Assessing soil erosion due to land use change at the Alqueva reservoir surrounding area

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, da Terra e do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Desenvolvimento de ferramentas de apoio multicritério à decisão em problemas de localização

Tese de doutoramento, Estatística e Investigação Operacional (Análise de Sistemas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

A simulation tool for demand response programs implementation

The design and development of simulation models and tools for Demand Response (DR) programs are becoming more and more important for adequately taking the maximum advantages of DR programs use. Moreover, a more active consumers’ participation in DR programs can help improving the system reliability and decrease or defer the required investments. DemSi, a DR simulator, designed and implemented by the authors of this paper, allows studying DR actions and schemes in distribution networks. It undertakes the technical validation of the solution using realistic network simulation based on PSCAD. DemSi considers the players involved in DR actions, and the results can be analyzed from each specific player point of view.

Electricity Markets Portfolio Optimization using a Particle Swarm Approach

Energy systems worldwide are complex and challenging environments. Multi-agent based simulation platforms are increasing at a high rate, as they show to be a good option to study many issues related to these systems, as well as the involved players at act in this domain. In this scope the authors’ research group has developed a multi-agent system: MASCEM (Multi-Agent System for Competitive Electricity Markets), which simulates the electricity markets. MASCEM is integrated with ALBidS (Adaptive Learning Strategic Bidding System) that works as a decision support system for market players. The ALBidS system allows MASCEM market negotiating players to take the best possible advantages from the market context. However, it is still necessary to adequately optimize the player’s portfolio investment. For this purpose, this paper proposes a market portfolio optimization method, based on particle swarm optimization, which provides the best investment profile for a market player, considering the different markets the player is acting on in each moment, and depending on different contexts of negotiation, such as the peak and offpeak periods of the day, and the type of day (business day, weekend, holiday, etc.). The proposed approach is tested and validated using real electricity markets data from the Iberian operator – OMIE.

Évaluation de la vulnérabilité des fermes productrices de maïs-grain du Québec aux variabilités et changements climatiques : les cas de Montérégie-Ouest et du Lac-Saint-Jean-Est

