Análise de desempenho de redes de comunicação wireless em aplicações de Smart Grid

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Geração de simuladores de filas para diferentes contextos com estudo de casos para redes de computadores

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estimativa da incidência de câncer nas redes regionais de saúde e municípios do estado de São Paulo, 2010

Introdução: Estatísticas sobre a ocorrência de casos novos de câncer são fundamentais para o planejamento e monitoramento das ações de controle da doença. No estado de São Paulo, a incidência de câncer é obtida indiretamente por meio de estimativas oficiais (para o estado como um todo e sua capital) e, de forma direta, em municípios cobertos por Registro de Câncer de Base Populacional (RCBP). Existem, atualmente, três RCBP ativos (São Paulo, Jaú e Santos), um inativo (Barretos) e um em reimplantação (Campinas). Dado o desconhecimento do panorama da incidência de câncer em áreas não cobertas por RCBP, este estudo teve como objetivo estimar a incidência de câncer, calcular taxas brutas e padronizadas por idade, específicas por sexo e localização primária do tumor para as 17 Redes Regionais de Atenção à Saúde (RRAS) de São Paulo e municípios, em 2010. Método: Utilizou-se como estimador da incidência de câncer a razão Incidência/Mortalidade (I/M), por sexo, grupo etário quinquenal dos 0 aos 80 anos e localização primária do tumor. O numerador da razão foi formado pelo número agregado de casos novos entre 2006-2010, em dois RCBP ativos (Jaú e São Paulo, respectivamente, com cobertura correspondente a 0,3 por cento e 27,3 por cento da população estadual). No denominador, o número de óbitos oficial nas respectivas áreas e período. O número estimado de casos novos resultou da multiplicação das I/M pelo número de óbitos por câncer registrados em 2010 para o conjunto de municípios formadores de cada uma das RRAS ou para cada município. O método de referência foi aquele utilizado no Globocan series, da Agência Internacional de Pesquisa contra o Câncer. O ajuste por idade das taxas de incidência ocorreu pelo método direto, tendo como padrão a população mundial. Resultados: Estimaram-se 53.476 casos novos de câncer para o sexo masculino e 55.073 casos para o feminino (excluindo-se os casos de câncer de pele não melanoma), com taxas padronizadas de 261/100.000 e 217/100.000, respectivamente. No sexo masculino, a RRAS 6 apresentou para todos os cânceres a maior taxa de incidência padronizada (285/100.000), e a RRAS 10, a menor (207/100.000). Os cânceres mais incidentes em homens foram próstata (77/100.000), cólon/reto/anus (27/100.000) e traqueia/brônquio/pulmão (16/100.000). Entre as mulheres, as taxas de incidência padronizadas por idade foram de 170/100.000 (RRAS 11) a 252/100.000 (RRAS 07); o câncer de mama foi o mais incidente (58/100.000), seguido pelos tumores de cólon/reto/anus (23/100.000) e de colo uterino (9/100.000). Conclusões: Os resultados apontaram diferentes padrões de incidência com taxas que ultrapassaram a magnitude estadual. Dados provenientes de RCBP locais podem ser usados na obtenção indireta de estimativas regionais e locais. Neste estudo, as taxas de incidência apresentadas podem estar sub ou superestimadas refletindo a qualidade, completitude e padrões observados no RCBP de maior representatividade considerado na análise.

Aplicações híbridas entre sistemas multiagentes e técnicas de inteligência artificial para redes inteligentes de distribuição de energia elétrica

Os smart grids representam a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas de comunicação, processos distribuídos e inteligência artificial para prover novas funcionalidades quanto ao acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta estrutura modifica profundamente a maneira como se realiza o planejamento e a operação de sistemas elétricos nos dias de hoje, em especial os de distribuição, e há interessantes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca da implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem baseada no uso de sistemas multiagentes para simular esse tipo de sistema de distribuição de energia elétrica, considerando opções de controle distintas. A utilização da tecnologia de sistemas multiagentes para a simulação é baseada na conceituação de smart grids como um sistema distribuído, algo também realizado nesse trabalho. Para validar a proposta, foram simuladas três funcionalidades esperadas dessas redes elétricas: classificação de cargas não-lineares; gerenciamento de perfil de tensão; e reconfiguração topológica com a finalidade de reduzir as perdas elétricas. Todas as modelagens e desenvolvimentos destes estudos estão aqui relatados. Por fim, o trabalho se propõe a identificar os sistemas multiagentes como uma tecnologia a ser empregada tanto para a pesquisa, quanto para implementação dessas redes elétricas.

