Controlo preditivo sobre redes de sensores e actuadores sem fios com tolerância a falhas de comunicação

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Avaliação experimental de esquemas de pré-distribuição de chaves em redes de sensores sem fios

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática.

Planeamento de redes de distribuição de energia

O planeamento de redes de distribuição tem como objetivo assegurar a existência de capacidade nas redes para a fornecimento de energia elétrica com bons níveis de qualidade de serviço tendo em conta os fatores económicos associados. No âmbito do trabalho apresentado na presente dissertação, foi elaborado um modelo de planeamento que determina a configuração de rede resultante da minimização de custos associados a: 1) perdas por efeito de joule; 2) investimento em novos componentes; 3) energia não entregue. A incerteza associada ao valor do consumo de cada carga é modelada através de lógica difusa. O problema de otimização definido é resolvido pelo método de decomposição de benders que contempla dois trânsitos de potências ótimos (modelo DC e modelo AC) no problema mestre e escravo respectivamente para validação de restrições. Foram também definidos critérios de paragem do método de decomposição de benders. O modelo proposto classifica-se como programação não linear inteira mista e foi implementado na ferramenta de otimização General Algebraic Modeling System (GAMS). O modelo desenvolvido tem em conta todos componentes das redes para a otimização do planeamento, conforme podemos analisar nos casos de estudo implementados. Cada caso de estudo é definido pela variação da importância que cada uma das variáveis do problema toma, tendo em vista cobrir de alguma todos os cenários de operação expetáveis. Através destes casos de estudo verifica-se as várias configurações que a rede pode tomar, tendo em conta as importâncias atribuídas a cada uma das variáveis, bem como os respetivos custos associados a cada solução. Este trabalho oferece um considerável contributo no âmbito do planeamento de redes de distribuição, pois comporta diferentes variáveis para a execução do mesmo. É também um modelo bastante robusto não perdendo o ‘norte’ no encontro de solução para redes de grande dimensão, com maior número de componentes.

Espaços seguros de tuplos partilhados para redes de sensores sem fios

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

Desenvolvimento e aplicação do algoritmo enxame de partículas na determinação da máxima injeção nodal em redes de energia elétrica

O objetivo desta dissertação é a determinação da máxima injeção nodal numa rede de energia elétrica, ou seja, qual o valor total máximo de potência ativa que é possível injetar e qual a sua distribuição pelos diversos nós da rede simultaneamente. Determinámos esta máxima injeção nodal em duas situações distintas: injeção não simultânea, injetando potência em um só nó de cada vez e injeção simultânea, injetando potência em todos os nós da rede simultaneamente. Sendo este um problema de natureza combinatória, utilizámos para esta determinação o algoritmo conhecido como nuvem ou enxame de partículas, adaptando-o ao nosso problema. Desenvolvemos o software na linguagem de programação Python utilizando o ambiente Eclipse. Para resolver o trânsito de energia utilizámos o programa PSSE University.Para os exemplos de aplicação utilizámos duas redes de energia elétrica, uma de 6 e outra de 14 barramentos. Estas redes foram baseadas nas redes IEEE 6 BUS e IEEE 14 BUS respetivamente. Concluímos que o algoritmo nuvem ou enxame de partículas cumpriu o objetivo traçado, obtendo as melhores soluções para cada um dos casos, máxima injeção nodal não simultânea e máxima injeção nodal simultânea. No contexto deste problema, o parâmetro chave do algoritmo, comprovado pelos ensaios feitos, é a velocidade máxima de deslocação das partículas, tomando valores típicos de 7 a 10 para a rede de 6 barramentos e de 20 a 25 para a de 14 barramentos.

