Proposição e análise de modelos híbridos para o problema de escalonamento de produção em oficina de máquinas

Nas últimas décadas, o problema de escalonamento da produção em oficina de máquinas, na literatura referido como JSSP (do inglês Job Shop Scheduling Problem), tem recebido grande destaque por parte de pesquisadores do mundo inteiro. Uma das razões que justificam tamanho interesse está em sua alta complexidade. O JSSP é um problema de análise combinatória classificado como NP-Difícil e, apesar de existir uma grande variedade de métodos e heurísticas que são capazes de resolvê-lo, ainda não existe hoje nenhum método ou heurística capaz de encontrar soluções ótimas para todos os problemas testes apresentados na literatura. A outra razão basea-se no fato de que esse problema encontra-se presente no diaa- dia das indústrias de transformação de vários segmento e, uma vez que a otimização do escalonamento pode gerar uma redução significativa no tempo de produção e, consequentemente, um melhor aproveitamento dos recursos de produção, ele pode gerar um forte impacto no lucro dessas indústrias, principalmente nos casos em que o setor de produção é responsável por grande parte dos seus custos totais. Entre as heurísticas que podem ser aplicadas à solução deste problema, o Busca Tabu e o Multidão de Partículas apresentam uma boa performance para a maioria dos problemas testes encontrados na literatura. Geralmente, a heurística Busca Tabu apresenta uma boa e rápida convergência para pontos ótimos ou subótimos, contudo esta convergência é frequentemente interrompida por processos cíclicos e a performance do método depende fortemente da solução inicial e do ajuste de seus parâmetros. A heurística Multidão de Partículas tende a convergir para pontos ótimos, ao custo de um grande esforço computacional, sendo que sua performance também apresenta uma grande sensibilidade ao ajuste de seus parâmetros. Como as diferentes heurísticas aplicadas ao problema apresentam pontos positivos e negativos, atualmente alguns pesquisadores começam a concentrar seus esforços na hibridização das heurísticas existentes no intuito de gerar novas heurísticas híbridas que reúnam as qualidades de suas heurísticas de base, buscando desta forma diminuir ou mesmo eliminar seus aspectos negativos. Neste trabalho, em um primeiro momento, são apresentados três modelos de hibridização baseados no esquema geral das Heurísticas de Busca Local, os quais são testados com as heurísticas Busca Tabu e Multidão de Partículas. Posteriormente é apresentada uma adaptação do método Colisão de Partículas, originalmente desenvolvido para problemas contínuos, onde o método Busca Tabu é utilizado como operador de exploração local e operadores de mutação são utilizados para perturbação da solução. Como resultado, este trabalho mostra que, no caso dos modelos híbridos, a natureza complementar e diferente dos métodos Busca Tabu e Multidão de Partículas, na forma como são aqui apresentados, da origem à algoritmos robustos capazes de gerar solução ótimas ou muito boas e muito menos sensíveis ao ajuste dos parâmetros de cada um dos métodos de origem. No caso do método Colisão de Partículas, o novo algorítimo é capaz de atenuar a sensibilidade ao ajuste dos parâmetros e de evitar os processos cíclicos do método Busca Tabu, produzindo assim melhores resultados.

Pitch Based Wind Turbine Intelligent Speed Setpoint Adjustment Algorithms

This work is aimed at optimizing the wind turbine rotor speed setpoint algorithm. Several intelligent adjustment strategies have been investigated in order to improve a reward function that takes into account the power captured from the wind and the turbine speed error. After different approaches including Reinforcement Learning, the best results were obtained using a Particle Swarm Optimization (PSO)-based wind turbine speed setpoint algorithm. A reward improvement of up to 10.67% has been achieved using PSO compared to a constant approach and 0.48% compared to a conventional approach. We conclude that the pitch angle is the most adequate input variable for the turbine speed setpoint algorithm compared to others such as rotor speed, or rotor angular acceleration.

