Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Modelado y análisis del comportamiento hidro-elástico de rotores para DAECS

La transformación de la energía cinética del mar en una fuente renovable de energía eléctrica podría ser un hecho relevante desde el punto de visto tecnológico en un futuro cercano. En el campo de las energías renovables marinas, las turbinas de corrientes de eje horizontal son posiblemente el dispositivo más adecuado para la obtención de electricidad. Las técnicas de cálculo existentes en la actualidad para obtener las distribuciones de cargas a las que está sometida una pala de una turbina de corrientes son las siguientes: Modelos de disco actuador, Método de líneas sustentadoras y método de elementos finitos. Estas técnicas presentan ciertas dificultades para su implementación y obtención de resultados preliminares, ya que entrañan gran complejidad conceptual y su entendimiento no resulta sencillo ni tampoco elaborar procedimientos de cálculo que se puedan utilizar durante la fase de diseño conceptual o básico de una turbina. En este trabajo, se analizarán los conceptos físicos y matemáticos que intervienen en el funcionamiento de una turbina de corrientes, para confeccionar un método o procedimiento de cálculo que sea relativamente intuitivo y sencillo de manejar. Esta herramienta de cálculo permitirá obtener resultados para el diseño básico, y también puede ser un punto de partida para manejar otras herramientas de cálculo más avanzadas ya que los principios fundamentales son los mismos. En la parte final del trabajo se aplicarán las ecuaciones obtenidas a varios casos reales de turbinas de corrientes. ABSTRACT Transforming the kinetic energy of the sea into renewable useful source electricity could be a relevant technologic development in the near future. In this field, marine horizontal axis turbines (HAT) are possibly, the most important devices. The current calculation techniques used to obtain the acting forces or loads in the marine current horizontal axis rotor blades: Actuator disc models, lifting lines and finite element method, have certain disadvantages which lead difficulties to obtain relatively quick results, in addition, these methods are not easy to understand and mastering, and furthermore, complex computing tools are required to obtain results. In the present work, the common physical and mathematic fundamentals will be studied and analyzed with the aim to create a new easier managing calculating tool. The proposed procedure of this document can be considered as a help towards to calculate preliminary solutions easier, and also a starting point to manage physical ideas which could be used with other calculation tools. And finally, the mathematic fundamentals will be explained and the implementation of the equations in a real case. Nevertheless, due to the real complexity of the problem, the assumed simplifications of this model must be taken into account, in order to know the possible calculating limitations of this procedure and consequently use it correctly.

Modelo para la medición con máquinas de visión e iluminación episcópica mediante la aplicación de técnicas de resolución subpíxel y aproximación bayesiana

En esta tesis se desarrolla un modelo físico-matemático, original, que permite simular el comportamiento de las máquinas de visión, en particular las máquinas ópticas digitales, cuando reciben información a través de la luz reflejada por los mensurandos. El modelo desarrollado se lia aplicado para la determinación de los parámetros que intervienen en el proceso de caracterización de formas geométricas básicas, tales como líneas, círculos y elipses. También se analizan las fuentes de error que intervienen a lo largo de la cadena metrológica y se proponen modelos de estimación de las incertidumbres de medida a través un nuevo enfoque basado en estadística bayesiana y resolución subpíxel. La validez del modelo se ha comprobado por comparación de los resultados teóricos, obtenidos a partir de modelos virtuales y simulaciones informáticas, y los reales, obtenidos mediante la realización de medidas de diferentes mensurandos del ámbito electromecánico y de dimensiones submilimétricas. Utilizando el modelo propuesto, es posible caracterizar adecuadamente mensurandos a partir del filtrado, segmentación y tratamiento matemático de las imágenes. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Los modelos desarrollados se han implementado sobre imágenes obtenidas con la máquina de visión marca TESA, modelo VISIO 300. Abstract In this PhD Thesis an original mathematic-physic model has been developed. It allows simulating the behaviour of the vision measuring machines, in particular the optical digital machines, where they receive information through the light reflected by the measurands. The developed model has been applied to determine the parameters involved in the process of characterization of basic geometrical features such as lines, circles and ellipses. The error sources involved along the metrological chain also are analyzed and new models for estimating measurement uncertainties through a new approach based on Bayesian statistics and subpixel resolution are proposed. The validity of the model has been verified by comparing the theoretical results obtained from virtual models and computer simulations, with actual ones, obtained by measuring of various measurands belonging to the electromechanical field and of submillimeter dimensions. Using the proposed model, it is possible to properly characterize measurands from filtering, segmentation and mathematical processing of images. The experimental study and final validation of the results has been carried out in the "Laboratorio de Metrología Dimensional" (Dimensional Metrology Laboratory) at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) (School of Engineering and Industrial Design) at Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The developed models have been implemented on images obtained with the vision measuring machine of the brand TESA, model VISIO 300.

