Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Marcas portuguesas: uma metodologia para a afirmação e avaliação dos seus impactos

O processo de criação de marcas – branding – decorre da intervenção de um diversificado número de especialistas de áreas científicas distintas como são: a da comunicação, da publicidade, do marketing e das relações públicas. O designer, apesar de ser um dos mais significantes actores no processo de construção da marca é, geralmente, relegado para o plano de fazedor das coisas esteticamente úteis. As razões deste facto podem ser encontradas neste estereótipo que constrange o entendimento sobre a vocação do designer, desvalorizando- se o seu papel de conceptualizador e não respeitando os seus argumentos. A flexibilidade do seu pensar analítico, criativo e sistémico associado à acção direccionada para a mudança leva à consideração de que o Designer é um agente multifacetado e, numa equipa, é um membro agregador de diversas sensibilidades. A síntese que opera através do desenho permite ao designer colocar-se numa posição de dinamização e, porventura, de liderança de carácter identitário. Tendo em conta o exposto o designer necessita de metodologias de apoio ao seu desempenho que lhe permitam realizar o trabalho para o qual está vocacionado. Enquadrado pela lógica sistémica da comunicação institucional, essas metodologias potenciam a observação, análise e avaliação da marca, uma vez que está focalizada na recolha das orientações dos destinatários da marca – cidadãos e consumidores. Conhecer como percepcionam a marca, qual a relação que mantêm com ela e como reagem à forma como a marca comunica é o desafio da metodologia criada. Deste modo, o designer poderá contribuir para a desconstrução dos estereótipos referidos, reforçar a sua posição no mercado de trabalho e afirmar a sua diferença face aos especialistas das áreas complementares com quem intervém. A tese que se apresenta tem por finalidade elaborar uma metodologia para a afirmação e avaliação dos impactos da marca, no sentido de conhecer as orientações de quem melhor sabe lidar com a marca - o público-alvo. E, integrar toda a informação no processo decisão que o designer protagoniza.