Identificação de danos em estruturas bi-dimensionais via matriz de flexibilidade baseado em um modelo de dano contínuo

No presente trabalho, o modelo de identificação de danos apresentado por Stutz et al. (2005) é utilizado. A contribuição do presente trabalho consiste em avaliar alguns pontos da identificação de danos em vigas e, em seguida, expandir o modelo para identificar danos estruturais em placas. Uma avaliação do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, na presença de danos simulados pelo parâmetro de coesão é realizada. Essa análise, permite também o conhecimento das regiões onde há maior sensibilidade ao dano, ajudando a traçar estratégias para melhorar a identificação de danos em regiões que sofrem poucas alterações na presença de falhas estruturais. Comparou-se o comportamento dos dois primeiros modos de vibração da viga simplesmente apoiada na presença de um dano estrutural, com os dois primeiros modos de vibração da estrutura intacta e corrompidos por ruído. Diversos métodos de localização de danos e de otimização são avaliados na tentativa de identificar os danos simulados através do campo de danos proposto por Stutz et al. (2005) na presença de dados ruidosos. Após a apresentação de resultados da identificação de danos obtidos para uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, uma análise do comportamento das frequências naturais e da matriz de flexibilidade de uma viga de Euler- Bernoulli engastada na presença de danos é apresentada, assim como os resultados de identificação de danos considerando-se diversos cenários e níveis de ruído. Uma importante contribuição do presente trabalho consiste em propor um método de identificação de danos via matriz de flexibilidade onde o campo de defeitos para a placa de Kirchoff é modelado via MEF. Uma análise do comportamento da matriz de flexibilidade devido à presença de danos na placa é apresentada, assim como os resultados numéricos da identificação de danos estruturais com e sem a presença de dados ruidosos. Com a finalidade de reduzir o custo computacional na identificação de danos em estruturas complexas, uma hibridização entre o método de otimização por enxame de particulas (PSO, do inglês, Particle Swarm Optimization) e o método de otimização Levenberg-Marquardt é proposta. Resultados numéricos da hibridização para uma estrutura do tipo placa são apresentados.

Arquitetura de uma rede de interconexão com memória compartilhada baseada na topologia crossbar

Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) possui vários processadores, em um único chip. Várias aplicações podem ser executadas de maneira paralela ou uma aplicação paralelizável pode ser particionada e alocada em cada processador, a fim de acelerar a sua execução. Um problema em MPSoCs é a comunicação entre os processadores, necessária para a execução destas aplicações. Neste trabalho, propomos uma arquitetura de rede de interconexão baseada na topologia crossbar, com memória compartilhada. Esta arquitetura é parametrizável, possuindo N processadores e N módulos de memórias. A troca de informação entre os processadores é feita via memória compartilhada. Neste tipo de implementação cada processador executa a sua aplicação em seu próprio módulo de memória. Através da rede, todos os processadores têm completo acesso a seus módulos de memória simultaneamente, permitindo que cada aplicação seja executada concorrentemente. Além disso, um processador pode acessar outros módulos de memória, sempre que necessite obter dados gerados por outro processador. A arquitetura proposta é modelada em VHDL e seu desempenho é analisado através da execução paralela de uma aplicação, em comparação à sua respectiva execução sequencial. A aplicação escolhida consiste na otimização de funções objetivo através do método de Otimização por Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization - PSO). Neste método, um enxame de partículas é distribuído igualmente entre os processadores da rede e, ao final de cada interação, um processador acessa o módulo de memória de outro processador, a fim de obter a melhor posição encontrada pelo enxame alocado neste. A comunicação entre processadores é baseada em três estratégias: anel, vizinhança e broadcast. Essa aplicação foi escolhida por ser computacionalmente intensiva e, dessa forma, uma forte candidata a paralelização.

Otimização por enxame de partículas em arquiteturas paralelas de alto desempenho.