Técnica de localização em ambientes fechados utilizando padrões de redes sem fio.

Localizar objetos ou pessoas no interior de um edifício é de grande interesse. Contudo, diferentemente do que ocorre no exterior de edificações, não há metodologia consagrada para a determinação da posição desses entes nos edifícios. Para o posicionamento em locais abertos existem tecnologias consolidadas, como GNSS (Global Navigation Satellite System), a dificuldade em fazê-lo em interiores é maior. Nesses casos, o GNSS não pode ser utilizado, pois os sinais de rádio dos satélites não conseguem penetrar através das estruturas, enquanto que outras tecnologias são apenas incipientes nesse quesito. Abordagens habituais para a resolução dessa demanda têm se baseado na utilização de propagadores das ondas de rádio do GNSS, no uso da potência de sinais de redes sem fio ou, ainda, no emprego de transmissores infravermelhos. No entanto, uma técnica diferente pode ser empreendida para essa finalidade. Usando-se a assinatura das potências de rádio das redes sem fio nas imediações e no interior da edificação, é possível criar um mapa com base nesses sinais, permitindo a determinação da posição de um objeto. No presente trabalho foram desenvolvidos um sistema para geração do mapa de sinais, com critério de parada e um método de cálculo de posicionamento. Procedeu-se, também, à análise de quatro critérios para o cálculo final da posição do objeto, baseados no uso da distância euclidiana com os conjuntos de roteadores disponíveis. Concluiu-se que, quando o mapa de sinais é pequeno, o posicionamento fracassou. Entretanto, quando a quantidade de sinais geradores do mapa aumenta, os resultados apresentaram melhora significativa, com resultados próximos a 100% de assertividade. Desse modo foi possível determinar uma estimativa boa para o número mínimo de roteadores presentes na base e estabelecer um critério de parada para a fase de criação do mapa de sinais.

Religião, redes sociais e capital social no Município de Rio Grande da Serra na Região do Grande ABC Paulista. Estudo das trocas materiais e simbólicas em contexto de periferia urbana

O município de Rio Grande da Serra está situado em uma região Grande ABC paulista reconhecida nacionalmente por seu desenvolvimento econômico e industrial e pelas lutas políticas e sindicais. Paradoxalmente, se configura, social e territorialmente falando, por uma região de periferia urbana. Resultado da forma como a urbanização, na sociedade moderna, conforma o espaço em regiões centrais e periféricas. Localizado no caminho que ligava Santos à Mogi das Cruzes (século XIX) povoado de Geribatiba decorrente das transformações urbanas ocorridas em toda a região, conquistaria, nos anos 1960, sua autonomia político-administrativa. Nas décadas seguintes testemunhou intenso crescimento populacional, resultado do processo migratório, principalmente de mineiros e nordestinos que tinham as cidades, e indústrias, de São Paulo e Grande ABC como destino. Esse deslocamento de pessoas, e as redes formadas em seu em torno, contribuiu para o desenvolvimento de seu campo religioso. Atualmente, com uma população, em torno, de 46 mil habitantes, possui aproximadamente 180 locais de cerimônias religiosas. Nesse contexto, a tese analisa a inserção regional socioeconômica e religiosa de Rio Grande da Serra, a partir de dados comparativos com os demais municípios, e discute como o regionalismo tem contribuído para seu desenvolvimento econômico. Realiza a caracterização das periferias urbanas, discutindo aspectos que lhes são inerentes, como segregação e vulnerabilidade social. Nesse sentido, a investigação possibilitou a identificação do perfil socioeconômico (renda e escolaridade) dos participantes dos grupos religiosos (católicos, evangélicos, kardecistas e umbandistas), permitindo, também, identificar desigualdades sociais no interior de seu território, constatando que determinados bairros são mais vulneráveis do que outros. Considerando que esse estudo examina a capacidade das redes sociais e religiosas, de aumentar o capital social de seus participantes, foi realizado o mapeamento e etnografia das diversas práticas associativas, mais ou menos formais e estruturadas, de forma a analisar os elementos materiais e simbólicos por elas produzidos. Constatou-se, apoiado na aplicação de questionários, entrevistas e observação participativa, que, a partir do habitus religioso de cada grupo, as redes possibilitam no âmbito econômico questões como emprego e renda ou auxílio em necessidades básicas de sobrevivência, através de campanhas e trabalhos sociais. No âmbito simbólico, as redes propiciam questões importantes à existência humana, como a crença na salvação ou evolução da alma, socialização, autoestima, prestígio ou ainda a expectativa de cura ou tratamento de dependência química. Pôde-se aferir que, a despeito das diferentes formas como cada grupo, e seus participantes, se apropriam do capital social, as redes sociais e religiosas, no município, funcionam como redes de proteção, especialmente à população em situação alta de vulnerabilidade social.