Réalisées aux échelles internationales et nationales, les études de vulnérabilité aux changements et à la variabilité climatiques sont peu pertinentes dans un processus de prise de décisions à des échelles géographiques plus petites qui représentent les lieux d’implantation des stratégies de réponses envisagées. Les études de vulnérabilité aux changements et à la variabilité climatiques à des échelles géographiques relativement petites dans le secteur agricole sont généralement rares, voire inexistantes au Canada, notamment au Québec. Dans le souci de combler ce vide et de favoriser un processus décisionnel plus éclairé à l’échelle de la ferme, cette étude cherchait principalement à dresser un portrait de l’évolution de la vulnérabilité des fermes productrices de maïs-grain des régions de Montérégie-Ouest et du Lac-St-Jean-Est aux changements et à la variabilité climatiques dans un contexte de multiples sources de pression. Une méthodologie générale constituée d'une évaluation de la vulnérabilité globale à partir d’une combinaison de profils de vulnérabilité aux conditions climatiques et socio-économiques a été adoptée. Pour la période de référence (1985-2005), les profils de vulnérabilité ont été dressés à l’aide d’analyses des coefficients de variation des séries temporelles de rendements et de superficies en maïs-grain. Au moyen de méthodes ethnographiques associées à une technique d’analyse multicritère, le Processus d’analyse hiérarchique (PAH), des scénarios d’indicateurs de capacité adaptative du secteur agricole susmentionné ont été développés pour la période de référence. Ceux-ci ont ensuite servi de point de départ dans l’élaboration des indicateurs de capacité de réponses des producteurs agricoles pour la période future 2010-2039. Pour celle-ci, les deux profils de vulnérabilité sont issus d’une simplification du cadre théorique de « Intergovernmental Panel on Climate Change » (IPCC) relatif aux principales composantes du concept de vulnérabilité. Pour la dimension « sensibilité » du secteur des fermes productrices de maïs-grain des deux régions agricoles aux conditions climatiques, une série de données de rendements a été simulée pour la période future. Ces simulations ont été réalisées à l’aide d’un couplage de cinq scénarios climatiques et du modèle de culture CERES-Maize de « Decision Support System for Agrotechnology Transfer » (DSSAT), version 4.0.2.0. En ce qui concerne l’évaluation de la « capacité adaptative » au cours de la période future, la construction des scénarios d’indicateurs de cette composante a été effectuée selon l’influence potentielle des grandes orientations économiques et environnementales considérées dans l’élaboration des lignes directrices des deux familles d’émissions de gaz à effet de serre (GES) A2 et A1B. L’application de la démarche méthodologique préalablement mentionnée a conduit aux principaux résultats suivants. Au cours de la période de référence, la région agricole du Lac-St-Jean-Est semblait être plus vulnérable aux conditions climatiques que celle de Montérégie-Ouest. En effet, le coefficient de variation des rendements du maïs-grain pour la région du Lac-St-Jean-Est était évalué à 0,35; tandis que celui pour la région de Montérégie-Ouest n’était que de 0,23. Toutefois, par rapport aux conditions socio-économiques, la région de Montérégie-Ouest affichait une vulnérabilité plus élevée que celle du Lac-St-Jean-Est. Les valeurs des coefficients de variation pour les superficies en maïs-grain au cours de la période de référence pour la Montérégie-Ouest et le Lac-St-Jean-Est étaient de 0,66 et 0,48, respectivement. Au cours de la période future 2010-2039, la région du Lac-St-Jean-Est serait, dans l’ensemble, toujours plus vulnérable aux conditions climatiques que celle de Montérégie-Ouest. Les valeurs moyennes des coefficients de variation pour les rendements agricoles anticipés fluctuent entre 0,21 et 0,25 pour la région de Montérégie-Ouest et entre 0,31 et 0,50 pour la région du Lac-St-Jean-Est. Néanmoins, en matière de vulnérabilité future aux conditions socio-économiques, la position relative des deux régions serait fonction du scénario de capacité adaptative considéré. Avec les orientations économiques et environnementales considérées dans l’élaboration des lignes directrices de la famille d’émission de GES A2, les indicateurs de capacité adaptative du secteur à l’étude seraient respectivement de 0,13 et 0,08 pour la Montérégie-Ouest et le Lac-St-Jean-Est. D’autre part, en considérant les lignes directrices de la famille d’émission de GES A1B, la région agricole du Lac-St-Jean-Est aurait une capacité adaptative légèrement supérieure (0,07) à celle de la Montérégie-Ouest (0,06). De façon générale, au cours de la période future, la région du Lac-St-Jean-Est devrait posséder une vulnérabilité globale plus élevée que la région de Montérégie-Ouest. Cette situation s’expliquerait principalement par une plus grande vulnérabilité de la région du Lac-St-Jean-Est aux conditions climatiques. Les résultats de cette étude doivent être appréciés dans le contexte des postulats considérés, de la méthodologie suivie et des spécificités des deux régions agricoles examinées. Essentiellement, avec l’adoption d’une démarche méthodologique simple, cette étude a révélé les caractéristiques « dynamique et relative » du concept de vulnérabilité, l’importance de l’échelle géographique et de la prise en compte d’autres sources de pression et surtout de la considération d’une approche contraire à celle du « agriculteur réfractaire aux changements » dans les travaux d’évaluation de ce concept dans le secteur agricole. Finalement, elle a aussi présenté plusieurs pistes de recherche susceptibles de contribuer à une meilleure évaluation de la vulnérabilité des agriculteurs aux changements climatiques dans un contexte de multiples sources de pression.

SQualTrack: A Tool for Robust Fault Detection

One of the techniques used to detect faults in dynamic systems is analytical redundancy. An important difficulty in applying this technique to real systems is dealing with the uncertainties associated with the system itself and with the measurements. In this paper, this uncertainty is taken into account by the use of intervals for the parameters of the model and for the measurements. The method that is proposed in this paper checks the consistency between the system's behavior, obtained from the measurements, and the model's behavior; if they are inconsistent, then there is a fault. The problem of detecting faults is stated as a quantified real constraint satisfaction problem, which can be solved using the modal interval analysis (MIA). MIA is used because it provides powerful tools to extend the calculations over real functions to intervals. To improve the results of the detection of the faults, the simultaneous use of several sliding time windows is proposed. The result of implementing this method is semiqualitative tracking (SQualTrack), a fault-detection tool that is robust in the sense that it does not generate false alarms, i.e., if there are false alarms, they indicate either that the interval model does not represent the system adequately or that the interval measurements do not represent the true values of the variables adequately. SQualTrack is currently being used to detect faults in real processes. Some of these applications using real data have been developed within the European project advanced decision support system for chemical/petrochemical manufacturing processes and are also described in this paper

