é adquirir conhecimento de seres biológicos, cuja evolução ocorreu ao longo de milhões de anos, e aproveitar o conhecimento assim adquirido para implementar a locomoção pelos mesmos métodos (ou pelo menos usar a inspiração biológica) nas máquinas que se constroem. Acredita-se que desta forma é possível desenvolver máquinas com capacidades semelhantes às dos seres biológicos em termos de capacidade e eficiência energética de locomoção. Uma forma de compreender melhor o funcionamento destes sistemas, sem a necessidade de desenvolver protótipos dispendiosos e com longos tempos de desenvolvimento é usar modelos de simulação. Com base nestas ideias, o objectivo deste trabalho passa por efectuar um estudo da biomecânica da santola (Maja brachydactyla), uma espécie de caranguejo comestível pertencente à família Majidae de artrópodes decápodes, usando a biblioteca de ferramentas SimMechanics da aplicação Matlab / Simulink. Esta tese descreve a anatomia e locomoção da santola, a sua modelação biomecânica e a simulação do seu movimento no ambiente Matlab / SimMechanics e SolidWorks.

Multimedia fate modeling and comparative impact on freshwater ecosystems of pharmaceuticals from biosolids-amended soils

This study modeled the impact on freshwater ecosystems of pharmaceuticals detected in biosolids following application on agricultural soils. The detected sulfonamides and hydrochlorothiazide displayed comparatively moderate retention in solid matrices and, therefore, higher transfer fractions from biosolids to the freshwater compartment. However, the residence times of these pharmaceuticals in freshwater were estimated to be short due to abiotic degradation processes. The non-steroidal anti-inflammatory mefenamic acid had the highest environmental impact on aquatic ecosystems and warrants further investigation. The estimation of the solid-water partitioning coefficient was generally the most influential parameter of the probabilistic comparative impact assessment. These results and the modeling approach used in this study serve to prioritize pharmaceuticals in the research effort to assess the risks and the environmental impacts on aquatic biota of these emerging pollutants.

Modeling and control of a dragonfly-like robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, the dynamics of a dragonfly-inspired robot is studied. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movements, the dynamics, and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

Fractional Calculus: Application in modeling and control

This contribution introduces the fractional calculus (FC) fundamental mathematical aspects and discuses some of their consequences. Based on the FC concepts, the chapter reviews the main approaches for implementing fractional operators and discusses the adoption of FC in control systems. Finally are presented some applications in the areas of modeling and control, namely fractional PID, heat diffusion systems, electromagnetism, fractional electrical impedances, evolutionary algorithms, robotics, and nonlinear system control.

Modeling and Control of a Dragonfly-Like Robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper it is studied the dynamics of a dragonfly-inspired robot. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movement, the dynamics and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Análise do comportamento de estruturas através de ensaios de carga

A engenharia civil, rege-se pela garantia de segurança e de funcionalidade das obras que projeta e executa. Para cumprir tais requisitos, é necessário durante a sua vida útil, no final da construção, reforço ou reabilitação, proceder à avaliação da conformidade entre o comportamento real da estrutura e os pressupostos subjacentes ao projeto. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão e análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Sorraia, através da realização de ensaios de carga apoiados pela conceção de um modelo numérico devidamente calibrado, capaz de simular a resposta da estrutura, o mais próximo possível do observável na realidade. Para alcançar o objetivo pré definido elencam-se as metodologias relevantes, descrevem-se os tipos de ensaios de carga realizados em pontes/viadutos e faz-se referência aos aparelhos de medição que estão na base da instrumentação aplicada em obras. Esta introdução foca-se ainda na modelação numérica, permitindo o conhecimento básico necessário para a criação e atualização de modelos numéricos de pontes. Relativamente ao caso de estudo expõe-se a realização do ensaio de carga, descrevendo todo o processo, bem como os resultados obtidos ao nível das grandezas de medição estudadas. Aqui é concebido um modelo numérico base da ponte, alvo de discussão ao nível do comportamento estrutural, baseada na validação dos resultados obtidos por via experimental, através da comparação com os obtidos por via numérica. Por fim, o estudo e seleção de diversos parâmetros da modelação, facultando a calibração do modelo numérico da ponte. Os resultados obtidos neste modelo comprovam o seu elevado potencial, no apoio à observação e compreensão do comportamento de estruturas através da realização de ensaios de carga. O sucesso da realização de uma análise do comportamento de estruturas, através de ensaios de carga, depende assim fundamentalmente, da correta execução do ensaio, da correta conceção e atualização do modelo numérico e da interligação entre os resultados experimentais e numéricos.

Modelling real solar cell using PSCAD/MATLAB

This paper presents the development of a solar photovoltaic (PV) model based on PSCAD/EMTDC - Power System Computer Aided Design – including a mathematical model study. An additional algorithm has been implemented in MATLAB software in order to calculate several parameters required by the PSCAD developed model. All the simulation study has been performed in PSCAD/MATLAB software simulation tool. A real data base concerning irradiance, cell temperature and PV power generation was used in order to support the evaluation of the implemented PV model.

Training control centers' operators in incident diagnosis and power restoration using intelligent tutoring systems

The activity of Control Center operators is important to guarantee the effective performance of Power Systems. Operators’ actions are crucial to deal with incidents, especially severe faults like blackouts. In this paper, we present an Intelligent Tutoring approach for training Portuguese Control Center operators in tasks like incident analysis and diagnosis, and service restoration of Power Systems. Intelligent Tutoring System (ITS) approach is used in the training of the operators, having into account context awareness and the unobtrusive integration in the working environment. Several Artificial Intelligence techniques were criteriously used and combined together to obtain an effective Intelligent Tutoring environment, namely Multiagent Systems, Neural Networks, Constraint-based Modeling, Intelligent Planning, Knowledge Representation, Expert Systems, User Modeling, and Intelligent User Interfaces.

Exploração do UML para a derivação automática de requisitos arquitecturais. Uma abordagem orientada a modelos

O desenvolvimento de software orientado a modelos defende a utilização dos modelos como um artefacto que participa activamente no processo de desenvolvimento. O modelo ocupa uma posição que se encontra ao mesmo nível do código. Esta é uma abordagem importante que tem sido alvo de atenção crescente nos últimos tempos. O Object Management Group (OMG) é o responsável por uma das principais especificações utilizadas na definição da arquitectura dos sistemas cujo desenvolvimento é orientado a modelos: o Model Driven Architecture (MDA). Os projectos que têm surgido no âmbito da modelação e das linguagens específicas de domínio para a plataforma Eclipse são um bom exemplo da atenção dada a estas áreas. São projectos totalmente abertos à comunidade, que procuram respeitar os standards e que constituem uma excelente oportunidade para testar e por em prática novas ideias e abordagens. Nesta dissertação foram usadas ferramentas criadas no âmbito do Amalgamation Project, desenvolvido para a plataforma Eclipse. Explorando o UML e usando a linguagem QVT, desenvolveu-se um processo automático para extrair elementos da arquitectura do sistema a partir da definição de requisitos. Os requisitos são representados por modelos UML que são transformados de forma a obter elementos para uma aproximação inicial à arquitectura do sistema. No final, obtêm-se um modelo UML que agrega os componentes, interfaces e tipos de dados extraídos a partir dos modelos dos requisitos. É uma abordagem orientada a modelos que mostrou ser exequível, capaz de oferecer resultados práticos e promissora no que concerne a trabalho futuro.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.