Algorithms for Hidden Markov Models With Imprecisely Specified Parameters

Hidden Markov models (HMMs) are widely used models for sequential data. As with other probabilistic graphical models, they require the specification of precise probability values, which can be too restrictive for some domains, especially when data are scarce or costly to acquire. We present a generalized version of HMMs, whose quantification can be done by sets of, instead of single, probability distributions. Our models have the ability to suspend judgment when there is not enough statistical evidence, and can serve as a sensitivity analysis tool for standard non-stationary HMMs. Efficient inference algorithms are developed to address standard HMM usage such as the computation of likelihoods and most probable explanations. Experiments with real data show that the use of imprecise probabilities leads to more reliable inferences without compromising efficiency.

A Continuous Time Markov Chain Based Sequential Analytical Approach for Composite Power System Reliability Assessment

This paper proposes a continuous time Markov chain (CTMC) based sequential analytical approach for composite generation and transmission systems reliability assessment. The basic idea is to construct a CTMC model for the composite system. Based on this model, sequential analyses are performed. Various kinds of reliability indices can be obtained, including expectation, variance, frequency, duration and probability distribution. In order to reduce the dimension of the state space, traditional CTMC modeling approach is modified by merging all high order contingencies into a single state, which can be calculated by Monte Carlo simulation (MCS). Then a state mergence technique is developed to integrate all normal states to further reduce the dimension of the CTMC model. Moreover, a time discretization method is presented for the CTMC model calculation. Case studies are performed on the RBTS and a modified IEEE 300-bus test system. The results indicate that sequential reliability assessment can be performed by the proposed approach. Comparing with the traditional sequential Monte Carlo simulation method, the proposed method is more efficient, especially in small scale or very reliable power systems.

Using the hidden Markov model to capture quality of care in Lombardy geriatric wards

Quality of care is an important aspect of healthcare monitoring, which is used to ensure that the healthcare system is delivering care of the highest standard. With populations growing older there is an increased urgency in making sure that the healthcare delivered is of the highest standard. Healthcare providers are under increased pressure to ensure that this is the case with public and government demand expecting a healthcare system of the highest quality. Modelling quality of care is difficult to measure due to the many ways of defining it. This paper introduces a potential model which could be used to take quality of care into account when modelling length of stay. The Coxian phase-type distribution is used to model length of stay and the associated quality of care incorporated into the Coxian using a Hidden Markov model. Covariates are also introduced to determine their impact on the hidden level to find out what potentially can affect quality of care. This model is applied to geriatic patient data from the Lombardy region of Italy. The results obtained highlighted that bed numbers and the type of hospital (public or private) can have an effect on the quality of care delivered.

Hidden Markov Models With Set-Valued Parameters

Hidden Markov models (HMMs) are widely used probabilistic models of sequential data. As with other probabilistic models, they require the specification of local conditional probability distributions, whose assessment can be too difficult and error-prone, especially when data are scarce or costly to acquire. The imprecise HMM (iHMM) generalizes HMMs by allowing the quantification to be done by sets of, instead of single, probability distributions. iHMMs have the ability to suspend judgment when there is not enough statistical evidence, and can serve as a sensitivity analysis tool for standard non-stationary HMMs. In this paper, we consider iHMMs under the strong independence interpretation, for which we develop efficient inference algorithms to address standard HMM usage such as the computation of likelihoods and most probable explanations, as well as performing filtering and predictive inference. Experiments with real data show that iHMMs produce more reliable inferences without compromising the computational efficiency.