Aplicação de Redes Neuronais no Planeamento de Emergência em Barragens de Aterro

O controlo de segurança para preservação da integridade estrutural da barragens é, durante a fase de exploração normal, uma actividade que tem essencialmente como elemento fulcral as inspecções à estrutura e os dados resultantes das observações periódicas da obra, apoiando-se em modelos de comportamento da mesma. Neste sentido, a análise de situações de emergência requer, em regra, a atenção de um especialista em segurança de barragens, o qual poderá, perante os resultados da observação disponíveis e da aplicação de modelos do comportamento da estrutura, identificar o nível de alerta adequado à situação que se está a viver na barragem. Esta abordagem tradicional de controlo de segurança é um processo eficaz mas que apresenta a desvantagem de poder decorrer um período de tempo significativo entre a identificação de um processo anómalo e a definição do respectivo nível de gravidade. O uso de novas tecnologias de apoio à decisão e o planeamento de emergência podem contribuir para minorar os efeitos desta desvantagem. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo de aferição do comportamento de uma barragem através da aplicação de redes neuronais do tipo Perceptrão Multicamadas aos resultados da observação de uma barragem de aterro, por forma a identificar anomalias de comportamento e a quantificar o correspondente nível de alerta. A tese divide-se essencialmente em duas partes. A primeira parte aborda os aspectos que se relacionam com as barragens de aterro, nomeadamente definindo as soluções estruturais mais correntes e identificando os principais tipos de deteriorações que podem surgir nestas estruturas. São, igualmente, abordadas as questões que se relacionam com o controlo de segurança e o planeamento de emergência em barragens de aterro. A segunda parte do trabalho versa sobre o modelo de rede neuronal desenvolvido em linguagem de programação java – o modelo ALBATROZ. Este modelo permite definir o nível de alerta em função do nível de água na albufeira, da pressão registada em quatro piezómetros localizados no corpo e na fundação da barragem e do caudal percolado através da barragem e respectiva fundação. Nesta parte, o trabalho recorre, aos resultados da observação da barragem de Valtorno/Mourão e usa os resultados de um modelo de elementos finitos (desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil, no âmbito do plano de observação da obra) por forma a simular o comportamento da barragem e fornecer dados para o treino da rede neuronal desenvolvida.

Sistema de otto-codificação modificado para endereçamento de redes hidrográficas

Há, no âmbito do gerenciamento de recursos hídricos, uma carência por sistemas de aplicação global que referenciem, indiquem e identifiquem, de forma única e eficiente, a organização espacial das bacias hidrográficas e respectivas redes de drenagem. Neste trabalho, propôs-se uma modificação no sistema de endereçamento originalmente concebido por Otto Pfafstetter. A nova metodologia utiliza tão-somente as redes de drenagem no formato vetorial e considera, em vez da área das bacias, o comprimento dos seus cursos d'água para codificá-los. Essa estratégia elimina o elevado ônus associado à obtenção de dados de altimetria e à derivação dos respectivos modelos digitais de elevação, imprescindíveis à correta determinação das áreas de contribuição das bacias hidrográficas. Adicionalmente, elimina-se o esforço computacional das operações baseadas em localização espacial, uma vez que agora é possível realizá-las exclusivamente por atributos. Com base nessa metodologia, desenvolveu-se o aplicativo Otto-Sys, utilizando a linguagem de programação AML, nativa do sistema de informações geográficas Arc/INFO workstation. Para exemplificar os resultados da otto-codificação por comprimento dos cursos d'água, apresentou-se um estudo de caso utilizando a rede de drenagem do rio Caeté, afluente do rio Iaco, pertencente à bacia do rio Purus, no Estado do Amazonas. O detalhamento dessa hidrografia vetorial implicou cinco níveis de codificação. Tendo-se codificado toda a rede hidrográfica, qualquer sistema de informações geográficas, mesmo aqueles que não dispõem de recursos específicos para análises e navegação em redes, poderá oferecer serviços de navegação topológica, organização, estruturação, endereçamento e gerenciamento dessas bases de dados. Desse modo, o acesso em tempo real a tais procedimentos poderá ser perfeitamente estendido a qualquer dispositivo capaz de acessar os sistemas web.