A Otimização por Enxame de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) é uma técnica de otimização que vem sendo utilizada na solução de diversos problemas, em diferentes áreas do conhecimento. Porém, a maioria das implementações é realizada de modo sequencial. O processo de otimização necessita de um grande número de avaliações da função objetivo, principalmente em problemas complexos que envolvam uma grande quantidade de partículas e dimensões. Consequentemente, o algoritmo pode se tornar ineficiente em termos do desempenho obtido, tempo de resposta e até na qualidade do resultado esperado. Para superar tais dificuldades, pode-se utilizar a computação de alto desempenho e paralelizar o algoritmo, de acordo com as características da arquitetura, visando o aumento de desempenho, a minimização do tempo de resposta e melhoria da qualidade do resultado final. Nesta dissertação, o algoritmo PSO é paralelizado utilizando três estratégias que abordarão diferentes granularidades do problema, assim como dividir o trabalho de otimização entre vários subenxames cooperativos. Um dos algoritmos paralelos desenvolvidos, chamado PPSO, é implementado diretamente em hardware, utilizando uma FPGA. Todas as estratégias propostas, PPSO (Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) e CPPSO (Cooperative Parallel PSO), são implementadas visando às arquiteturas paralelas baseadas em multiprocessadores, multicomputadores e GPU. Os diferentes testes realizados mostram que, nos problemas com um maior número de partículas e dimensões e utilizando uma estratégia com granularidade mais fina (PDPSO e CPPSO), a GPU obteve os melhores resultados. Enquanto, utilizando uma estratégia com uma granularidade mais grossa (PPSO), a implementação em multicomputador obteve os melhores resultados.

Modelagem automática de sistemas fuzzy utilizando otimização por enxame de partículas.

Esta dissertaçãoo investiga a utilização de Particle Swarm Optimization (PSO) para a obtenção automática de sistemas fuzzy do tipo Mamdani, tendo como insumo apenas as definições das variáveis do problema, seus domínios e a função objetivo. Neste trabalho utilizam-se algumas técnicas conhecidas na tentativa de minimizar a obtenção de sistemas fuzzy que não sejam coerentes. As principais técnicas usadas são o método de Wang e Mendell, chamado de WM, para auxiliar na obtenção de regras, e os conceitos de clusterização para obtenção das funções de pertinência. Na função de avaliação proposta, considera-se não somente a acurácia do sistema fuzzy, através da medida do erro, mas também a sua interpretabilidade, através da medida da compacidade, que consiste da quantidade de regras e funções membro, da distinguibilidade, que permite evitar que as funções membro não se confundam, e da completude, que permite avaliar que as funções membro abranjam o máximo do domínio. O propósito deste trabalho consiste no desenvolvimento de um algoritmo baseado em PSO, cuja função de avaliação congregue todos esses objetivos. Com parâmetros bem definidos, o algoritmo pode ser utilizado em diversos tipos de problemas sem qualquer alteração, tornando totalmente automática a obtenção de sistemas fuzzy. Com este intuito, o algoritmo proposto é testado utilizando alguns problemas pré-selecionados, que foram classificados em dois grupos, com base no tipo de função: contínua ou discreta. Nos testes com funções contínuas, são utilizados sistemas tridimensionais, com duas variáveis de entrada e uma de saída, enquanto nos testes com funções discretas são utilizados problemas de classificação, sendo um com quatro variáveis e outro com seis variáveis de entrada. Os resultados gerados pelo algoritmo proposto são comparados com aqueles obtidos em outros trabalhos.

Algoritmos distribuídos para alocação dinâmica de tarefas em enxame de robôs.