Ferramentas para análise de ativos em redes industriais weirelessHART

Nowadays wireless communication has emerged as a tendency in industry environments. In part this interest is due to the ease of deployment and maintenance, which dispenses sophisticated designs and wired infrastructure (which in industrial environment often prohibitively expensive) besides enabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. Despite its high degree of applicability, an industrial wireless sensor network faces some challenges. One of the most challenging problems are its reliability, energy consumption and the environment interference. In this dissertation will discuss the problem of asset analysis in wireless industrial networks for the WirelessHART standard by implementing a monitoring system. The system allows to carry out various activities of independent asset management manufacturers, such as prediction of battery life, maintenance, reliability data, topology, and the possibility of creating new metrics from open and standardized development libraries. Through the implementation of this tool is intended to contribute to integration of wireless technologies in industrial environments.

ArchWiSeN: uma estratégia baseada em modelos para desenvolvimento de aplicações para redes de sensores e atuadores sem fio

Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) are a key component in Ubiquitous Computing Systems and have many applications in different knowledge domains. Programming for such networks is very hard and requires developers to know the available sensor platforms specificities, increasing the learning curve for developing WSAN applications. In this work, an MDA (Model-Driven Architecture) approach for WSAN applications development called ArchWiSeN is proposed. The goal of such approach is to facilitate the development task by providing: (i) A WSAN domain-specific language, (ii) a methodology for WSAN application development; and (iii) an MDA infrastructure composed of several software artifacts (PIM, PSMs and transformations). ArchWiSeN allows the direct contribution of domain experts in the WSAN application development without the need of specialized knowledge on WSAN platforms and, at the same time, allows network experts to manage the application requirements without the need for specific knowledge of the application domain. Furthermore, this approach also aims to enable developers to express and validate functional and non-functional requirements of the application, incorporate services offered by WSAN middleware platforms and promote reuse of the developed software artifacts. In this sense, this Thesis proposes an approach that includes all WSAN development stages for current and emerging scenarios through the proposed MDA infrastructure. An evaluation of the proposal was performed by: (i) a proof of concept encompassing three different scenarios performed with the usage of the MDA infrastructure to describe the WSAN development process using the application engineering process, (ii) a controlled experiment to assess the use of the proposed approach compared to traditional method of WSAN application development, (iii) the analysis of ArchWiSeN support of middleware services to ensure that WSAN applications using such services can achieve their requirements ; and (iv) systematic analysis of ArchWiSeN in terms of desired characteristics for MDA tool when compared with other existing MDA tools for WSAN.