Using a Discrete Hidden Markov Model Kernel for lip-based biometric identification

In this paper, a novel and effective lip-based biometric identification approach with the Discrete Hidden Markov Model Kernel (DHMMK) is developed. Lips are described by shape features (both geometrical and sequential) on two different grid layouts: rectangular and polar. These features are then specifically modeled by a DHMMK, and learnt by a support vector machine classifier. Our experiments are carried out in a ten-fold cross validation fashion on three different datasets, GPDS-ULPGC Face Dataset, PIE Face Dataset and RaFD Face Dataset. Results show that our approach has achieved an average classification accuracy of 99.8%, 97.13%, and 98.10%, using only two training images per class, on these three datasets, respectively. Our comparative studies further show that the DHMMK achieved a 53% improvement against the baseline HMM approach. The comparative ROC curves also confirm the efficacy of the proposed lip contour based biometrics learned by DHMMK. We also show that the performance of linear and RBF SVM is comparable under the frame work of DHMMK.

Multilinear and Integer Programming for Markov Decision Processes with Imprecise Probabilities

Markov Decision Processes (MDPs) are extensively used to encode sequences of decisions with probabilistic effects. Markov Decision Processes with Imprecise Probabilities (MDPIPs) encode sequences of decisions whose effects are modeled using sets of probability distributions. In this paper we examine the computation of Γ-maximin policies for MDPIPs using multilinear and integer programming. We discuss the application of our algorithms to “factored” models and to a recent proposal, Markov Decision Processes with Set-valued Transitions (MDPSTs), that unifies the fields of probabilistic and “nondeterministic” planning in artificial intelligence research. 

Population genetics of C. Maenas : oceanography and larval dispersal

Decifrar a complexa interacção entre os ciclos de vida de espécies marinhas e a oceanografia revela-se fundamental para a compreensão do fluxo genético e da conectividade no meio marinho. Nas espécies marinhas com desenvolvimento indirecto o fluxo de genes entre populações depende da distância que separa as populações, bem como da interacção entre a duração do desenvolvimento larvar, do comportamento das larvas e dos padrões de circulação oceânica. A conectividade larvar influencia uma variedade de processos como a dinâmica de stocks e de populações, a distribuição e limites geográficos das espécies, a estrutura genética das populações e a dispersão de espécies invasivas e reveste-se consequentemente de uma importância fundamental na identificação das unidades populacionais evolucionariamente relevantes e para a gestão e conservação marinhas. Os marcadores genéticos e os Modelos Individuais Acoplados a Modelos Físico-Biológicos (“ICPBMs”) são actualmente ferramentas fundamentais para o estudo dos padrões de dispersão larvar e para avaliar o nível de conectividade populacional. A presente tese respeita à avaliação das escalas espaciais de conectividade de populações de uma espécie costeira, o caranguejo Carcinus maenas, e utiliza conjuntamente informação de marcadores genéticos, análise de séries temporais de fornecimento de larvas e um modelo numérico de circulação oceânica. O primeiro capítulo introduz a temática da conectividade em espécies marinhas e inclui algumas referências aos métodos moleculares, analíticos e de modelação seguidos ao longo da tese. Através da utilização de múltiplas ferramentas – avaliação da estrutura genética geográfica de C. maenas na sua distribuição nativa com recurso a marcadores de DNA (microssatélites) (Capítulo 2), avaliação da estrutura genética temporal das larvas que formam os eventos de fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 3), descrição da variabilidade inter-anual do fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 4) e validação de um modelo ICPBM que descreve os padrões observados de fornecimento (Capítulo 5) – esta tese espera poder contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos que regulam o fluxo de genes e a conectividade entre populações de organismos marinhos. No Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões da investigação. A análise genética com recurso a microssatélites indicou que as populações de C. maenas são geneticamente homogéneas ao longo de várias centenas de km, dentro da distribuição nativa da espécie. Paralelamente, não foram encontrados indícios da existência de reprodução por “sweepstakes” em C. maenas de populações da costa oeste da Península Ibérica, visto que não se obtiveram diferenças genéticas significativas entre os eventos larvares. Também não se encontrou qualquer estrutura familiar entre as larvas que formam cada episódio de fornecimento, e não houve nenhuma redução significativa da variabilidade genética das larvas quando comparada com a de caranguejos adultos. A análise de séries temporais de suprimento de larvas na Ria de Aveiro em cinco anos estudados indica que este é um fenómeno episódico e variável, sendo os maiores episódios de fornecimento coincidentes com as marés vivas e acentuados por fortes ventos de sul. O modelo ICPBM foi validado com sucesso e parece fornecer uma estimativa realística das escalas espaciais e temporais de dispersão larvar, de acordo com as observações da estrutura genética e da ausência de reprodução por “sweepstake” em C. maenas da costa oeste da Península Ibérica

