Solving MPCC problem with the hyperbolic penalty function

The main goal of this work is to solve mathematical program with complementarity constraints (MPCC) using nonlinear programming techniques (NLP). An hyperbolic penalty function is used to solve MPCC problems by including the complementarity constraints in the penalty term. This penalty function [1] is twice continuously differentiable and combines features of both exterior and interior penalty methods. A set of AMPL problems from MacMPEC [2] are tested and a comparative study is performed.

Solving a signalized traffic intersection problem with an hyperbolic penalty function

Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC) finds many applications in fields such as engineering design, economic equilibrium and mathematical programming theory itself. A queueing system model resulting from a single signalized intersection regulated by pre-timed control in traffic network is considered. The model is formulated as an MPCC problem. A MATLAB implementation based on an hyperbolic penalty function is used to solve this practical problem, computing the total average waiting time of the vehicles in all queues and the green split allocation. The problem was codified in AMPL.

The electric vehicle integration into the power system: an application to the portuguese case

Electric vehicles (EV) offer a great potential to address the integration of renewable energy sources (RES) in the power grid, and thus reduce the dependence on oil as well as the greenhouse gases (GHG) emissions. The high share of wind energy in the Portuguese energy mix expected for 2020 can led to eventual curtailment, especially during the winter when high levels of hydro generation occur. In this paper a methodology based on a unit commitment and economic dispatch is implemented, and a hydro-thermal dispatch is performed in order to evaluate the impact of the EVs integration into the grid. Results show that the considered 10 % penetration of EVs in the Portuguese fleet would increase load in 3 % and would not integrate a significant amount of wind energy because curtailment is already reduced in the absence of EVs. According to the results, the EV is charged mostly with thermal generation and the associated emissions are much higher than if they were calculated based on the generation mix.

Automatic vehicle detection and classification

This paper presents a proposal for an automatic vehicle detection and classification (AVDC) system. The proposed AVDC should classify vehicles accordingly to the Portuguese legislation (vehicle height over the first axel and number of axels), and should also support profile based classification. The AVDC should also fulfill the needs of the Portuguese motorway operator, Brisa. For the classification based on the profile we propose:he use of Eigenprofiles, a technique based on Principal Components Analysis. The system should also support multi-lane free flow for future integration in this kind of environments.

Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

Energy resource management in smart grids considering an Intensive use of electric vehicles

The introduction of electricity markets and integration of Distributed Generation (DG) have been influencing the power system’s structure change. Recently, the smart grid concept has been introduced, to guarantee a more efficient operation of the power system using the advantages of this new paradigm. Basically, a smart grid is a structure that integrates different players, considering constant communication between them to improve power system operation and management. One of the players revealing a big importance in this context is the Virtual Power Player (VPP). In the transportation sector the Electric Vehicle (EV) is arising as an alternative to conventional vehicles propel by fossil fuels. The power system can benefit from this massive introduction of EVs, taking advantage on EVs’ ability to connect to the electric network to charge, and on the future expectation of EVs ability to discharge to the network using the Vehicle-to-Grid (V2G) capacity. This thesis proposes alternative strategies to control these two EV modes with the objective of enhancing the management of the power system. Moreover, power system must ensure the trips of EVs that will be connected to the electric network. The EV user specifies a certain amount of energy that will be necessary to charge, in order to ensure the distance to travel. The introduction of EVs in the power system turns the Energy Resource Management (ERM) under a smart grid environment, into a complex problem that can take several minutes or hours to reach the optimal solution. Adequate optimization techniques are required to accommodate this kind of complexity while solving the ERM problem in a reasonable execution time. This thesis presents a tool that solves the ERM considering the intensive use of EVs in the smart grid context. The objective is to obtain the minimum cost of ERM considering: the operation cost of DG, the cost of the energy acquired to external suppliers, the EV users payments and remuneration and penalty costs. This tool is directed to VPPs that manage specific network areas, where a high penetration level of EVs is expected to be connected in these areas. The ERM is solved using two methodologies: the adaptation of a deterministic technique proposed in a previous work, and the adaptation of the Simulated Annealing (SA) technique. With the purpose of improving the SA performance for this case, three heuristics are additionally proposed, taking advantage on the particularities and specificities of an ERM with these characteristics. A set of case studies are presented in this thesis, considering a 32 bus distribution network and up to 3000 EVs. The first case study solves the scheduling without considering EVs, to be used as a reference case for comparisons with the proposed approaches. The second case study evaluates the complexity of the ERM with the integration of EVs. The third case study evaluates the performance of scheduling with different control modes for EVs. These control modes, combined with the proposed SA approach and with the developed heuristics, aim at improving the quality of the ERM, while reducing drastically its execution time. The proposed control modes are: uncoordinated charging, smart charging and V2G capability. The fourth and final case study presents the ERM approach applied to consecutive days.