Aplicação de redes neuronais no planeamento de emergência em barragens de aterro

O controlo de segurança para preservação da integridade estrutural da barragens é, durante a fase de exploração normal, uma actividade que tem essencialmente como elemento fulcral as inspecções à estrutura e os dados resultantes das observações periódicas da obra, apoiando-se em modelos de comportamento da mesma. Neste sentido, a análise de situações de emergência requer, em regra, a atenção de um especialista em segurança de barragens, o qual poderá, perante os resultados da observação disponíveis e da aplicação de modelos do comportamento da estrutura, identificar o nível de alerta adequado à situação que se está a viver na barragem. Esta abordagem tradicional de controlo de segurança é um processo eficaz mas que apresenta a desvantagem de poder decorrer um período de tempo significativo entre a identificação de um processo anómalo e a definição do respectivo nível de gravidade. O uso de novas tecnologias de apoio à decisão e o planeamento de emergência podem contribuir para minorar os efeitos desta desvantagem. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo de aferição do comportamento de uma barragem através da aplicação de redes neuronais do tipo Perceptrão Multicamadas aos resultados da observação de uma barragem de aterro, por forma a identificar anomalias de comportamento e a quantificar o correspondente nível de alerta. A tese divide-se essencialmente em duas partes. A primeira parte aborda os aspectos que se relacionam com as barragens de aterro, nomeadamente definindo as soluções estruturais mais correntes e identificando os principais tipos de deteriorações que podem surgir nestas estruturas. São, igualmente, abordadas as questões que se relacionam com o controlo de segurança e o planeamento de emergência em barragens de aterro. A segunda parte do trabalho versa sobre o modelo de rede neuronal desenvolvido em linguagem de programação java – o modelo ALBATROZ. Este modelo permite definir o nível de alerta em função do nível de água na albufeira, da pressão registada em quatro piezómetros localizados no corpo e na fundação da barragem e do caudal percolado através da barragem e respectiva fundação. Nesta parte, o trabalho recorre, aos resultados da observação da barragem de Valtorno/Mourão e usa os resultados de um modelo de elementos finitos (desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil, no âmbito do plano de observação da obra) por forma a simular o comportamento da barragem e fornecer dados para o treino da rede neuronal desenvolvida.O presente trabalho concluiu que o desenvolvimento de redes neuronais que relacionem o valor registado em algumas das grandezas monitorizadas pelo sistema de observação com o nível de alerta associado a uma situação anómala na barragem pode contribuir para a identificação rápida de situações de emergência e permitir agir atempadamente na sua resolução. Esta característica transforma a redes neuronais numa peça importante no planeamento de emergência em barragens e constitui, igualmente, um instrumento de apoio ao controlo de segurança das mesmas.

Uma Biblioteca para programação paralela por troca de mensagens de clusters baseados na tecnologia SCI

A presente Dissertação propõe uma biblioteca de comunicação de alto desempenho, baseada em troca de mensagens, especificamente projetada para explorar eficientemente as potencialidades da tecnologia SCI (Scalable Coherent Interface). No âmago da referida biblioteca, a qual se denominou DECK/SCI, acham-se três protocolos de comunicação distintos: um protocolo de baixa latência e mínimo overhead, especializado na troca de mensagens pequenas; um protocolo de propósito geral; e um protocolo de comunicação que emprega uma técnica de zero-copy, também idealizada neste Trabalho, no intuito de elevar a máxima largura de banda alcançável durante a transmissão de mensagens grandes. As pesquisas desenvolvidas no decurso da Dissertação que se lhe apresenta têm por mister proporcionar um ambiente para o desenvolvimento de aplicações paralelas, que demandam alto desempenho computacional, em clusters que se utilizam da tecnologia SCI como rede de comunicação. A grande motivação para os esforços envidados reside na consolidação dos clusters como arquiteturas, a um só tempo, tecnologicamente comparáveis às máquinas paralelas dedicadas, e economicamente viáveis. A interface de programação exportada pelo DECK/SCI aos usuários abarca o mesmo conjunto de primitivas da biblioteca DECK (Distributed Execution Communication Kernel), concebida originalmente com vistas à consecução de alto desempenho sobre a tecnologia Myrinet. Os resultados auferidos com o uso do DECK/SCI revelam a eficiência dos mecanismos projetados, e a utilização profícua das características de alto desempenho intrínsecas da rede SCI, haja visto que se obteve uma performance muito próxima dos limites tecnológicos impostos pela arquitetura subjacente. Outrossim, a execução de uma clássica aplicação paralela, para fins de validação, testemunha que as primitivas e abstrações fornecidas pelo DECK/SCI mantêm estritamente a mesma semântica da interface de programação do original DECK.