Multi-scale dynamics on the Eastern Brazilian margin

Este trabalho combina esforços de simulação numérica e de análise de dados para investigar a dinâmica em diversos compartimentos (oceano aberto, plataforma continental e zona costeira-estuarina) e, em multiplas escalas, na Margem Continental Leste Brasileira (MCLB). A circulação de largo e mesoescala espacial e a propagação da maré barotrópica são investigadas através de uma configuração aninhada do modelo numérico ROMS. O estudo da dinâmica regional da Baía de Camamu (CMB) baseia-se na análise de dados locais. A MCLB, localizada a SW do Atlântico Sul entre 8±S e 20±S, possui plataforma estreita, batimetria complexa, e baixa produtividade primária. A sua dinâmica é influenciada pela divergência da Corrente Sul Equatorial (CSE). As simulações refletem as conexões sazonais e espaciais entre a Corrente do Brasil e a Contra Corrente Norte do Brasil , em conexão com a dinâmica da CSE. As simulações revelam atividades vorticais nas proximidades da costa e interações com a dinâmica costeira, cujos padrões são descritos. A validação do modelo em mesoescala é baseada em cálculos de energia cinética turbulenta e em dados históricos de transporte. A CMB, localizada a 13±400S, abriga uma comunidade piscatória tradicional e extenso de manguezal. Situa-se porém sobre uma bacia sedimentar com grande reservas de óleo e gás, estando em tensão permanente de impacto ambiental. Neste trabalho sumarizamos as condições físicas regionais e investigamos sua dinâmica interna, focando sua variabilidade em amostragens realizadas sob condições de seca (Setembro de 2004) e de chuva (Julho de 2005). Finalmente, o modelo numérico ROMS é forçado com o sinal de maré, empregando-se uma configuração simples (com coeficientes de atrito de fundo constantes e condições hidrográficas homogéneas), com o intuito de avaliar sua resposta e investigar a natureza da propagação da maré barotrópica na MCLB, convergindo na CMB. A análise da resposta do modelo à maré basea-se em séries históricas do nível do mar para a MCLB e dados recentes da CMB.