Desenlaces clínicos del cuidado perioperatorio de reemplazos articulares según grupos relacionados de diagnóstico en un hospital de cuarto nivel

Introducción Los Grupos Relacionados de Diagnóstico (GRD) se han usado para determinar la calidad de la atención en varios sistemas de salud. Esto ha llevado a que se obtengan resultados en el mejoramiento continuo de la atención y del cuidado. El objetivo de este estudio es determinar desenlaces clínicos de los pacientes a quienes se les había realizado reemplazo de articulares según la complejidad clínica definida mediante GRD. Métodos Se realizó un estudio longitudinal descriptivo en el cual se incluyeron todos los pacientes que tuvieron cirugía de reemplazo total de hombro, cadera y rodilla entre 2012 y 2014. Se realizó la estratificación de los pacientes de acuerdo a tres niveles de complejidad dados por el sistema de GRD y se determinaron las proporciones de pacientes para las variables de estancia hospitalaria, enfermedad trombo-embólica, cardiovascular e infección del sitio operatorio. Resultados Se realizaron en total 886 reemplazos articulares de los cuales 40 (4.5%) presentaron complicaciones. Los eventos más frecuentes fueron las complicaciones coronarias, con una presencia de 2.4%. El GRD1, sin complicaciones ni comorbilidades, fue el que presentó mayor número de eventos. La estancia hospitalaria fue de 3.8 a 9.3 días para todos los reemplazos. Conclusiones Contrario a lo planteado en la hipótesis de estudio, se encontró que el primer GRD presentó el mayor número de complicaciones, lo que puede estar relacionado con el tamaño del grupo. Es necesario realizar nuevas investigaciones que soporten el uso de los GRD como herramienta para evaluar desenlaces clínicos.

Desenvolupament d'un sistema expert com a eina per a una millor gestió de la qualitat de les aigües fluvials

Avui en dia no es pot negar el fet que els humans són un component més de les conques fluvials i que la seva activitat afecta enormement la qualitat de les aigües. A nivell europeu, l'elevada densitat de població situada en les conques fluvials ha comportat un increment de la mala qualitat de les seves aigües fluvials. En les darreres dècades l'increment de les càrregues de nutrients en els sistemes aquàtics ha esdevingut un problema prioritari a solucionar per les administracions competents en matèria d'aigua. La gestió dels ecosistemes fluvials no és una tasca fàcil. Els gestors es troben amb què són sistemes molt complexos, donada l'estreta relació existent entre els ecosistemes fluvials i els ecosistemes terrestres que drenen. Addicionalment a la complexitat d'aquests sistemes es troba la dificultat associada de la gestió o control de les entrades de substàncies contaminants tant de fonts puntuals com difoses. Per totes aquestes raons la gestió de la qualitat de les aigües fluvials esdevé una tasca complexa que requereix un enfocament multidisciplinar. Per tal d'assolir aquest enfocament diverses eines han estat utilitzades, des de models matemàtics fins a sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. Però, la major part dels esforços han estat encarats cap a la resolució de problemes de reduïda complexitat, fent que molts dels problemes ambientals complexos, com ara la gestió dels ecosistemes fluvials, no hagin estat vertaderament tractats. Per tant, es requereix l'aplicació d'eines que siguin de gran ajuda en els processos de presa de decisions i que incorporin un ampli coneixement heurístic i empíric: sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. L'òptima gestió de la qualitat de l'aigua fluvial requereix una aproximació integrada i multidisciplinar, que pot ésser aconseguida amb una eina intel·ligent construïda sobre els conceptes i mètodes del raonament humà. La present tesi descriu la metodologia desenvolupada i aplicada per a la creació i construcció d'un Sistema Expert, així com el procés de desenvolupament d'aquest Sistema Expert, com el principal mòdul de raonament d'un Sistema de Suport a la Decisió Ambiental. L'objectiu principal de la present tesi ha estat el desenvolupament d'una eina d'ajuda en el procés de presa de decisions dels gestors de l'aigua en la gestió de trams fluvials alterats antròpicament per tal de millorar la qualitat de la seva aigua fluvial. Alhora, es mostra el funcionament de l'eina desenvolupada a través de dos casos d'estudi. Els resultats derivats del Sistema Expert desenvolupat, implementat i presentat en la present tesi mostren que aquests sistemes poden ésser eines útils per a millorar la gestió dels ecosistemes fluvials.

