Identificação de áreas sob maior risco para leishmaniose visceral na cidade de Teresina, Piauí, Brasil

O propósito desta Tese foi detectar e caracterizar áreas sob alto risco para leishmaniose visceral (LV) e descrever os padrões de ocorrência e difusão da doença, entre os anos de 1993 a 1996 e 2001 a 2006, em Teresina, Piauí, por meio de métodos estatísticos para análise de dados espaciais, sistemas de informações geográficas e imagens de sensoriamento remoto. Os resultados deste estudo são apresentados na forma de três manuscritos. O primeiro usou análise de dados espaciais para identificar as áreas com maior risco de LV na área urbana de Teresina entre 2001 e 2006. Os resultados utilizando razão de kernels demonstraram que as regiões periféricas da cidade foram mais fortemente afetadas ao longo do período analisado. A análise com indicadores locais de autocorrelação espacial mostrou que, no início do período de estudo, os agregados de alta incidência de LV localizavam-se principalmente na região sul e nordeste da cidade, mas nos anos seguintes os eles apareceram também na região norte da cidade, sugerindo que o padrão de ocorrência de LV não é estático e a doença pode se espalhar ocasionalmente para outras áreas do município. O segundo estudo teve como objetivo caracterizar e predizer territórios de alto risco para ocorrência da LV em Teresina, com base em indicadores socioeconômicos e dados ambientais, obtidos por sensoriamento remoto. Os resultados da classificação orientada a objeto apontam a expansão da área urbana para a periferia da cidade, onde antes havia maior cobertura de vegetação. O modelo desenvolvido foi capaz de discriminar 15 conjuntos de setores censitário (SC) com diferentes probabilidades de conterem SC com alto risco de ocorrência de LV. O subconjunto com maior probabilidade de conter SC com alto risco de LV (92%) englobou SC com percentual de chefes de família alfabetizados menor que a mediana (≤64,2%), com maior área coberta por vegetação densa, com percentual de até 3 moradores por domicílio acima do terceiro quartil (>31,6%). O modelo apresentou, respectivamente, na amostra de treinamento e validação, sensibilidade de 79% e 54%, especificidade de 74% e 71%, acurácia global de 75% e 67% e área sob a curva ROC de 83% e 66%. O terceiro manuscrito teve como objetivo avaliar a aplicabilidade da estratégia de classificação orientada a objeto na busca de possíveis indicadores de cobertura do solo relacionados com a ocorrência da LV em meio urbano. Os índices de acurácia foram altos em ambas as imagens (>90%). Na correlação da incidência da LV com os indicadores ambientais verificou-se correlações positivas com os indicadores Vegetação densa, Vegetação rasteira e Solo exposto e negativa com os indicadores Água, Urbana densa e Urbana verde, todos estatisticamente significantes. Os resultados desta tese revelam que a ocorrência da LV na periferia de Teresina está intensamente relacionada às condições socioeconômicas inadequadas e transformações ambientais decorrentes do processo de expansão urbana, favorecendo a ocorrência do vetor (Lutzomyia longipalpis) nestas regiões.

Distributed Control and Optimization for Communication and Power Systems

We are at the cusp of a historic transformation of both communication system and electricity system. This creates challenges as well as opportunities for the study of networked systems. Problems of these systems typically involve a huge number of end points that require intelligent coordination in a distributed manner. In this thesis, we develop models, theories, and scalable distributed optimization and control algorithms to overcome these challenges.

This thesis focuses on two specific areas: multi-path TCP (Transmission Control Protocol) and electricity distribution system operation and control. Multi-path TCP (MP-TCP) is a TCP extension that allows a single data stream to be split across multiple paths. MP-TCP has the potential to greatly improve reliability as well as efficiency of communication devices. We propose a fluid model for a large class of MP-TCP algorithms and identify design criteria that guarantee the existence, uniqueness, and stability of system equilibrium. We clarify how algorithm parameters impact TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation and demonstrate an inevitable tradeoff among these properties. We discuss the implications of these properties on the behavior of existing algorithms and motivate a new algorithm Balia (balanced linked adaptation) which generalizes existing algorithms and strikes a good balance among TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation. We have implemented Balia in the Linux kernel. We use our prototype to compare the new proposed algorithm Balia with existing MP-TCP algorithms.