Sistema Aldeia : programação paralela e distribuída em Java sobre Infiniband e DECK

Esse trabalho de dissertação está incluído no contexto das pesquisas realizadas no Grupo de Processamento Paralelo e Distribuído da UFRGS. Ele aborda as áreas da computação de alto desempenho, interfaces simples de programação e de sistemas de interconexão de redes velozes. A máquina paralela formada por agregados (clusters) tem se destacado por apresentar os recursos computacionais necessários às aplicações intensivas que necessitam de alto desempenho. Referente a interfaces de programação, Java tem se mostrado uma boa opção para a escrita de aplicações paralelas por oferecer os sistemas de RMI e de soquetes que realizam comunicação entre dois computadores, além de todas as facilidades da orientação a objetos. Na área a respeito de interconexão de rede velozes está emergindo como uma tentativa de padronização a nova tecnologia Infiniband. Ela proporciona uma baixa latência de comunicação e uma alta vazão de dados, além de uma série de vantagens implementadas diretamente no hardware. É neste contexto que se desenvolve o presente trabalho de dissertação de mestrado. O seu tema principal é o sistema Aldeia que reimplementa a interface bastante conhecida de soquetes Java para realizar comunicação assíncrona em agregados formados por redes de sistema. Em especial, o seu foco é redes configuradas com equipamentos Infiniband. O Aldeia objetiva assim preencher a lacuna de desempenho do sistema padrão de soquetes Java, que além de usar TCP/IP possui um caráter síncrono. Além de Infiniband, o Aldeia também procura usufruir dos avanços já realizados na biblioteca DECK, desenvolvida no GPPD da UFRGS. Com a sua adoção, é possível realizar comunicação com uma interface Java sobre redes Myrinet, SCI, além de TCP/IP. Somada a essa vantagem, a utilização do DECK também proporciona a propriedade de geração de rastros para a depuração de programas paralelos escritos com o Aldeia. Uma das grandes vantagens do Aldeia está na sua capacidade de transmitir dados assincronamente. Usando essa técnica, cálculos da aplicação podem ser realizados concorrentemente com as operações pela rede. Por fim, os canais de dados do Aldeia substituem perfeitamente aqueles utilizados para a serialização de objetos. Nesse mesmo caminho, o Aldeia pode ser integrado à sistemas que utilizem a implementação de soquetes Java, agora para operar sobre redes de alta velocidade. Palavras-chave: Arquitetura Infiniband, agregado de computadores, linguagem de programação Java, alto desempenho, interface de programação.