Bullying nas escolas: prevenção e intervenção

A temática da violência (e do bullying) nas escolas em Portugal tem vindo, nos anos mais recentes, a assumir uma crescente visibilidade fruto de variados fatores, entre os quais podemos destacar o aparente aumento no número de incidentes reportados envolvendo alunos, professores e pessoal não docente ou, ainda, como resultado da maior atenção dispensada ao(s) fenómeno(s) pela comunicação social. Na relação que se estabelece entre alunos, o bullying (e ultimamente o cyberbullying) tem igualmente ocupado um maior espaço de discussão no contexto português pela elevada complexidade que o carateriza e pelas diversas consequências negativas e irreversíveis que acarreta para vítimas, agressores, famílias e escolas. Para que sejam encontradas estratégias e soluções eficazes na abordagem ao(s) fenómeno(s), torna-se necessário aprofundar – e partilhar – o(s) conhecimento(s) em torno dos fatores e das dinâmicas que caraterizam o fenómeno e que contribuem para a sua (re)ocorrência. Procurámos, portanto, refletir sobre o papel que a escola, enquanto organização com uma missão muito própria ‒ e todos os demais elementos que a integram (diretores, docentes, assistentes operacionais, alunos e respetivas famílias) ‒ devem efetivamente desempenhar no sentido de serem promovidas e implementadas políticas e medidas que possam acautelar e solucionar quaisquer manifestações de violência, com especial incidência nos episódios de bullying. Sobressai, em primeira instância, a necessidade de sensibilizar e de mobilizar toda a comunidade escolar, prestando especial atenção ao papel vital que cada sujeito desempenha. Destaque-se, por outro lado, a aposta que deve ser feita na vertente da (in)formação de professores, não docentes, alunos e pais com o claro propósito de serem criados climas de escola positivos e seguros. Dividimos o trabalho empírico da nossa investigação em dois momentos. Do estudo comparativo (resultante da recolha de informação baseada na pesquisa e análise documental) que levámos a cabo na primeira parte a um conjunto de doze programas de prevenção e de intervenção de bullying implementados (e igualmente avaliados) em países anglo-saxónicos, procurámos identificar os seus componentes fundamentais (princípios teóricos subjacentes às intervenções, objetivos pretendidos, destinatários, níveis/fases de ação, componentes/estratégias de atuação e materiais de apoio disponibilizados). Pudemos verificar que essas iniciativas assentaram numa perspetiva sistémica da problemática do bullying que sublinha a necessidade de mudanças persistentes e contibuadas ao nível da sensibilização, da consciencialização e de transformações nas atitudes da população escolar no seu todo. Este exercício possibilitou, por outro lado, a identificação e a assimiliação de algumas das boas práticas experimentadas com esses programas. Na segunda parte, desenvolvemos um projeto-piloto numa escola Secundária com o 3.º Ciclo do Ensino Básico ao longo do ano letivo de 2010/2011 (envolvendo diretamente na iniciativa duas turmas ‒ uma do 7.º e outra do 10.º ano ‒ e os respetivos professores), sendo de destacar que a temática se tornou mais familiar para a maior parte dos participantes (por via da mobilização, da sensibilização e da formação desses atores). Na sequência da aplicação de dois questionários a 190 alunos no âmbito do projeto-piloto, foi ainda possível apurar que as percentagens de vitimação de bullying presencial moderado se situam abaixo dos 10%, sendo que para as ofensas sofridas de modo mais intenso esses níveis não ultrapassam os 5% para qualquer uma das formas de agressão apresentadas. Os dados indicaram igualmente as ofensas diretas verbais e indiretas como sendo as mais frequentes entre os inquiridos, surgindo em terceiro lugar as de pendor direto físico. Os índices de vitimação apresentam valores superiores junto dos alunos mais novos, independentemente do seu género. Perto de 45% dos sujeitos objeto de agressão admitiu não ter reportado o sucedido a uma terceira pessoa. Cerca de 27% dos jovens confessou assumir uma atitude passiva ou de indiferença perante uma agressão testemunhada. Foi, por outro lado, possível constatar que um conjunto significativo de jovens admitiu conhecer um colega da escola que tenha sido já gozado ou ameaçado no ciberespaço.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

O acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.