Optimització del procés productiu d'engreixament porcí. Un enfocament operatiu

Aquest treball de tesis doctoral tracta de la Optimització de la fase d'engreix. L'objectiu és determinar les condicions d'enviament a sacrifici d'un lot d'animals des d'un punt de vista operatiu. En primer lloc es fa una anàlisi de la cadena de producció de carn porcina, resaltant-ne els canvis del sector que han influit en la fase d'engreixament. La conclusió d'aquesta anàlisi és el plantejament d'un model per prendre decisions degut al canvi de paradigma que s'evidencia: els productors de porcs en la fase d'engreix cal que orientin la gestió del paràmetres operatius i els productes finals a les exigències i gustos dels seus clients. Seguidament, es presenta el sistema d'ajut a la decisió basat en un model biològic que explica l'evolució de les variables productives (pes i consum de pinso). A més també prediu les variables associades a característiques de la canal, com són el percentatge de magre, la proporció de peces, el rendiment i el greix intramuscular. El sistema té en compte tres mercats de carn porcina alternatius: 1) basat en pes viu, 2) basat en mèrits de la canal (percentatge de magre) y 3) basat en el valor de les peces nobles resultants de l'especejament de l'animal. L'objetiu del sistema és determinar la millor estratègia d'enviament per a cadascun dels genotips que s'han estudiat (alternatives de producció) depenent del mercat on seran enviats els animals. A més, també ha estat estudiat l'efecte de la variabilitat biològica dels animals dins del lot sobre els valors econòmics. També s'ha considerat l'opció d'enviar els animals en diverses etapes per tal d'homogeneitzar el pes dels animals enviats. Aquest problema ha estat estudiat seguint l'enfocament de programació dinàmica. En els darrers capítols es presenten quatre aplicacions del model que s'han desenvolupat al llarg del treball. En un futur els mercats de carn porcina tindran la tendència a ser més definits, per tant la producció en la fase d'engreixament porcí hauria d'integrar i tenir en compte les demandes i les exigències del consumidor.

Desenvolupament d'un sistema de suport a la decisió ambiental per a la gestió de les infraestructures hidràuliques, amb l'objectiu de garantir la qualitat de l'aigua a la Conca del Besòs

Aquesta tesi presenta un projecte de gestió integral d'infraestructures hidràuliques de sanejament a la Conca del riu Besòs. S'han considerat dos sistemes de sanejament (La Garriga i Granollers) amb les seves respectives xarxes de clavegueram i Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR), i un tram del riu Congost, afluent del Besòs, com a medi receptor de les seves aigües residuals. Amb aquesta finalitat es construeix i s'utilitza un Sistema de Suport a la Decisió Ambiental (SSDA). Aquesta eina incorpora l'ús de models de simulació de qualitat de l'aigua pels sistemes de clavegueram, EDAR i riu, com a forma d'extracció de coneixement sobre la gestió integrada d'aquests elements. Aquest coneixement es conceptualitza, posteriorment, en forma d'arbres de decisió, que proporcionaran a l'usuari les actuacions a realitzar davant de les diferents situacions reals de gestió diària.

Mitigation of diffuse phosphorus pollution during rewetting of fen peat soils: A trans-European case study

Intensive cultivation of fen peat soils (Eutric Histosols) for agricultural purposes, started in Europe about 250 years ago, resulting in decreased soil fertility, increased oxidation of peat and corresponding CO2-emissions to the atmosphere, nutrient transfer to aquatic ecosystems and losses in the total area of the former native wetlands. To prevent these negative environmental effects set-aside programs and rewetting measures were promoted in recent years. Literature results and practical experiences showed that large scale rewetting of intensively used agricultural Histosols may result in the mobilisation of phosphorus (P), its transport to adjacent surface waters and an accelerated eutrophication risk. The paper summarises results from an international European Community sponsored research project and demonstrates how results obtained at different scales and from different scientific disciplines were compiled to derive a strategy to carry out rewetting measures. A decision support system (DSS) for a hydrologically sensitive area in the Droemling catchment in north-eastern Germany was developed and is presented as a tool to regulate rewetting in order to control P release. It is demonstrated that additional laboratory experiments to identify essential processes of P release during rewetting and the site-specific management of the water table, the involvement of specific knowledge and experience of the stakeholders are necessary to develop an applicable DSS. The presented DSS is practically used to prevent freshwater resources from diffuse P pollution.