DETERMINAÇÃO DAS FORMAS DO ARCO DENTÁRIO INFERIOR NA OCLUSÃO NORMAL NATURAL

Com a finalidade de determinar as formas do arco dentário inferior de maior incidência na oclusão normal natural, utilizou-se um método matemático associado ao emprego de uma função polinomial, o qual foi aplicado a 63 modelos de arcadas inferiores selecionados a partir de 6118 adolescentes. Todos os indivíduos eram portadores de dentição permanente, incluindo os segundos molares, e oclusão normal natural. Em cada dente foi fixada uma esfera de vidro, que teve a função de simular o acessório do aparelho ortodôntico, sendo utilizada na medição das distâncias entre o centro da imagem dessas esferas aos eixos x e y. Após a digitalização dos modelos de gesso, as imagens foram plotadas em um programa de computador, a fim de se obterem a função polinomial de sexto grau e o gráfico dessa função para os 126 segmentos de curva, originados das secções das imagens em lado direito e esquerdo. A seguir organizaram-se esses segmentos, de acordo com as características da curvatura anterior dos arcos dentários, em oito grupos diferentes de formas, que receberam as denominações de Forma A, Forma B, Forma C, Forma D, Forma E, Forma F, Forma G, Forma H. Cada grupo foi, então, dividido em três subgrupos, conforme os tamanhos pequeno, médio e grande. Os resultados indicaram 23 formas representativas do arco dentário inferior e uma forma média para a oclusão normal natural.

DETERMINAÇÃO DAS FORMAS DO ARCO DENTÁRIO INFERIOR NA OCLUSÃO NORMAL NATURAL

Com a finalidade de determinar as formas do arco dentário inferior de maior incidência na oclusão normal natural, utilizou-se um método matemático associado ao emprego de uma função polinomial, o qual foi aplicado a 63 modelos de arcadas inferiores selecionados a partir de 6118 adolescentes. Todos os indivíduos eram portadores de dentição permanente, incluindo os segundos molares, e oclusão normal natural. Em cada dente foi fixada uma esfera de vidro, que teve a função de simular o acessório do aparelho ortodôntico, sendo utilizada na medição das distâncias entre o centro da imagem dessas esferas aos eixos x e y. Após a digitalização dos modelos de gesso, as imagens foram plotadas em um programa de computador, a fim de se obterem a função polinomial de sexto grau e o gráfico dessa função para os 126 segmentos de curva, originados das secções das imagens em lado direito e esquerdo. A seguir organizaram-se esses segmentos, de acordo com as características da curvatura anterior dos arcos dentários, em oito grupos diferentes de formas, que receberam as denominações de Forma A, Forma B, Forma C, Forma D, Forma E, Forma F, Forma G, Forma H. Cada grupo foi, então, dividido em três subgrupos, conforme os tamanhos pequeno, médio e grande. Os resultados indicaram 23 formas representativas do arco dentário inferior e uma forma média para a oclusão normal natural.

Matemática se aprende brincando?! Jogos Eletrônicos como uma possibilidade de Ensino

Esta dissertação tem como objetivo analisar a minha ação docente em aulas de matemática, que implicam a utilização de dois tipos de jogos eletrônicos em ambiente informatizado. Para tanto, foram observadas as ações e reações dos educandos ao utilizarem os jogos eletrônicos, a manifestação do pensamento, do raciocínio e de estratégias para a solução dos problemas encontrados. A metodologia desta pesquisa caracterizou-se pela natureza qualitativa - aos moldes da pesquisa-ação - numa modalidade narrativa, desenvolvendo-se pelas pesquisas bibliográficas e de campo. A coleta dos dados foi realizada por meio de entrevista semi-estruturada aplicada a nove sujeitos pertencentes a duas classes de 5ª série do ensino fundamental, em sua segunda fase. A análise dos resultados e das observações em sala de aula possibilitou concluir que os jogos, de uma maneira geral, e os eletrônicos, de forma específica, podem ser utilizados como ferramentas úteis no ensino da Matemática, proporcionando um aprendizado prazeroso, sob a orientação criteriosa do professor.