Modelagem do consumo de energia de redes de sensores sem fio usando SystemC-AMS e stateflow

This work aims at modeling power consumption at the nodes of a Wireless Sensor Network (WSN). For doing so, a finite state machine was implemented by means of SystemC-AMS and Stateflow modeling and simulation tools. In order to achieve this goal, communication data in a WSN were collected. Based on the collected data, a simulation environment for power consumption characterization, which aimed at describing the network operation, was developed. Other than performing power consumption simulation, this environment also takes into account a discharging model as to analyze the battery charge level at any given moment. Such analysis result in a graph illustrating the battery voltage variations as well as its state of charge (SOC). Finally, a case study of the WSN power consumption aims to analyze the acquisition mode and network data communication. With this analysis, it is possible make adjustments in node-sensors to reduce the total power consumption of the network.

Ferramenta para avaliação e inferência de parâmetros de redes industriais sem fio

Wireless sensor networks (WSN) have gained ground in the industrial environment, due to the possibility of connecting points of information that were inaccessible to wired networks. However, there are several challenges in the implementation and acceptance of this technology in the industrial environment, one of them the guaranteed availability of information, which can be influenced by various parameters, such as path stability and power consumption of the field device. As such, in this work was developed a tool to evaluate and infer parameters of wireless industrial networks based on the WirelessHART and ISA 100.11a protocols. The tool allows quantitative evaluation, qualitative evaluation and evaluation by inference during a given time of the operating network. The quantitative and qualitative evaluation are based on own definitions of parameters, such as the parameter of stability, or based on descriptive statistics, such as mean, standard deviation and box plots. In the evaluation by inference uses the intelligent technique artificial neural networks to infer some network parameters such as battery life. Finally, it displays the results of use the tool in different scenarios networks, as topologies star and mesh, in order to attest to the importance of tool in evaluation of the behavior of these networks, but also support possible changes or maintenance of the system.

Distribuição de derivados de petróleo por redes de polidutos: uma abordagem através de algoritmos evolucionários híbridos para um problema triobjetivo

An important problem faced by the oil industry is to distribute multiple oil products through pipelines. Distribution is done in a network composed of refineries (source nodes), storage parks (intermediate nodes), and terminals (demand nodes) interconnected by a set of pipelines transporting oil and derivatives between adjacent areas. Constraints related to storage limits, delivery time, sources availability, sending and receiving limits, among others, must be satisfied. Some researchers deal with this problem under a discrete viewpoint in which the flow in the network is seen as batches sending. Usually, there is no separation device between batches of different products and the losses due to interfaces may be significant. Minimizing delivery time is a typical objective adopted by engineers when scheduling products sending in pipeline networks. However, costs incurred due to losses in interfaces cannot be disregarded. The cost also depends on pumping expenses, which are mostly due to the electricity cost. Since industrial electricity tariff varies over the day, pumping at different time periods have different cost. This work presents an experimental investigation of computational methods designed to deal with the problem of distributing oil derivatives in networks considering three minimization objectives simultaneously: delivery time, losses due to interfaces and electricity cost. The problem is NP-hard and is addressed with hybrid evolutionary algorithms. Hybridizations are mainly focused on Transgenetic Algorithms and classical multi-objective evolutionary algorithm architectures such as MOEA/D, NSGA2 and SPEA2. Three architectures named MOTA/D, NSTA and SPETA are applied to the problem. An experimental study compares the algorithms on thirty test cases. To analyse the results obtained with the algorithms Pareto-compliant quality indicators are used and the significance of the results evaluated with non-parametric statistical tests.

Critério de correntropia no treinamento de redes fuzzy wavelet neural networks para identificação de sistemas dinâmicos não lineares

The great interest in nonlinear system identification is mainly due to the fact that a large amount of real systems are complex and need to have their nonlinearities considered so that their models can be successfully used in applications of control, prediction, inference, among others. This work evaluates the application of Fuzzy Wavelet Neural Networks (FWNN) to identify nonlinear dynamical systems subjected to noise and outliers. Generally, these elements cause negative effects on the identification procedure, resulting in erroneous interpretations regarding the dynamical behavior of the system. The FWNN combines in a single structure the ability to deal with uncertainties of fuzzy logic, the multiresolution characteristics of wavelet theory and learning and generalization abilities of the artificial neural networks. Usually, the learning procedure of these neural networks is realized by a gradient based method, which uses the mean squared error as its cost function. This work proposes the replacement of this traditional function by an Information Theoretic Learning similarity measure, called correntropy. With the use of this similarity measure, higher order statistics can be considered during the FWNN training process. For this reason, this measure is more suitable for non-Gaussian error distributions and makes the training less sensitive to the presence of outliers. In order to evaluate this replacement, FWNN models are obtained in two identification case studies: a real nonlinear system, consisting of a multisection tank, and a simulated system based on a model of the human knee joint. The results demonstrate that the application of correntropy as the error backpropagation algorithm cost function makes the identification procedure using FWNN models more robust to outliers. However, this is only achieved if the gaussian kernel width of correntropy is properly adjusted.