Design e gestão de sistemas, robótica, redes e médias interativos

Este relatório pretende ilustrar a experiência profissional obtida, principalmente após a conclusão, em 1998, da Licenciatura em Engenharia de Sistemas e Computadores na Universidade da Madeira. Esta experiência circunscreve-se à proficiência nas áreas de redes de comunicação de dados, automação e robótica e desenvolvimento de média interativos (tanto na vertente de CD-ROMs como orientado à Internet). Embora também disponha de experiência no ensino destas áreas citadas, foram privilegiados os projetos com uma relevância mais técnica atendendo à natureza deste mestrado. Sendo assim, são apresentadas nestas quatro áreas primeiro uma descrição dos projetos realizados no âmbito do percurso profissional, para depois descrever uma implementação (relativa a cada área) utilizando uma metodologia científica que fora alvo de estudo na componente letiva deste mestrado, salientando as virtudes e defeitos de ambas as abordagens e comparando os resultados obtidos. Em síntese, é analisado o projeto de gestão de sistemas de redes das Escolas Secundárias Francisco Franco e Jaime Moniz (no âmbito do desempenho das funções de Diretor das Instalações Informáticas em ambas as instituições) culminando numa proposta de implementação utilizando equipamentos da Cisco; é analisado o projeto de CD-ROM sobre a Reserva Natural das Ilhas Desertas para depois completar um jogo educativo utilizando uma metodologia científica de Game Design; são descritos os websites desenvolvidos (com especial ênfase nos realizados enquanto técnico superior de informática na Secretaria Regional do Ambiente e dos Recursos Naturais) para concluir com uma proposta de implementação de um sistema de marcação de reuniões orientado para a Cloud; finalmente, é descrito a utilização dos kits Lego Mindstorms para o ensino da programação, propondo uma implementação de baixo custo (alternativa) baseada num Raspberry Pi e componentes acessórios (tanto estandardizados como construídos com uma RepRap). Em suma, é contraposto o rigor e método do ensino académico com o pragmatismo e metas de produtividade exigidas no mercado de trabalho.

Dados, informação, conhecimento, ensino de programação, a inteligência empresarial e as suas motivações

O objetivo deste relatório é dar a conhecer um possível percurso de carreira para um aluno que, à entrada no mundo profissional, se interessou por sistemas de suporte à decisão e mais tarde enveredou por uma carreira de docente. Descrevi a minha experiência profissional desde a entrada no curso de Engenharia Informática e as opções que fui tomando durante e depois do curso, demonstrativas do interesse e tendências para a área de suporte à decisão dentro das TI, help desk, assim como pela área do ensino. Assim, o facto de ter trabalhado em diversas áreas e em diversas entidades, colaborei destacadamente na CENTRIA, Portugal Telecom (System Care) e Escola Secundária de Francisco Franco. Nestas entidades fiz desenvolvimento aplicacional em Text Mining, na definição de requisitos, na qualidade e integração de dados e na transmissão de ensinamentos. Esta multiplicidade de contextos permitiu a minha evolução profissional e humana. O curso na FCT-UNL capacitou-me para ser tolerante à frustração, devido aos inúmeros obstáculos com que me fui deparando ao longo do curso, transmitindo-me, assim, uma capacidade de adaptação ao nível das mais diversas tecnologias e metodologias. Ao longo da minha carreira, e graças a todos os ensinamentos assimilados, tenho conseguido ultrapassar sempre as tarefas difíceis a nível técnico, funcional e de gestão que me foram surgindo. Espero transmitir claramente como funcionam os meus projetos, as suas componentes, dificuldades e particularidades.

Algoritmo evolutivo paralelo para o problema de atribuição de localidades a anéis em redes sonet/sdh

The telecommunications play a fundamental role in the contemporary society, having as one of its main roles to give people the possibility to connect them and integrate them into society in which they operate and, therewith, accelerate development through knowledge. But as new technologies are introduced on the market, increases the demand for new products and services that depend on the infrastructure offered, making the problems of planning of telecommunication networks become increasingly large and complex. Many of these problems, however, can be formulated as combinatorial optimization models, and the use of heuristic algorithms can help solve these issues in the planning phase. This paper proposes the development of a Parallel Evolutionary Algorithm to be applied to telecommunications problem known in the literature as SONET Ring Assignment Problem SRAP. This problem is the class NP-hard and arises during the physical planning of a telecommunication network and consists of determining the connections between locations (customers), satisfying a series of constrains of the lowest possible cost. Experimental results illustrate the effectiveness of the Evolutionary Algorithm parallel, over other methods, to obtain solutions that are either optimal or very close to it