Imagens das línguas e afectividade em contexto escolar

Enquadrado numa perspectiva sócio-construtivista em Didáctica de Línguas (DL), o presente trabalho propõe-se identificar e descrever as imagens face às línguas estrangeiras, em particular à língua Alemã, e sua aprendizagem, que se manifestam numa determinada comunidade escolar. Com base nas imagens identificadas, pretende-se compreender de que forma elas se relacionam com a dimensão afectiva presente no processo de ensinoaprendizagem, nomeadamente no que diz respeito à relação afectiva que o aprendente vai construindo com o alemão, objecto de estudo. Neste quadro, foram traçadas as seguintes questões de investigação para este trabalho: (1) Que imagens face às línguas escolares (inglês, francês, espanhol, português e, em particular, alemão), se manifestam numa determinada comunidade escolar (considerando os alunos, encarregados de educação, professores, administração da escola e funcionários)?; Como se (inter-) relacionam estas imagens nos diferentes públicos considerados?; (2) De que forma se manifestam as imagens face à língua alemã e sua aprendizagem na interacção em sala de aula de Alemão (LE)? Quais as marcas discursivas que as identificam e tecem?; De que forma estão estas imagens associadas às emoções e (3) Quais as emoções associadas às imagens do Alemão e sua aprendizagem em contexto de sala de aula? A investigação recente em DL sugere que as imagens que um determinado sujeito constrói face a uma dada língua permitem compreender as suas atitudes e comportamentos face à mesma, nomeadamente no que diz respeito à relação afectiva que vai construindo com a língua em causa e sua aprendizagem (cf. ARAÚJO E SÁ & SCHMIDT 2008, DE PIETRO & MÜLLER 1997, MÜLLER 1998, PERREFORT 2001). Estas imagens, enquanto constructos sociais, elaboram-se, revitalizam-se e cristalizam-se na e pela interacção verbal em sala de aula. Nesta perspectiva, o presente trabalho discute os conceitos de imagem/representação face às línguas, relacionandoos com a dimensão afectiva (inegavelmente) presente nos processos de ensino-aprendizagem das LE e à luz de uma abordagem interaccional em DL. A investigação desenrolou-se em duas fases. Numa primeira, aplicou-se um inquérito por questionário a toda uma comunidade escolar (incluindo todos os públicos anteriormente referidos), numa escola secundária com terceiro ciclo em Albergaria-a-Velha, no distrito de Aveiro. Os dados recolhidos foram analisados segundo uma abordagem mista (quantitativa e qualitativa). Os resultados apontam para imagens fortemente escolarizadas, na medida em que os inquiridos parecem considerar as línguas estrangeiras sobretudo enquanto objectos de apropriação em contextos escolares. Identificaram-se imagens homogéneas e consistentes das línguas estrangeiras, evidenciando-se, no que à língua alemã diz respeito, a sua dificuldade. Os resultados relacionam-se com os obtidos noutras investigações realizadas em terreno nacional em DL, corroborando alguns e complementando outros (ARAÚJO E SÁ 2008, SIMÕES 2006, PINTO 2005, MELO 2006 e Projecto Imagens das Línguas na comunicação intercultural: contributos para o desenvolvimento da competência plurilingue). Numa segunda fase, acompanhou-se uma turma de alemão (LE) ao longo de um ano lectivo completo, tendo-se procedido à vídeo-gravação das aulas e, posteriormente, à identificação do que designámos por ‘episódios significativos’, para constituição do corpus de análise. A análise interaccional destes episódios permitiu a identificação de diferentes marcas discursivas (verbais, para-verbais e não-verbais) que indiciam, por um lado, a circulação e (re)construção de imagens face ao alemão e sua aprendizagem e, por outro, a presença de um conjunto de emoções associadas a estas imagens, nos discursos dos aprendentes e da professora. No que diz respeito à imagem da dificuldade do alemão e da sua aprendizagem, cristalizaram-se seis indicadores: (1) a compreensão oral e a pronúncia, (2) o léxico e as palavras compostas (3) os números, (4) a leitura, (5) o sistema de regras gramaticais e, finalmente, (6) a auto-imagem dos alunos enquanto aprendentes de alemão. Os resultados sugerem ainda a associação destas imagens a emoções tendencialmente ‘negativas’ (por exemplo a arrelia e o embaraço), isto é, que se traduzem numa atitude de distanciamento e de evitamento linguístico. Face às conclusões obtidas, propõe-se um conjunto de princípios enquadradores para uma educação em línguas ‘afectivamente consciente’ e capaz de promover imagens mais positivas das línguas e das suas aprendizagens, designadamante do alemão. Considerando-se a diminuição acentuada dos aprendentes de alemão (LE) em contexto escolar nacional nos últimos dez anos, aponta-se para a necessidade de melhor compreender a relação entre a falta de popularidade escolar desta língua e a imagem da sua dificuldade (de aprendizagem).