A Inteligência de Enxame foi proposta a partir da observação do comportamento social de espécies de insetos, pássaros e peixes. A ideia central deste comportamento coletivo é executar uma tarefa complexa decompondo-a em tarefas simples, que são facilmente executadas pelos indivíduos do enxame. A realização coordenada destas tarefas simples, respeitando uma proporção pré-definida de execução, permite a realização da tarefa complexa. O problema de alocação de tarefas surge da necessidade de alocar as tarefas aos indivíduos de modo coordenado, permitindo o gerenciamento do enxame. A alocação de tarefas é um processo dinâmico pois precisa ser continuamente ajustado em resposta a alterações no ambiente, na configuração do enxame e/ou no desempenho do mesmo. A robótica de enxame surge deste contexto de cooperação coletiva, ampliada à robôs reais. Nesta abordagem, problemas complexos são resolvidos pela realização de tarefas complexas por enxames de robôs simples, com capacidade de processamento e comunicação limitada. Objetivando obter flexibilidade e confiabilidade, a alocação deve emergir como resultado de um processo distribuído. Com a descentralização do problema e o aumento do número de robôs no enxame, o processo de alocação adquire uma elevada complexidade. Desta forma, o problema de alocação de tarefas pode ser caracterizado como um processo de otimização que aloca as tarefas aos robôs, de modo que a proporção desejada seja atendida no momento em que o processo de otimização encontre a solução desejada. Nesta dissertação, são propostos dois algoritmos que seguem abordagens distintas ao problema de alocação dinâmica de tarefas, sendo uma local e a outra global. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem local (ADTL) atualiza a alocação de tarefa de cada robô a partir de uma avaliação determinística do conhecimento atual que este possui sobre as tarefas alocadas aos demais robôs do enxame. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem global (ADTG) atualiza a alocação de tarefas do enxame com base no algoritmo de otimização PSO (Particle swarm optimization). No ADTG, cada robô possui uma possível solução para a alocação do enxame que é continuamente atualizada através da troca de informação entre os robôs. As alocações são avaliadas quanto a sua aptidão em atender à proporção-objetivo. Quando é identificada a alocação de maior aptidão no enxame, todos os robôs do enxame são alocados para as tarefas definidas por esta alocação. Os algoritmos propostos foram implementados em enxames com diferentes arranjos de robôs reais demonstrando sua eficiência e eficácia, atestados pelos resultados obtidos.

Localização colaborativa em robótica de enxame.

Diversas das possíveis aplicações da robótica de enxame demandam que cada robô seja capaz de estimar a sua posição. A informação de localização dos robôs é necessária, por exemplo, para que cada elemento do enxame possa se posicionar dentro de uma formatura de robôs pré-definida. Da mesma forma, quando os robôs atuam como sensores móveis, a informação de posição é necessária para que seja possível identificar o local dos eventos medidos. Em virtude do tamanho, custo e energia dos dispositivos, bem como limitações impostas pelo ambiente de operação, a solução mais evidente, i.e. utilizar um Sistema de Posicionamento Global (GPS), torna-se muitas vezes inviável. O método proposto neste trabalho permite que as posições absolutas de um conjunto de nós desconhecidos sejam estimadas, com base nas coordenadas de um conjunto de nós de referência e nas medidas de distância tomadas entre os nós da rede. A solução é obtida por meio de uma estratégia de processamento distribuído, onde cada nó desconhecido estima sua própria posição e ajuda os seus vizinhos a calcular as suas respectivas coordenadas. A solução conta com um novo método denominado Multi-hop Collaborative Min-Max Localization (MCMM), ora proposto com o objetivo de melhorar a qualidade da posição inicial dos nós desconhecidos em caso de falhas durante o reconhecimento dos nós de referência. O refinamento das posições é feito com base nos algoritmos de busca por retrocesso (BSA) e de otimização por enxame de partículas (PSO), cujos desempenhos são comparados. Para compor a função objetivo, é introduzido um novo método para o cálculo do fator de confiança dos nós da rede, o Fator de Confiança pela Área Min-Max (MMA-CF), o qual é comparado com o Fator de Confiança por Saltos às Referências (HTA-CF), previamente existente. Com base no método de localização proposto, foram desenvolvidos quatro algoritmos, os quais são avaliados por meio de simulações realizadas no MATLABr e experimentos conduzidos em enxames de robôs do tipo Kilobot. O desempenho dos algoritmos é avaliado em problemas com diferentes topologias, quantidades de nós e proporção de nós de referência. O desempenho dos algoritmos é também comparado com o de outros algoritmos de localização, tendo apresentado resultados 40% a 51% melhores. Os resultados das simulações e dos experimentos demonstram a eficácia do método proposto.