Our second focus is on designing computationally efficient algorithms for electricity distribution system operation and control. First, we develop efficient algorithms for feeder reconfiguration in distribution networks. The feeder reconfiguration problem chooses the on/off status of the switches in a distribution network in order to minimize a certain cost such as power loss. It is a mixed integer nonlinear program and hence hard to solve. We propose a heuristic algorithm that is based on the recently developed convex relaxation of the optimal power flow problem. The algorithm is efficient and can successfully computes an optimal configuration on all networks that we have tested. Moreover we prove that the algorithm solves the feeder reconfiguration problem optimally under certain conditions. We also propose a more efficient algorithm and it incurs a loss in optimality of less than 3% on the test networks.

Second, we develop efficient distributed algorithms that solve the optimal power flow (OPF) problem on distribution networks. The OPF problem determines a network operating point that minimizes a certain objective such as generation cost or power loss. Traditionally OPF is solved in a centralized manner. With increasing penetration of volatile renewable energy resources in distribution systems, we need faster and distributed solutions for real-time feedback control. This is difficult because power flow equations are nonlinear and kirchhoff's law is global. We propose solutions for both balanced and unbalanced radial distribution networks. They exploit recent results that suggest solving for a globally optimal solution of OPF over a radial network through a second-order cone program (SOCP) or semi-definite program (SDP) relaxation. Our distributed algorithms are based on the alternating direction method of multiplier (ADMM), but unlike standard ADMM-based distributed OPF algorithms that require solving optimization subproblems using iterative methods, the proposed solutions exploit the problem structure that greatly reduce the computation time. Specifically, for balanced networks, our decomposition allows us to derive closed form solutions for these subproblems and it speeds up the convergence by 1000x times in simulations. For unbalanced networks, the subproblems reduce to either closed form solutions or eigenvalue problems whose size remains constant as the network scales up and computation time is reduced by 100x compared with iterative methods.

Uso do espaço do marsupial Caluromys philander (Didelphimorphia, Didelphidae) no Parque Nacional da Serra dos Órgãos - Rio de Janeiro, Brasil

Uso do espaço é um padrão bem estudado em ecologia. Entretanto, formação de área de vida e posição relativa dos abrigos com área de uso são pouco estudados, principalmente para marsupiais didelfídeos. Dentre estes animais, podemos destacar Caluromys philander, devido ao seu baixo registro em armadilhas na Mata Atlântica e características peculiares dentro do grupo, como seu desenvolvimento, longevidade e hábito alimentar. Neste estudo foram investigadas as formações das áreas de uso destes animais através da comparação com seus movimentos diários, e a posição dos seus abrigos dentro das suas áreas de uso. Para isso foram monitorados seis indivíduos de C. philander através de colares rádio transmissores. Estes indivíduos se deslocaram em média 534 153 m por noite. Além disso, apresentaram área diária de 9548 3591 m e área de vida de 2,8 0,4 ha. Noventa e sete por cento das áreas diárias apresentaram sobreposição entre si, com média de 19,4% de sobreposição. Não houve diferença nos locais dos abrigos dos indivíduos monitorados, dentro dos seus Mínimos Polígonos Convexos. Entretanto, estes mesmos abrigos não estiveram localizados nas áreas de maior intensidade de uso. A média de abrigos utilizados por indivíduo foi de 6,3 (3-10) com utilização média de 2,9 (1-17) vezes em cada abrigo, sendo que 48% das vezes os animais só possuíram um registro em cada abrigo, demonstrando baixa fidelidade. Entretanto, dois indivíduos apresentaram diferença de utilização entre seus abrigos, com três destes sendo mais utilizados que os outros. O trabalho sugere que os indivíduos de C. philander monitorados apresentam área de vida propriamente dita (restrita), onde ocorrem as sobreposições entre suas áreas diárias. C. philander utilizam mais de um abrigo em suas vidas, trocando com frequência de abrigos, apesar de alguns destes abrigos poderem ser mais utilizados que outros. Além disso, os abrigos destes animais não são localizados nas suas áreas de maior intensidade de uso.

Evaluation of the nutrient composition of some unconventional feedstuffs

A trial was carried out to evaluate the nutrient composition of some unconventional feedstuffs to ascertain their suitability for incorporation into fish feed. Pawpaw seed, mudskipper meal, water melon seed, almond kernel and groundnut husk were processed and analyzed for their proximate and mineral composition using internationally established procedure. The results obtained showed that the experimental feed stuffs had percentage crude protein that ranged from 7.38% to 55.85%. The highest level (55.85%) was found in mudskipper meal while the lowest (7.38%) was found in groundnut husk. The experimental feed stuffs had appreciable levels of calcium, potassium and phosphorus ranging from 0.29% to 1.87%, 0.17 to 1.26 and 0.06 to 0.97 respectively. Almond kernel can be used to replace soybean meal in aqua feed. Also, mudskipper meal can be used to replace fish meal in order to produce a cheaper fish feed; but it was recommended that feeding trials should be conducted to ascertain the inclusion level at which they can be effectively incorporated. The potentials of some of these feedstuffs in fish feed formulation seem high.