O risco percebido na decisão da compra numa loja online e numa loja tradicional: uma investigação empírica sobre os riscos percebidos e as estratégias de redução do risco percebido

A dissertação consiste no estudo do risco percebido na decisão de compra numa loja online e numa loja tradicional: uma investigação empírica sobre os riscos percebidos e as estratégias de redução do risco percebido. Pretende-se com este averiguar diante de uma situação de compra online, se os riscos percebidos tendem a ser mais evidentes. Como tal, efectuou-se uma investigação qualitativa, onde foram realizados três focus groups compostos por dezoito indivíduos escolhidos, de acordo com algumas características homogéneas, previamente definidas, a fim de se conseguir um debate activo. Em suma, após realizada a análise de conteúdo dos debates constatou-se que existem poucas semelhanças entre os dois ambientes de compra estudados. Os participantes dos debates demonstraram que preferem utilizar o meio tradicional em detrimento do online, isto porque dizem que as lojas online são um meio de compra relativamente novo e incerto, onde percepcionam grandes riscos, o “Financeiro” e o de “Desempenho”. Com o intuito de se salvaguardarem, quando optam por este meio de compra, utilizam as estratégias “Comprar numa loja conceituada” e “Comprar uma marca conhecida”, de forma a reduzirem o risco percebido.

Data envelopment analysis: eficiência relativa das unidades de tomada de decisão

A avaliação das organizações e a deterntinação da performance obtida pelo exercício da gestão, tem sido uma preocupação constante de gestores e accionistas, embora com objectivos diversos. Nos dias de hoje, a questão coloca-se com maior acuidade quer pela competitividade acrescida quer pela dimensão e complexidade actual das empresas. Pretendemos com este trabalho fazer uma descrição da metodologia DEA - Data Envelopment Analysis - nas suas formulações iniciais mais simples. A metodologia do DEA, pretende obter uma medida única e simples de avaliação da eficiência, combinando um conjunto de outputs e de inputs relativos às diferentes unidades homogéneas que se pretendem avaliar. O método DEA é um método não paramétrico que pelas suas características é particularmente adequado à avaliação de unidades homogéneas não necessariamente lucrativas. Concluímos, em geral, que são úteis e constituem um avanço importante, as informações obtidas através do DEA mas que outros métodos, designadamente rácios e análises de regressão, podem dar um contributo importante para complementar aquela análise.

Intervenção baseada no conceito de Bobath em indivíduos com doença de Parkinson: quatro estudos de caso

Introdução: O padrão de recrutamento temporal inerente a uma sequência de ativação muscular (SAM), permite a organização multi-segmentar para a realização de uma tarefa motora. Este depende da conexão neural entre estruturas corticais e sub-corticais, incluindo os núcleos da base (NB), podendo, assim, estar comprometido em indivíduos com Doença de Parkinson (DP). As SAM poderão ser melhoradas através de uma intervenção baseada no conceito de Bobath (CB). Objetivo: Estudar o potencial da intervenção, baseada no CB, a longo prazo, nas SAM ao nível da tibio-társica (TT), durante as tarefas motoras sit-to-stand (SitTS) e o stand-to-sit (StandTS), em quatro indivíduos com DP. Metodologia: O estudo apresenta quatro casos de indivíduos com DP, que realizaram intervenção em fisioterapia baseada no CB, durante 12 semanas. Antes e após a intervenção, foram avaliadas as sequências de ativação do gastrocnémio medial (GM), do solear (SOL) e do tibial anterior (TA), durante as tarefas SitTS e StandTS, recorrendo à eletromiografia de superfície e à plataforma de forças, para a divisão cinética das diferentes fases das tarefas. Avaliou-se ainda o equilíbrio funcional, através da Escala de Berg, e a percepção subjetiva dos indivíduos acerca da sua capacidade para realizar atividades sem cair, através da Modified Falls Efficacy Scale. Resultados: Após a intervenção, os indivíduos em estudo apresentaram, na sua maioria, uma diminuição da co-ativação muscular, bem como um aumento do equilíbrio funcional e diminuição da probabilidade de risco de queda, refletindo uma melhoria do controlo postural (CP). As modificações na percepção subjetiva dos indivíduos acerca da sua capacidade para realizar atividades sem cair não foram homogéneas. Conclusão: A intervenção baseada no CB teve efeitos positivos do ponto de vista do CP nos quatro indivíduos com DP. Pensa-se que uma intervenção mais duradoura poderá intensificar as melhorias observadas.