Estímulo à participação dos alunos - práticas de ensino auto reflexivas

Um dos objetivos centrais da escola atual é o de desenvolver nos alunos competências que lhes permitam adaptar-se à sociedade em constante transformação e não apenas a veiculação de conteúdos académicos. No entanto, vários estudos mostram que existem dificuldades na transferência das aprendizagens da sala de aula para o mundo real. Uma das razões apontadas é o facto de os conhecimentos de sala de aula não serem bem integrados com os conhecimentos anteriores do aluno. Para que ocorram aprendizagens significativas, torna-se, portanto, necessário que o professor leve em consideração, no planeamento de estratégias de ensino, os conhecimentos anteriores e expectativas dos alunos, as suas questões e ideias. Para que tal aconteça, é essencial que os alunos interajam com o professor, agindo como parceiros no processo de ensino e de aprendizagem, exprimindo as suas ideias, dúvidas e expectativas. Assim sendo, nesta investigação procurou-se aumentar a participação dos alunos através da criação de momentos que lhes permitissem explorar as suas ideias e escrever as suas questões. As ‘produções’ orais e escritas dos alunos foram objeto de reflexão e análise pela professora-investigadora, e levadas em consideração no planeamento das aulas subsequentes. Os dados foram recolhidos através de observação participante e não-participante, de anotações do investigador, de questões e respostas escritas pelos alunos, e da gravação áudio das interações orais das aulas. O método de investigação adotado foi o estudo de caso, sendo a investigação de carácter qualitativo. Pese as limitações do estudo no que diz respeito à dimensão da amostra, os resultados apontam no sentido de que as estratégias aplicadas estimularam a participação dos alunos. A comparação entre o número de questões escritas pelos alunos e o número de intervenções orais em algumas das aulas lecionadas revelou que o número de alunos que escreveram questões foi superior ao número de alunos que intervieram oralmente. Constatou-se, ainda, que nas aulas em que não existiu um momento exclusivamente dedicado a esta atividade, o número de questões escritas pelos alunos foi menor do que o obtido nas aulas em que aquele tempo foi disponibilizado. Estes dados sugerem que a criação de momentos de escrita de questões permite aumentar a participação dos alunos, o que foi já anteriormente defendido por vários autores. Também os momentos de trabalho em grupo constituíram um espaço importante para a exploração das ideias dos alunos, o que se tornou visível pela grande atividade dentro dos grupos, com apresentação de argumentos, construção conjunta de conhecimentos e, sobretudo, pela variedade de propostas que surgiram como forma de dar resposta a questões idênticas das fichas de trabalho. De facto, constatou-se que um maior número de alunos participava nas discussões em turma, quando estas se seguiam aos momentos de trabalho em grupo, do que quando eram realizadas após a exposição dos temas programáticos. Em suma, o que estas constatações sugerem é que a inclusão de momentos de trabalho autónomo, com a possibilidade de trocar ideias com os colegas, pode contribuir para aumentar a motivação dos alunos para intervir na aula. A recolha de questões forneceu informação acerca de falhas no conhecimento e dúvidas implícitas e explicitas na expressão escrita dos alunos, o que corrobora os resultados encontrados por outros estudos. Da mesma forma, a análise do discurso oral dos alunos e das suas respostas escritas constituiu uma fonte de informação importante relativamente àqueles aspetos. A reflexão sobre estas permitiu à professora-investigadora fazer ajustes e planear estratégias adequadas à melhoraria dos aspetos em que foram identificados problemas. O uso das ‘produções’ escritas e orais dos alunos para discussão em aulas posteriores constituiu uma forma de promover interações aluno-aluno, permitiu aceder às dúvidas de outros alunos, que se identificaram com as ideias expressas nas questões escritas, respostas escritas e manifestações orais dos seus colegas, e ajudou a integrar os alunos na gestão do processo de ensino e aprendizagem. No que diz respeito à tentativa de estimular os alunos a reformularem as suas respostas, o pedido explícito de reformulação parece aumentar a predisposição dos alunos para fazerem alterações, quando comparado com os casos em que esse pedido não existiu. Estes resultados sugerem que esta estratégia tem a potencialidade de favorecer a reflexão dos alunos sobre as suas próprias ideias. No final da dissertação, apresentam-se as limitações deste estudo e propõem-se sugestões para melhorar e aprofundar as estratégias implementadas.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Ecological assessment of the red deer population in the Lousã Mountain