Matemática se aprende brincando?! Jogos Eletrônicos como uma possibilidade de Ensino

Esta dissertação tem como objetivo analisar a minha ação docente em aulas de matemática, que implicam a utilização de dois tipos de jogos eletrônicos em ambiente informatizado. Para tanto, foram observadas as ações e reações dos educandos ao utilizarem os jogos eletrônicos, a manifestação do pensamento, do raciocínio e de estratégias para a solução dos problemas encontrados. A metodologia desta pesquisa caracterizou-se pela natureza qualitativa - aos moldes da pesquisa-ação - numa modalidade narrativa, desenvolvendo-se pelas pesquisas bibliográficas e de campo. A coleta dos dados foi realizada por meio de entrevista semi-estruturada aplicada a nove sujeitos pertencentes a duas classes de 5ª série do ensino fundamental, em sua segunda fase. A análise dos resultados e das observações em sala de aula possibilitou concluir que os jogos, de uma maneira geral, e os eletrônicos, de forma específica, podem ser utilizados como ferramentas úteis no ensino da Matemática, proporcionando um aprendizado prazeroso, sob a orientação criteriosa do professor.

Avaliação de conflitos de usos múltiplos de água na bacia hidrográfica do Rio Jaguari - SP, através de simulação computacional

No gerenciamento de recursos hídricos, a bacia hidrográfica é considerada a unidade natural de gestão. Suas características físicas definem um espaço onde a água converge para uma saída comum. O desenvolvimento integrado de uma bacia, bem como os possíveis conflitos ocasionados por demandas concorrentes do mesmo recurso, devem ser administrados respeitando esse conceito de unidade. No caso específico da bacia hidrográfica do Rio Jaguari, existe uma crescente preocupação relacionada aos usos múltiplos da água superficial. O rio Jaguari, importante afluente do Paraíba do Sul no estado de São Paulo, tem suas águas represadas para geração de energia elétrica e regularização de vazões. Nos últimos anos, tem-se constatado um crescente rebaixamento dos níveis operacionais da represa do Jaguari. Segundo estudos da sociedade civil organizada local, a tendência é de esgotamento do reservatório em poucos anos. Este trabalho aborda a questão do rebaixamento dos níveis de Jaguari através da aplicação do software DHI Mike Basin 2000. Trata-se de um simulador genérico para sistemas de recursos hídricos, de ampla aplicação. A bacia do Jaguari é representada em um modelo matemático e são simulados quatro cenários distintos de usos de água na bacia. Verifica-se que o problema é real e requer uma intervenção multi-institucional para ser solucionado.

Estudo de balística interna

O conhecimento e a compreensão dos processos que ocorrem no interior do tubo de uma arma de fogo, desde a ignição da carga propulsora, até à saída do projétil, é importante no desenvolvimento do armamento, de uma forma económica e segura. Com a modelação matemática destes processos, que é uma abordagem muito utilizada atualmente, é possível otimizar a carga explosiva e os materiais utilizados. Este estudo foi realizado no âmbito do projeto FIREND, resultante da colaboração entre a Academia Militar e o Instituto Superior Técnico O modelo desenvolvido foi aplicado a um sistema, arma, carga propulsora e projétil, já existente, tendo os resultados obtidos sido validados com o software PRODAS e tabelas referentes ao presente sistema. Para melhor compreender a importância das variáveis envolvidas, é feita uma análise de sensibilidade a diversos parâmetros balísticos, mantendo constante as dimensões da arma em estudo. Na análise dos resultados verifica-se que a cinta de travamento é um elemento muito importante, alterando significativamente os valores da pressão e da velocidade. Verificou-se também que com cargas propulsoras de maior taxa de queima é possível obter valores mais elevados de pressão máxima e velocidade à saída. Palavras chave: Balística interna; Projétil de Artilharia; Pressão; Velocidade; Modelação matemática; Análise de sensibilidade.