Análise espaço-temporal do uso do habitat pelo boto-cinza (Sotalia Guianensis) na Baía de Guanabara, Rio de Janeiro

Determinar áreas de vida tem sido um tema amplamente discutido em trabalhos que procuram entender a relação da espécie estudada com as características de seu habitat. A Baía de Guanabara abriga uma população residente de botos-cinza (Sotalia guianensis) e o objetivo do presente estudo foi analisar o uso espacial de Sotalia guianensis, na Baía de Guanabara (RJ), entre 2002 e 2012. Um total de 204 dias de coleta foi analisado e 902 pontos selecionados para serem gerados os mapas de distribuição. A baía foi dividida em quatro subáreas e a diferença no esforço entre cada uma não ultrapassou 16%. O método Kernel Density foi utilizado nas análises para estimativa e interpretação do uso do habitat pelos grupos de botos-cinza. A interpretação das áreas de concentração da população também foi feita a partir de células (grids) de 1,5km x 1,5km com posterior aplicação do índice de sobreposição de nicho de Pianka. As profundidades utilizadas por S. guianensis não apresentaram variações significativas ao longo do período de estudo (p = 0,531). As áreas utilizadas durante o período de 2002/2004 foram estimadas em 79,4 km com áreas de concentração de 19,4 km. Os períodos de 2008/2010 e 2010/2012 apresentaram áreas de uso estimadas em um total de 51,4 e 58,9 km, respectivamente e áreas de concentração com 10,8 e 10,4 km, respectivamente. As áreas utilizadas envolveram regiões que se estendem por todo o canal central e região nordeste da Baía de Guanabara, onde também está localizada a Área de Proteção Ambiental de Guapimirim. Apesar disso, a área de vida da população, assim como suas áreas de concentração, diminuiu gradativamente ao longo dos anos, especialmente no entorno da Ilha de Paquetá e centro-sul do canal central. Grupos com mais de 10 indivíduos e grupos na classe ≥ 25% de filhotes em sua composição, evidenciaram reduções de mais de 60% no tamanho das áreas utilizadas. A população de botos-cinza vem decrescendo rapidamente nos últimos anos, além de interagir diariamente com fontes perturbadoras, sendo estas possíveis causas da redução do uso do habitat da Baía de Guanabara. Por esse motivo, os resultados apresentados são de fundamental importância para a conservação desta população já que representam consequências da interação em longo prazo com um ambiente costeiro altamente impactado pela ação antrópica.

Mapeamento de difusão no reconhecimento e reconstrução de sinais

Em muitas representações de objetos ou sistemas físicos se faz necessário a utilização de técnicas de redução de dimensionalidade que possibilitam a análise dos dados em baixas dimensões, capturando os parâmetros essenciais associados ao problema. No contexto de aprendizagem de máquina esta redução se destina primordialmente à clusterização, reconhecimento e reconstrução de sinais. Esta tese faz uma análise meticulosa destes tópicos e suas conexões que se encontram em verdadeira ebulição na literatura, sendo o mapeamento de difusão o foco principal deste trabalho. Tal método é construído a partir de um grafo onde os vértices são os sinais (dados do problema) e o peso das arestas é estabelecido a partir do núcleo gaussiano da equação do calor. Além disso, um processo de Markov é estabelecido o que permite a visualização do problema em diferentes escalas conforme variação de um determinado parâmetro t: Um outro parâmetro de escala, Є, para o núcleo gaussiano é avaliado com cuidado relacionando-o com a dinâmica de Markov de forma a poder aprender a variedade que eventualmente seja o suporte do dados. Nesta tese é proposto o reconhecimento de imagens digitais envolvendo transformações de rotação e variação de iluminação. Também o problema da reconstrução de sinais é atacado com a proposta de pré-imagem utilizando-se da otimização de uma função custo com um parâmetro regularizador, γ, que leva em conta também o conjunto de dados iniciais.

Precondicionadores baseados na aproximação da inversa.