Durante o último século, as populações de cervídeos têm aumentado substancialmente um pouco por toda a Europa. O veado Cervus elaphus não foi exceção, apresentando atualmente uma ampla distribuição geográfica. Após a quase extinção de todas as populações selvagens desta espécie em Portugal, o número de efetivos de veado e a área de distribuição da espécie têm aumentado significativamente nas últimas décadas. Esta proliferação deveu-se fundamentalmente aos processos de reintrodução implementados em algumas zonas do país, como foi o caso da Serra da Lousã. Dez anos após a reintrodução, a expansão geográfica e demográfica é já uma realidade e a espécie assume um papel relevante tanto do ponto de vista cinegético como turístico. Com o aumento das populações de ungulados, surge a necessidade de aumentar o conhecimento existente sobre estas espécies, particularmente ao nível das estimativas populacionais, do uso e seleção de habitat, do comportamento e da fisiologia das populações. Neste sentido, um dos objetivos foi comparar quatro métodos de contagem de excrementos em termos de estimativa populacional, aplicabilidade e eficiência. Face aos resultados obtidos, o método de transectos lineares com distance sampling revelou-se o mais eficiente, providenciando uma boa precisão num menor tempo. Relativamente ao uso e seleção do habitat, recorrendo a transectos de contagem de excrementos e a observações diretas, verificou-se que o veado seleciona positivamente habitats que lhe proporcionam simultaneamente alimento e refúgio, como é o caso das áreas de ecótono. A preferência por áreas de ecótono evidencia um comportamento adaptativo de maximização de energia, no qual os animais optam por procurar refúgio na proximidade das áreas de alimentação de forma a minimizarem os dispêndios energéticos. Em termos de dinâmica populacional, verificou-se uma relação entre a densidade de veado e o tamanho dos seus grupos, bem como o efeito nos mesmos do coberto vegetal. Contudo, dado o seu alto dimorfismo sexual em termos de tamanho corporal, as preferências de habitat podem também ser em parte responsáveis pela segregação sexual fora da época de reprodução. Face aos resultados obtidos através do método de observação direta de animais, a segregação sexual surge como consequência da interação entre fatores sociais e de habitat, que resultam de diferentes estratégias reprodutivas por parte de ambos os sexos. As diferentes estratégias reprodutivas são também notórias em termos de condição física e imunológica, com os machos a aumentarem a sua condição durante as épocas de primavera e verão de forma a melhorarem a sua performance durante o cio, e as fêmeas a viverem grande parte do ano no limiar da condição física devido ao seu investimento na sobrevivência da sua descendência. Globalmente, o veado apresenta uma boa adaptação à Serra da Lousã e representa um importante recurso natural para esta região. Contudo, para que a proliferação desta população selvagem continue, é necessária a implementação de medidas de gestão adequadas a este ecossistema mediterrâneo.

Hydrological and photochemical influence on dynamics of estuarine bacteria

Os estuários são ecossistemas complexos, onde os processos físicos, químicos e biológicos estão intimamente ligados. A dinâmica bacteriana num estuário reflete a interação e a elevada variação temporal e espacial desses processos. Este trabalho teve como objetivo elucidar as interações entre os processos físicos, fotoquímicos e microbiológicos no sistema estuarino da Ria de Aveiro (Portugal). Para tal, foi realizada uma abordagem inicial no campo, durante a qual as comunidades bacterianas na coluna de água foram caracterizadas em termos de abundância e atividade ao longo de 2 anos. O estudo foi realizado em dois locais distintos, escolhidos por tipificarem as características marinhas e salobras do estuário. Estes locais possuem diferentes hidrodinâmicas, influências fluviais e, quantidade e composição de matéria orgânica. Numa perspectiva mecanicista, foram realizadas simulações laboratoriais no sentido de elucidar a resposta das bactérias à matéria orgânica foto-transformada. As comunidades bacterianas no estuário adaptam-se a diferentes regimes de água doce, desenvolvendo padrões de abundância e atividade distintos nas zonas marinha e salobra. Os elevados caudais dos rios induzem estratificação vertical na zona marinha, promovendo o fluxo de fitoplâncton do mar para o estuário, do bacterioplâncton do estuário para o mar, e estimulam a importação de bactérias aderentes a partículas na zona salobra. O transporte advectivo e os processos de ressuspensão contribuem para aumentar 3 vezes o número de bactérias aderentes a partículas durante os períodos de intensas descargas fluviais. Adicionalmente, a atividade bacteriana no estuário é controlada pela concentração de azoto inerente à variações de água doce. O fornecimento de azoto em associação com a fonte dos substratos bacterianos induzem alterações significativas na produtividade. O padrão de variação vertical de comunidades bacterianas foi distinto nas duas zonas do estuário. Na zona marinha, as bactérias na microcamada superficial (SML) apresentaram taxas de hidrólise mais elevadas, mas menores taxas de incorporação de monómeros e produção de biomassa que na água subjacente (UW), enquanto na zona salobra, as taxas de hidrólise e incorporação foram similares nos dois compartimentos, mas a produtividade foi significativamente mais elevada na SML. Apesar da abundância bacteriana ter sido semelhante na SML e UW, a fração de células aderentes a partículas foi significativamente maior na SML (2-3 vezes), em ambas as zonas do estuário. A integração dos resultados microbiológicos com as variáveis ambientais e hidrológicos mostraram que fortes correntes na zona marinha promovem a mistura vertical, inibindo o estabelecimento de uma comunidade bacteriana na SML distinta da UW. Em contraste, na zona de água salobra, a menor velocidades das correntes fornece as condições adequadas ao aumento da atividade bacteriana na SML. Características específicas do local, tais como a hidrodinâmica e as fontes e composição da matéria orgânica, conduzem também a diferentes graus de enriquecimento superficial de matéria orgânica e inorgânica, influenciando a sua transformação. Em geral, o ambiente da SML estuarina favorece a hidrólise de polímeros, mas inibe a utilização de monómeros, comparativamente com água subjacente. No entanto, as diferenças entre as duas comunidades tendem a atenuar-se com o aumento da atividade heterotrófica na zona salobra. A matéria orgânica dissolvida cromófora (CDOM) das duas zonas do estuário possui diferentes características espectrais, com maior aromaticidade e peso molecular médio (HMW) na zona de água salobra, em comparação com a zona marinha. Nesta zona, a abundância bacteriana correlacionou-se com a350 e a254, sugerindo uma contribuição indireta das bactéria para HMW CDOM. A irradiação do DOM resultou numa diminuição dos valores de a254 e a350, e, em um aumento do declive S275-295 e dos rácios E2:E3 (a250/a365) e SR. No entanto, a extensão de transformações foto-induzidas e as respostas microbianas são dependentes das características iniciais CDOM, inferidas a partir das suas propriedades ópticas. A dinâmica estuarina influencia claramente as atividades heterotróficas e a distribuição dos microorganismos na coluna de água. A entrada de água doce influencia a dinâmica e os principais reguladores das comunidades bacterianas no estuário. Os processos fotoquímicos e microbianos produzem alterações nas propriedades ópticas da CDOM e a combinação desses processos determina o resultado global e o destino da CDOM nos sistemas estuarinos com influência na produtividade nas áreas costeiras adjacente.