A cognitive genetic algorithm for power distribution system planning

Power systems are large scale nonlinear systems with high complexity. Various optimization techniques and expert systems have been used in power system planning. However, there are always some factors that cannot be quantified, modeled, or even expressed by expert systems. Moreover, such planning problems are often large scale optimization problems. Although computational algorithms that are capable of handling large dimensional problems can be used, the computational costs are still very high. To solve these problems, in this paper, investigation is made to explore the efficiency and effectiveness of combining mathematic algorithms with human intelligence. It had been discovered that humans can join the decision making progresses by cognitive feedback. Based on cognitive feedback and genetic algorithm, a new algorithm called cognitive genetic algorithm is presented. This algorithm can clarify and extract human's cognition. As an important application of this cognitive genetic algorithm, a practical decision method for power distribution system planning is proposed. By using this decision method, the optimal results that satisfy human expertise can be obtained and the limitations of human experts can be minimized in the mean time.

Matemática se aprende brincando?! Jogos Eletrônicos como uma possibilidade de Ensino

Esta dissertação tem como objetivo analisar a minha ação docente em aulas de matemática, que implicam a utilização de dois tipos de jogos eletrônicos em ambiente informatizado. Para tanto, foram observadas as ações e reações dos educandos ao utilizarem os jogos eletrônicos, a manifestação do pensamento, do raciocínio e de estratégias para a solução dos problemas encontrados. A metodologia desta pesquisa caracterizou-se pela natureza qualitativa - aos moldes da pesquisa-ação - numa modalidade narrativa, desenvolvendo-se pelas pesquisas bibliográficas e de campo. A coleta dos dados foi realizada por meio de entrevista semi-estruturada aplicada a nove sujeitos pertencentes a duas classes de 5ª série do ensino fundamental, em sua segunda fase. A análise dos resultados e das observações em sala de aula possibilitou concluir que os jogos, de uma maneira geral, e os eletrônicos, de forma específica, podem ser utilizados como ferramentas úteis no ensino da Matemática, proporcionando um aprendizado prazeroso, sob a orientação criteriosa do professor.

DETERMINAÇÃO DAS FORMAS DO ARCO DENTÁRIO INFERIOR NA OCLUSÃO NORMAL NATURAL

Com a finalidade de determinar as formas do arco dentário inferior de maior incidência na oclusão normal natural, utilizou-se um método matemático associado ao emprego de uma função polinomial, o qual foi aplicado a 63 modelos de arcadas inferiores selecionados a partir de 6118 adolescentes. Todos os indivíduos eram portadores de dentição permanente, incluindo os segundos molares, e oclusão normal natural. Em cada dente foi fixada uma esfera de vidro, que teve a função de simular o acessório do aparelho ortodôntico, sendo utilizada na medição das distâncias entre o centro da imagem dessas esferas aos eixos x e y. Após a digitalização dos modelos de gesso, as imagens foram plotadas em um programa de computador, a fim de se obterem a função polinomial de sexto grau e o gráfico dessa função para os 126 segmentos de curva, originados das secções das imagens em lado direito e esquerdo. A seguir organizaram-se esses segmentos, de acordo com as características da curvatura anterior dos arcos dentários, em oito grupos diferentes de formas, que receberam as denominações de Forma A, Forma B, Forma C, Forma D, Forma E, Forma F, Forma G, Forma H. Cada grupo foi, então, dividido em três subgrupos, conforme os tamanhos pequeno, médio e grande. Os resultados indicaram 23 formas representativas do arco dentário inferior e uma forma média para a oclusão normal natural.