Neste trabalho de dissertação apresentaremos uma classe de precondicionadores baseados na aproximação esparsa da inversa da matriz de coecientes, para a resolução de sistemas lineares esparsos de grandes portes através de métodos iterativos, mais especificamente métodos de Krylov. Para que um método de Krylov seja eficiente é extremamente necessário o uso de precondicionadores. No contexto atual, onde computadores de arquitetura híbrida são cada vez mais comuns temos uma demanda cada vez maior por precondicionadores paralelizáveis. Os métodos de inversa aproximada que serão descritos possuem aplicação paralela, pois so dependem de uma operação de produto matriz-vetor, que é altamente paralelizável. Além disso, alguns dos métodos também podem ser construídos em paralelo. A ideia principal é apresentar uma alternativa aos tradicionais precondicionadores que utilizam aproximações dos fatores LU, que apesar de robustos são de difícil paralelização.

Gene function prediction from synthetic lethality networks via ranking on demand.

MOTIVATION: Synthetic lethal interactions represent pairs of genes whose individual mutations are not lethal, while the double mutation of both genes does incur lethality. Several studies have shown a correlation between functional similarity of genes and their distances in networks based on synthetic lethal interactions. However, there is a lack of algorithms for predicting gene function from synthetic lethality interaction networks. RESULTS: In this article, we present a novel technique called kernelROD for gene function prediction from synthetic lethal interaction networks based on kernel machines. We apply our novel algorithm to Gene Ontology functional annotation prediction in yeast. Our experiments show that our method leads to improved gene function prediction compared with state-of-the-art competitors and that combining genetic and congruence networks leads to a further improvement in prediction accuracy.

Viscous layer meshes from level sets on cartesian meshes

The long term goal of our work is to enable rapid prototyping design optimization to take place on geometries of arbitrary size in a spirit of a real time computer game. In recent papers we have reported the integration of a Level Set based geometry kernel with an octree-based cut-Cartesian mesh generator, RANS flow solver and post-processing all within a single piece of software - and all implemented in parallel with commodity PC clusters as the target. This work has shown that it is possible to eliminate all serial bottlenecks from the CED Process. This paper reports further progress towards our goal; in particular we report on the generation of viscous layer meshes to bridge the body to the flow across the cut-cells. The Level Set formulation, which underpins the geometry representation, is used as a natural mechanism to allow rapid construction of conformal layer meshes. The guiding principle is to construct the mesh which most closely approximates the body but remains solvable. This apparently novel approach is described and examples given.

Towards topology-free optimization - An application to turbine internal cooling geometries

The application of automated design optimization to real-world, complex geometry problems is a significant challenge - especially if the topology is not known a priori like in turbine internal cooling. The long term goal of our work is to focus on an end-to-end integration of the whole CFD Process, from solid model through meshing, solving and post-processing to enable this type of design optimization to become viable & practical. In recent papers we have reported the integration of a Level Set based geometry kernel with an octree-based cut- Cartesian mesh generator, RANS flow solver, post-processing & geometry editing all within a single piece of software - and all implemented in parallel with commodity PC clusters as the target. The cut-cells which characterize the approach are eliminated by exporting a body-conformal mesh guided by the underpinning Level Set. This paper extends this work still further with a simple scoping study showing how the basic functionality can be scripted & automated and then used as the basis for automated optimization of a generic gas turbine cooling geometry. Copyright © 2008 by W.N.Dawes.

A practical demonstration of scalable, parallel mesh generation

Cambridge Flow Solutions Ltd, Compass House, Vision Park, Cambridge, CB4 9AD, UK Real-world simulation challenges are getting bigger: virtual aero-engines with multistage blade rows coupled with their secondary air systems & with fully featured geometry; environmental flows at meta-scales over resolved cities; synthetic battlefields. It is clear that the future of simulation is scalable, end-to-end parallelism. To address these challenges we have reported in a sequence of papers a series of inherently parallel building blocks based on the integration of a Level Set based geometry kernel with an octree-based cut-Cartesian mesh generator, RANS flow solver, post-processing and geometry management & editing. The cut-cells which characterize the approach are eliminated by exporting a body-conformal mesh driven by the underpinning Level Set and managed by mesh quality optimization algorithms; this permits third party flow solvers to be deployed. This paper continues this sequence by reporting & demonstrating two main novelties: variable depth volume mesh refinement enabling variable surface mesh refinement and a radical rework of the mesh generation into a bottom-up system based on Space Filling Curves. Also reported are the associated extensions to body-conformal mesh export. Everything is implemented in a scalable, parallel manner. As a practical demonstration, meshes of guaranteed quality are generated for a fully resolved, generic aircraft carrier geometry, a cooled disc brake assembly and a B747 in landing configuration. Copyright © 2009 by W.N.Dawes.