一种改进的自适应逃逸微粒群算法及实验分析

分析了变异操作对微粒群算法（panicle swarm optimization，简称PSO）的影响，针对收敛速度慢、容易陷入局部极小等缺点，结合生物界中物种发现生存密度过大时会自动分家迁移的习性，给出了一种自适应逃逸微粒群算法，并证明了它依概率收敛到全局最优解．算法中的逃逸行为是一种简化的确定变异操作．当微粒飞行速度过小时，通过逃逸运动使微粒能够有效地进行全局和局部搜索，减弱了随机变异操作带来的不稳定性、典型复杂函数优化的仿真结果表明，该算法不仅具有更快的收敛速度，而且能更有效地进行全局搜索．

基于PSO的球磨机粉磨系统自适应模糊控制

提出了一种基于粒子群算法优化(PSO)的模糊控制器,对模糊控制器参数进行全局优化,以弥补模糊控制器参数在线调节方面的不足,并应用于球磨机粉磨系统的控制中。控制系统采用粒子群优化模糊控制器作为双闭环控制中的成品流量控制器,并在Matlab/Simulink进行的仿真分析中实现模糊控制器参数的在线调节。仿真结果表明,系统较好地实现了给定参考轨迹自适应跟踪,具有鲁棒性强、控制精度高等优点。

RFID系统优化模型与智能算法研究

射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）作为采集与处理信息的高新技术和信息化标准的基础，被列为本世纪十大重要技术之一。但是，RFID技术的大规模实际应用仍处于探索阶段，RFID系统的应用基础技术还存在着大量尚未解决的关键问题，其中RFID系统优化是RFID技术研究和应用的重要课题。由于RFID系统本身的动态性和不确定性， RFID系统优化面对的一般是非线性、多目标、大规模的复杂优化问题，传统的数学优化算法在处理这些问题时，存在困难。为此，研究新的优化算法成为RFID技术实际应用和理论研究中必须解决的课题。 智能计算方法是求解复杂RFID系统优化问题的一种可供选择的算法。智能计算作为一个新兴领域，其发展已引起了多个学科领域研究人员的关注，目前已经成为人工智能、经济、社会、生物等交叉学科的研究热点和前沿领域。智能计算的各类算法已在传统NP问题求解及诸多实际应用领域中展现出其优异的性能和巨大的发展潜力。 本文旨在对RFID系统的各种优化问题进行深入研究和探讨，面向RFID技术的实际应用需求构建其优化模型，并基于智能计算思想设计能够有效求解这些复杂模型的新型智能优化算法。具体研究内容包括： 首先，进行了RFID读写器网络的调度问题研究。在深入分析RFID网络中读写器冲突类型和成因的基础上，考虑RFID网络中的读写器冲突约束，以最小化系统中的频道数量、时隙分配以及总处理时间建立了RFID读写器网络调度的数学优化模型。从生物学的角度出发提出基于生态捕食模型的改进PSO算法（Particle Swarm Optimizer based on Predator-prey Coevolution, PSOPC），在一定程度上解决了PSO算法在迭代后期随着多样性丧失而陷入局部最优的缺点。应用PSOPC设计了求解RFID读写器网络调度模型的智能求解算法，分别给出算法的求解框架、关键步骤的实现机制。通过在不同规模的RFID读写器网络上进行实例仿真，验证了算法的有效性和模型的正确性。 其次，进行了基于菌群自适应觅食算法RFID网络规划问题的研究。考虑RFID系统在不同应用环境下的系统需求，建立了RFID网络规化的数学模型，其目标函数分别为：RFID网络标签覆盖率的最大化目标函数、RFID读写器冲突的最小化目标函数、RFID网络运行的经济效益最大化目标函数、RFID网络运行的负载平衡目标函数以及同时考虑全局目标的混合目标函数。将自然界生物觅食所采用的自适应搜索策略与细菌的趋化行为和群体感应机制相集成，提出了适合求解复杂RFID网络规划问题的菌群自适应觅食算法（Adaptive Bacterial Foraging Optimization, ABFO）。通过仿真实验基于ABFO算法分别对RFID网络规划模型中的五个目标函数进行了实例求解和分析，测试结果与标准PSO算法和遗传算法进行了比较分析。 再次，进行了基于系统智能方法的RFID网络规划分布式决策模型研究。采用分布式决策的思想建立了RFID网络规划的层次模型，在一定程度上缓解、分散了RFID网络规划问题的复杂性，以解决具有混合变量（包括离散变量和连续变量）的多目标RFID网络规划问题。针对层次模型求解的复杂性，以复杂适应系统理论为指导思想设计了一种新型系统智能优化算法对RFID网络规划的层次模型进行求解。系统智能算法将群体智能中的单层群体系统概念扩展为多层涌现系统，仿真实验表明新提出的算法显著提高了智能计算方法的寻优能力，以及算法的适应性、鲁棒性和平衡性等性能。 最后，进行了RFID网络目标跟踪系统中的数据融合研究。以基于RFID技术的目标定位与跟踪系统为应用背景，提出了基于模糊聚类方法的多RFID读写器数据融合模型框架。通过深入分析蜜蜂采蜜的基本生物学规律，对蜜蜂的个体行为及群体行为进行模拟，提出了一类新型群体智能优化算法-蜂群优化算法（Bee Swarm Optimization, BSO），并将BSO算法嵌入RFID目标定位跟踪系统，作为其模糊聚类的基本算法。仿真研究表明，提出的融合模型能够有效的过滤读写器对跟踪目标的错误监测数据，显著提高目标定位与跟踪的精度。