Challenges in mercury speciation and fractionation in soil and sediment

This investigation focused on the development, test and validation of methodologies for mercury fractionation and speciation in soil and sediment. After an exhaustive review of the literature, several methods were chosen and tested in well characterised soil and sediment samples. Sequential extraction procedures that divide mercury fractions according to their mobility and potential availability in the environment were investigated. The efficiency of different solvents for fractionation of mercury was evaluated, as well as the adequacy of different analytical instruments for quantification of mercury in the extracts. Kinetic experiments to establish the equilibrium time for mercury release from soil or sediment were also performed. It was found that in the studied areas, only a very small percentage of mercury is present as mobile species and that mobility is associated to higher aluminium and manganese contents, and that high contents of organic matter and sulfur result in mercury tightly bound to the matrix. Sandy soils tend to release mercury faster that clayey soils, and therefore, texture of soil or sediment has a strong influence on the mobility of mercury. It was also understood that analytical techniques for quantification of mercury need to be further developed, with lower quantification limits, particularly for mercury quantification of less concentrated fractions: water-soluble e exchangeable. Although the results provided a better understanding of the distribution of mercury in the sample, the complexity of the procedure limits its applicability and robustness. A proficiency-testing scheme targeting total mercury determination in soil, sediment, fish and human hair was organised in order to evaluate the consistency of results obtained by different laboratories, applying their routine methods to the same test samples. Additionally, single extractions by 1 mol L-1 ammonium acetate solution, 0.1 mol L-1 HCl and 0.1 mol L-1 CaCl2, as well as extraction of the organometallic fraction were proposed for soil; the last was also suggested for sediment and fish. This study was important to update the knowledge on analytical techniques that are being used for mercury quantification, the associated problems and sources of error, and to improve and standardize mercury extraction techniques, as well as to implement effective strategies for quality control in mercury determination. A different, “non chemical-like” method for mercury species identification was developed, optimised and validated, based on the thermo-desorption of the different mercury species. Compared to conventional extraction procedures, this method has advantages: it requires little to no sample treatment; a complete identification of species present is obtained in less than two hours; mercury losses are almost neglectable; can be considered “clean”, as no residues are produced; the worldwide comparison of results obtained is easier and reliable, an important step towards the validation of the method. Therefore, the main deliverables of this PhD thesis are an improved knowledge on analytical procedures for identification and quantification of mercury species in soils and sediments, as well as a better understanding of the factors controlling the behaviour of mercury in these matrices.