Drought, pod yield, pre-harvest Aspergillus infection and aflatoxin contamination on peanut in Niger

Soil moisture and soil temperature affect pre-harvest infection with Aspergillus flavus and production of aflatoxin. The objectives of our field research in Niger, West Africa, were to: (i) examine the effects of sowing date and irrigation treatments on pod yield, infection with A. flavus and aflatoxin concentration; and (ii) to quantify relations between infection, aflatoxin concentration and soil moisture stress. Seed of an aflatoxin susceptible peanut cv. JL24 was sown at two to four different sowing dates under four irrigation treatments (rainfed and irrigation at 7, 14 and 21 days intervals) between 1991 and 1994, giving 40 different 'environments'. Average air and soil temperatures of 28-34 degrees C were favourable for aflatoxin contamination. CROPGRO-peanut model was used to simulate the occurrence of moisture stress. The model was able to simulate yields of peanut well over the 40 environments (r(2) = 0.67). In general, early sowing produced greater pod yields, as well as less infection and lower aflatoxin concentration. There were negative linear relations between infection (r(2) = 0.62) and the average simulated fraction of extractable soil water (FESW) between flowering and harvest, and between aflatoxin concentration (r(2) = 0.54) and FESW in the last 25 days of pod-filling. This field study confirms that infection and aflatoxin concentration in peanut can be related to the occurrence of soil moisture stress during pod-filling when soil temperatures are near optimal for A. flavus. These relations could form the basis of a decision-support system to predict the risk of aflatoxin contamination in peanuts in similar environments. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

An integrated mathematical model to evaluate nutrient partition in dairy cattle between the animal and its environment

In the past decade, a number of mechanistic, dynamic simulation models of several components of the dairy production system have become available. However their use has been limited due to the detailed technical knowledge and special software required to run them, and the lack of compatibility between models in predicting various metabolic processes in the animal. The first objective of the current study was to integrate the dynamic models of [Brit. J. Nutr. 72 (1994) 679] on rumen function, [J. Anim. Sci. 79 (2001) 1584] on methane production, [J. Anim. Sci. 80 (2002) 2481 on N partition, and a new model of P partition. The second objective was to construct a decision support system to analyse nutrient partition between animal and environment. The integrated model combines key environmental pollutants such as N, P and methane within a nutrient-based feed evaluation system. The model was run under different scenarios and the sensitivity of various parameters analysed. A comparison of predictions from the integrated model with the original simulation models showed an improvement in N excretion since the integrated model uses the dynamic model of [Brit. J. Nutr. 72 (1994) 6791 to predict microbial N, which was not represented in detail in the original model. The integrated model can be used to investigate the degree to which production and environmental objectives are antagonistic, and it may help to explain and understand the complex mechanisms involved at the ruminal and metabolic levels. A part of the integrated model outputs were the forms of N and P in excreta and methane, which can be used as indices of environmental pollution. (C) 2004 Elsevier B.V All rights reserved.

Sustainable urban metabolism as a link between bio-physical sciences and urban planning: the BRIDGE project

Urban metabolism considers a city as a system with flows of energy and material between it and the environment. Recent advances in bio-physical sciences provide methods and models to estimate local scale energy, water, carbon and pollutant fluxes. However, good communication is required to provide this new knowledge and its implications to endusers (such as urban planners, architects and engineers). The FP7 project BRIDGE (sustainaBle uRban plannIng Decision support accountinG for urban mEtabolism) aimed to address this gap by illustrating the advantages of considering these issues in urban planning. The BRIDGE Decision Support System (DSS) aids the evaluation of the sustainability of urban planning interventions. The Multi Criteria Analysis approach adopted provides a method to cope with the complexity of urban metabolism. In consultation with targeted end-users, objectives were defined in relation to the interactions between the environmental elements (fluxes of energy, water, carbon and pollutants) and socioeconomic components (investment costs, housing, employment, etc.) of urban sustainability. The tool was tested in five case study cities: Helsinki, Athens, London, Florence and Gliwice; and sub-models were evaluated using flux data selected. This overview of the BRIDGE project covers the methods and tools used to measure and model the physical flows, the selected set of sustainability indicators, the methodological framework for evaluating urban planning alternatives and the resulting DSS prototype.

Categorization and construction of rule based systems

Expert systems have been increasingly popular for commercial importance. A rule based system is a special type of an expert system, which consists of a set of ‘if-then‘ rules and can be applied as a decision support system in many areas such as healthcare, transportation and security. Rule based systems can be constructed based on both expert knowledge and data. This paper aims to introduce the theory of rule based systems especially on categorization and construction of such systems from a conceptual point of view. This paper also introduces rule based systems for classification tasks in detail.