基于粗糙集和多Agent系统的知识挖掘

通过优化知识表达系统中条件属性对决策属性的依赖度,深入研究了粗糙集并与多Agent系统相结合。利用离散粒子群算法,提出一种基于粒子群优化的粗糙集知识约简算法,该算法解决了启发式算法无法全局搜索进行约简的问题。最后通过在矿井中调度信息的应用验证了有效性。

混沌粒子群混合算法对微型永磁电机的优化设计

在电机的设计中,常常需要通过优化设计得到合理的电机结构尺寸和参数.电机的设计问题实质上是一种带约束的复杂的非线性连续函数优化问题.要得到一个满意的优化结果不仅要求算法具有较高的精度,而且要有快的收敛速度.提出一种新的混合算法对永磁电机的尺寸和整体结构进行优化设计.将混沌算法和粒子群算法相结合,以微型永磁电机为例,对槽形等多个变量进行优化,结果证明了算法的有效性和快速性,适合于同类问题求解.

Rough set feature selection and rule induction for prediction of malignancy degree in brain glioma

X. Wang, J. Yang, R. Jensen and X. Liu, 'Rough Set Feature Selection and Rule Induction for Prediction of Malignancy Degree in Brain Glioma,' Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 83, no. 2, pp. 147-156, 2006.

Optimizing the reliability of power electronics module isolation substrates

Optimal design of a power electronics module isolation substrate is assessed using a combination of finite element structural mechanics analysis and response surface optimisation technique. Primary failure modes in power electronics modules include the loss of structural integrity in the ceramic substrate materials due to stresses induced through thermal cycling. Analysis of the influence of ceramic substrate design parameters is undertaken using a design of experiments approach. Finite element analysis is used to determine the stress distribution for each design, and the results are used to construct a quadratic response surface function. A particle swarm optimisation algorithm is then used to determine the optimal substrate design. Analysis of response surface function gradients is used to perform sensitivity analysis and develop isolation substrate design rules. The influence of design uncertainties introduced through manufacturing tolerances is assessed using a Monte-Carlo algorithm, resulting in a stress distribution histogram. The probability of failure caused by the violation of design constraints has been analyzed. Six geometric design parameters are considered in this work and the most important design parameters have been identified. Overall analysis results can be used to enhance the design and reliability of the component.