Contribuições em escalonamento e análise de desempenho de redes WirelessHART

Wireless Communication is a trend in the industrial environment nowadays and on this trend, we can highlight the WirelessHART technology. In this situation, it is natural the search for new improvements in the technology and such improvements can be related directly to the routing and scheduling algorithms. In the present thesis, we present a literature review about the main specific solutions for Routing and scheduling for WirelessHART. The thesis also proposes a new scheduling algorithm called Flow Scheduling that intends to improve superframe utilization and flexibility aspects. For validation purposes, we develop a simulation module for the Network Simulator 3 (NS-3) that models aspects like positioning, signal attenuation and energy consumption and provides an link individual error configuration. The module also allows the creation of the scheduling superframe using the Flow and Han Algorithms. In order to validate the new algorithms, we execute a series of comparative tests and evaluate the algorithms performance for link allocation, delay and superframe occupation. In order to validate the physical layer of the simulation module, we statically configure the routing and scheduling aspects and perform reliability and energy consumption tests using various literature topologies and error probabilities.

Contribuições em escalonamento e análise de desempenho de redes WirelessHART

Wireless Communication is a trend in the industrial environment nowadays and on this trend, we can highlight the WirelessHART technology. In this situation, it is natural the search for new improvements in the technology and such improvements can be related directly to the routing and scheduling algorithms. In the present thesis, we present a literature review about the main specific solutions for Routing and scheduling for WirelessHART. The thesis also proposes a new scheduling algorithm called Flow Scheduling that intends to improve superframe utilization and flexibility aspects. For validation purposes, we develop a simulation module for the Network Simulator 3 (NS-3) that models aspects like positioning, signal attenuation and energy consumption and provides an link individual error configuration. The module also allows the creation of the scheduling superframe using the Flow and Han Algorithms. In order to validate the new algorithms, we execute a series of comparative tests and evaluate the algorithms performance for link allocation, delay and superframe occupation. In order to validate the physical layer of the simulation module, we statically configure the routing and scheduling aspects and perform reliability and energy consumption tests using various literature topologies and error probabilities.

Implementação de uma matriz de neurônios dinamicamente reconfigurável para descrição de topologias de redes neurais artificiais multilayer perceptrons

The Artificial Neural Networks (ANN), which is one of the branches of Artificial Intelligence (AI), are being employed as a solution to many complex problems existing in several areas. To solve these problems, it is essential that its implementation is done in hardware. Among the strategies to be adopted and met during the design phase and implementation of RNAs in hardware, connections between neurons are the ones that need more attention. Recently, are RNAs implemented both in application specific integrated circuits's (Application Specific Integrated Circuits - ASIC) and in integrated circuits configured by the user, like the Field Programmable Gate Array (FPGA), which have the ability to be partially rewritten, at runtime, forming thus a system Partially Reconfigurable (SPR), the use of which provides several advantages, such as flexibility in implementation and cost reduction. It has been noted a considerable increase in the use of FPGAs for implementing ANNs. Given the above, it is proposed to implement an array of reconfigurable neurons for topologies Description of artificial neural network multilayer perceptrons (MLPs) in FPGA, in order to encourage feedback and reuse of neural processors (perceptrons) used in the same area of the circuit. It is further proposed, a communication network capable of performing the reuse of artificial neurons. The architecture of the proposed system will configure various topologies MLPs networks through partial reconfiguration of the FPGA. To allow this flexibility RNAs settings, a set of digital components (datapath), and a controller were developed to execute instructions that define each topology for MLP neural network.