Synthesis, characterisation and applications of diamond materials

This thesis presented a detailed research work on diamond materials. Chapter 1 is an overall introduction of the thesis. In the Chapter 2, the literature review on the physical, chemical, optical, mechanical, as well as other properties of diamond materials are summarised. Followed by this chapter, several advanced diamond growth and characterisation techniques used in experimental work are also introduced. Then, the successful installation and applications of chemical vapour deposition system was demonstrated in Chapter 4. Diamond growth on a variety of different substrates has been investigated such as on silicon, diamond-like carbon or silica fibres. In Chapter 5, the single crystalline diamond substrate was used as the substrate to perform femtosecond laser inscription. The results proved the potentially feasibility of this technique, which could be utilised in fabricating future biochemistry microfluidic channels on diamond substrates. In Chapter 6, the hydrogen-terminated nanodiamond powder was studied using impedance spectroscopy. Its intrinsic electrical properties and its thermal stability were presented and analysed in details. As the first PhD student within Nanoscience Research Group at Aston, my initial research work was focused on the installation and testing of the microwave plasma enhanced chemical vapour deposition system (MPECVD), which will be beneficial to all the future researchers in the group. The fundamental of the on MPECVD system will be introduced in details. After optimisation of the growth parameters, the uniform diamond deposition has been achieved with a good surface coverage and uniformity. Furthermore, one of the most significant contributions of this work is the successful pattern inscription on diamond substrates by femtosecond laser system. Previous research of femtosecond laser inscription on diamond was simple lines or dots, with little characterisation techniques were used. In my research work, the femtosecond laser has been successfully used to inscribe patterns on diamond substrate and fully characterisation techniques, e.g. by SEM, Raman, XPS, as well as AFM, have been carried out. After the femtosecond laser inscription, the depth of microfluidic channels on diamond film has been found to be 300~400 nm, with a graphitic layer thickness of 165~190 nm. Another important outcome of this work is the first time to characterise the electrical properties of hydrogenterminated nanodiamond with impedance spectroscopy. Based on the experimental evaluation and mathematic fitting, the resistance of hydrogen-terminated nanodiamond reduced to 0.25 MO, which were four orders of magnitude lower than untreated nanodiamond. Meanwhile, a theoretical equivalent circuit has been proposed to fit the results. Furthermore, the hydrogenterminated nanodiamond samples were annealed at different temperature to study its thermal stability. The XPS and FTIR results indicate that hydrogen-terminated nanodiamond will start to oxidize over 100ºC and the C-H bonds can survive up to 400ºC. This research work reports the fundamental electrical properties of hydrogen-terminated nanodiamond, which can be used in future applications in physical or chemical area.

Simultaneous Control of Chaotic Systems Using RBF Networks

Chaos control is a concept that recently acquiring more attention among the research community, concerning the fields of engineering, physics, chemistry, biology and mathematic. This paper presents a method to simultaneous control of deterministic chaos in several nonlinear dynamical systems. A radial basis function networks (RBFNs) has been used to control chaotic trajectories in the equilibrium points. Such neural network improves results, avoiding those problems that appear in other control methods, being also efficient dealing with a relatively small random dynamical noise.

Resource allocation in multi-user telecommunication networks

This dissertation discussed resource allocation mechanisms in several network topologies including infrastructure wireless network, non-infrastructure wireless network and wire-cum-wireless network. Different networks may have different resource constrains. Based on actual technologies and implementation models, utility function, game theory and a modern control algorithm have been introduced to balance power, bandwidth and customers' satisfaction in the system. ^ In infrastructure wireless networks, utility function was used in the Third Generation (3G) cellular network and the network was trying to maximize the total utility. In this dissertation, revenue maximization was set as an objective. Compared with the previous work on utility maximization, it is more practical to implement revenue maximization by the cellular network operators. The pricing strategies were studied and the algorithms were given to find the optimal price combination of power and rate to maximize the profit without degrading the Quality of Service (QoS) performance. ^ In non-infrastructure wireless networks, power capacity is limited by the small size of the nodes. In such a network, nodes need to transmit traffic not only for themselves but also for their neighbors, so power management become the most important issue for the network overall performance. Our innovative routing algorithm based on utility function, sets up a flexible framework for different users with different concerns in the same network. This algorithm allows users to make trade offs between multiple resource parameters. Its flexibility makes it a suitable solution for the large scale non-infrastructure network. This dissertation also covers non-cooperation problems. Through combining game theory and utility function, equilibrium points could be found among rational users which can enhance the cooperation in the network. ^ Finally, a wire-cum-wireless network architecture was introduced. This network architecture can support multiple services over multiple networks with smart resource allocation methods. Although a SONET-to-WiMAX case was used for the analysis, the mathematic procedure and resource allocation scheme could be universal solutions for all infrastructure, non-infrastructure and combined networks. ^