Using Level Sets as the basis for a scalable, parallel geometry engine and mesh generation system

The background to this review paper is research we have performed over recent years aimed at developing a simulation system capable of handling large scale, real world applications implemented in an end-to-end parallel, scalable manner. The particular focus of this paper is the use of a Level Set solid modeling geometry kernel within this parallel framework to enable automated design optimization without topological restrictions and on geometries of arbitrary complexity. Also described is another interesting application of Level Sets: their use in guiding the export of a body-conformal mesh from our basic cut-Cartesian background octree - mesh - this permits third party flow solvers to be deployed. As a practical demonstrations meshes of guaranteed quality are generated and flow-solved for a B747 in full landing configuration and an automated optimization is performed on a cooled turbine tip geometry. Copyright © 2009 by W.N.Dawes.

The internal structure of igniting turbulent sprays as revealed by complex chemistry DNS

A parametric study of spark ignition in a uniform monodisperse turbulent spray is performed with complex chemistry three-dimensional Direct Numerical Simulations in order to improve the understanding of the structure of the ignition kernel. The heat produced by the kernel increases with the amount of fuel evaporated inside the spark volume. Moreover, the heat sink by evaporation is initially higher than the heat release and can have a negative effect on ignition. With the sprays investigated, heat release occurs over a large range of mixture fractions, being high within the nominal flammability limits and finite but low below the lean flammability limit. The burning of very lean regions is attributed to the diffusion of heat and species from regions of high heat release, and from the spark, to lean regions. Two modes of spray ignition are reported. With a relatively dilute spray, nominally flammable material exists only near the droplets. Reaction zones are created locally near the droplets and have a non-premixed character. They spread from droplet to droplet through a very lean interdroplet spacing. With a dense spray, the hot spark region is rich due to substantial evaporation but the cold region remains lean. In between, a large surface of flammable material is generated by evaporation. Ignition occurs there and a large reaction zone propagates from the rich burned region to the cold lean region. This flame is wrinkled due to the stratified mixture fraction field and evaporative cooling. In the dilute spray, the reaction front curvature pdf contains high values associated with single droplet combustion, while in the dense spray, the curvature is lower and closer to the curvature associated with gaseous fuel ignition kernels. © 2011 The Combustion Institute.

Predicting surface vibration from underground railways through inhomogeneous soil

Noise and vibration from underground railways is a major source of disturbance to inhabitants near subways. To help designers meet noise and vibration limits, numerical models are used to understand vibration propagation from these underground railways. However, the models commonly assume the ground is homogeneous and neglect to include local variability in the soil properties. Such simplifying assumptions add a level of uncertainty to the predictions which is not well understood. The goal of the current paper is to quantify the effect of soil inhomogeneity on surface vibration. The thin-layer method (TLM) is suggested as an efficient and accurate means of simulating vibration from underground railways in arbitrarily layered half-spaces. Stochastic variability of the soils elastic modulus is introduced using a KL expansion; the modulus is assumed to have a log-normal distribution and a modified exponential covariance kernel. The effect of horizontal soil variability is investigated by comparing the stochastic results for soils varied only in the vertical direction to soils with 2D variability. Results suggest that local soil inhomogeneity can significantly affect surface velocity predictions; 90 percent confidence intervals showing 8 dB averages and peak values up to 12 dB are computed. This is a significant source of uncertainty and should be considered when using predictions from models assuming homogeneous soil properties. Furthermore, the effect of horizontal variability of the elastic modulus on the confidence interval appears to be negligible. This suggests that only vertical variation needs to be taken into account when modelling ground vibration from underground railways. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Parameters identification by a single point free response measurement

When a thin rectangular plate is restrained on the two long edges and free on the remaining edges, the equivalent stiffness of the restraining joints can be identified by the order of the natural frequencies obtained using the free response of the plate at a single location. This work presents a method to identify the equivalent stiffness of the restraining joints, being represented as simply supporting the plate but elastically restraining it in rotation. An integral transform is used to map the autospectrum of the free response from the frequency domain to the stiffness domain in order to identify the equivalent torsional stiffness of the restrained edges of the plate and also the order of natural frequencies. The kernel of the integral transform is built interpolating data from a finite element model of the plate. The method introduced in this paper can also be applied to plates or shells with different shapes and boundary conditions. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.