Sistema de percepção visual para veículos autónomos aéreos

Esta dissertação aborda o problema de detecção e desvio de obstáculos "SAA- Sense And Avoid" em movimento para veículos aéreos. Em particular apresenta contribuições tendo em vista a obtenção de soluções para permitir a utilização de aeronaves não tripuladas em espaço aéreo não segregado e para aplicações civis. Estas contribuições caracterizam-se por: uma análise do problema de SAA em \UAV's - Unmmaned Aerial Vehicles\ civis; a definição do conceito e metodologia para o projecto deste tipo de sistemas; uma proposta de \ben- chmarking\ para o sistema SAA caracterizando um conjunto de "datasets\ adequados para a validação de métodos de detecção; respectiva validação experimental do processo e obtenção de "datasets"; a análise do estado da arte para a detecção de \Dim point features\ ; o projecto de uma arquitectura para uma solução de SAA incorporando a integração de compensação de \ego motion" e respectiva validação para um "dataset" recolhido. Tendo em vista a análise comparativa de diferentes métodos bem como a validação de soluções foi proposta a recolha de um conjunto de \datasets" de informação sensorial e de navegação. Para os mesmos foram definidos um conjunto de experiências e cenários experimentais. Foi projectado e implementado um setup experimental para a recolha dos \datasets" e realizadas experiências de recolha recorrendo a aeronaves tripuladas. O setup desenvolvido incorpora um sistema inercial de alta precisão, duas câmaras digitais sincronizadas (possibilitando análise de informa formação stereo) e um receptor GPS. As aeronaves alvo transportam um receptor GPS com logger incorporado permitindo a correlação espacial dos resultados de detecção. Com este sistema foram recolhidos dados referentes a cenários de aproximação com diferentes trajectórias e condições ambientais bem como incorporando movimento do dispositivo detector. O método proposto foi validado para os datasets recolhidos tendo-se verificado, numa análise preliminar, a detecção do obstáculo (avião ultraleve) em todas as frames para uma distância inferior a 3 km com taxas de sucesso na ordem dos 95% para distâncias entre os 3 e os 4 km. Os resultados apresentados permitem validar a arquitectura proposta para a solução do problema de SAA em veículos aéreos autónomos e abrem perspectivas muito promissoras para desenvolvimento futuro com forte impacto técnico-científico bem como sócio-economico. A incorporação de informa formação de \ego motion" permite fornecer um forte incremento em termos de desempenho.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Modelling and aerodynamic simulation of a vehicle and failure analysis of a laminated front fender

Master Thesis in Mechanical Engineering field of Maintenance and Production

Fast growing fungi: a problem to be solved to achieve characterization of occupational exposure to fungi in cork industry

Chrysonilia sitophila is a common mould in cork industry and has been identified as a cause of IgE sensitization and occupational asthma. This fungal species have a fast growth rate that may inhibit others species’ growth causing underestimated data from characterization of occupational fungal exposure. Aiming to ascertain occupational exposure to fungi in cork industry, were analyzed papers from 2000 about the best air sampling method, to obtain quantification and identification of all airborne culturable fungi, besides the ones that have fast-growing rates. Impaction method don’t allows the collection of a representative air volume, because even with some media that restricts the growth of the colonies, in environments with higher fungal load, such as cork industry, the counting of the colonies is very difficult. Otherwise, impinger method permits the collection of a representative air volume, since we can make dilution of the collected volume. Besides culture methods that allows fungal identification trough macro- and micro-morphology, growth features, thermotolerance and ecological data, we can apply molecular biology with the impinger method, to detect the presence of non-viable particles and potential mycotoxin producers’ strains, and also to detect mycotoxins presence with ELISA or HPLC. Selection of the best air sampling method in each setting is crucial to achieve characterization of occupational exposure to fungi. Information about the prevalent fungal species in each setting and also the eventual fungal load it’s needed for a criterious selection.

EWASTEU Programme: proposals to minimise the problem of e‑waste

Hoje em dia muitos dos equipamentos elétricos e eletrónicos que compramos ficam obsoletos num curto espaço de tempo por causa dos rápidos avanços tecnológicos neste campo. Equipamentos como computadores, telemóveis e equipamentos elétricos e eletrónicos de pequeno e grande porte são transformados em lixo eletrónico e muitos deles são despejados no lixo comum. Para alterar este cenário, a União Europeia publicou diretivas neste domínio com o intuito de controlar o crescimento do lixo eletrónico e reduzir o seu impacto. Neste contexto, a Universidade de Yaşar (Turquia) submeteu à União Europeia um projeto (EWASTEU) com o objetivo de fornecer uma visão do que está acontecer com o equipamento transformado em lixo eletrónico e de apresentar algumas propostas para minimizar este problema. Uma das principais questões a ser respondida será a adequação das diretivas europeias.

New insights on integer-programming models for the kidney exchange problem

In recent years several countries have set up policies that allow exchange of kidneys between two or more incompatible patient–donor pairs. These policies lead to what is commonly known as kidney exchange programs. The underlying optimization problems can be formulated as integer programming models. Previously proposed models for kidney exchange programs have exponential numbers of constraints or variables, which makes them fairly difficult to solve when the problem size is large. In this work we propose two compact formulations for the problem, explain how these formulations can be adapted to address some problem variants, and provide results on the dominance of some models over others. Finally we present a systematic comparison between our models and two previously proposed ones via thorough computational analysis. Results show that compact formulations have advantages over non-compact ones when the problem size is large.