On the application of optimal control techniques in lossy fieldbuses

The performance of real-time networks is under continuous improvement as a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency and packet drop rate. This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses, as well as the architectures and optimal techniques for their compensation. Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous transmission of several values in a single message. Such messages can be from sensor to controller, in which case they are comprised of several past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are comprised of estimates of several future control values. A series of tests reveal the advantages of this approach. The above-explained approach is then expanded as to accommodate the techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned approach, that deliberately does not send certain messages in order to make a more efficient use of network resources; in the second case, the techniques are used to reduce the effects of packet losses. After these two approaches that are based on data aggregation, it is also studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized actuator output functions. This study ends with the development of a new optimal controller, as well as the function, among the generalized functions that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control message, that leads to the optimal performance. The Thesis also presents a different line of research, related with the output oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing an output oscillation that increases the value of the cost function. Such increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee that at least a given number of activated jobs will be executed out of every set composed by a predetermined number of contiguous activations. This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient use of network resources. The proposed task generation algorithm is better than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems that cannot be scheduled by its predecessor algorithms. The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications. As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the improvement of performance of distributed control systems in which several elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach ensures that the approaches to this and similar problems that can be found in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis, can do so without causing other problems that may invalidate the solutions in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission patterns that are used in the aforementioned approaches.

Communication between nodes for autonomic and distributed management

Over the last decade, the most widespread approaches for traditional management were based on the Simple Network Management Protocol (SNMP) or Common Management Information Protocol (CMIP). However, they both have several problems in terms of scalability, due to their centralization characteristics. Although the distributed management approaches exhibit better performance in terms of scalability, they still underperform regarding communication costs, autonomy, extensibility, exibility, robustness, and cooperation between network nodes. The cooperation between network nodes normally requires excessive overheads for synchronization and dissemination of management information in the network. For emerging dynamic and large-scale networking environments, as envisioned in Next Generation Networks (NGNs), exponential growth in the number of network devices and mobile communications and application demands is expected. Thus, a high degree of management automation is an important requirement, along with new mechanisms that promote it optimally and e ciently, taking into account the need for high cooperation between the nodes. Current approaches for self and autonomic management allow the network administrator to manage large areas, performing fast reaction and e ciently facing unexpected problems. The management functionalities should be delegated to a self-organized plane operating within the network, that decrease the network complexity and the control information ow, as opposed to centralized or external servers. This Thesis aims to propose and develop a communication framework for distributed network management which integrates a set of mechanisms for initial communication, exchange of management information, network (re) organization and data dissemination, attempting to meet the autonomic and distributed management requirements posed by NGNs. The mechanisms are lightweight and portable, and they can operate in di erent hardware architectures and include all the requirements to maintain the basis for an e cient communication between nodes in order to ensure autonomic network management. Moreover, those mechanisms were explored in diverse network conditions and events, such as device and link errors, di erent tra c/network loads and requirements. The results obtained through simulation and real experimentation show that the proposed mechanisms provide a lower convergence time, smaller overhead impact in the network, faster dissemination of management information, increase stability and quality of the nodes associations, and enable the support for e cient data information delivery in comparison to the base mechanisms analyzed. Finally, all mechanisms for communication between nodes proposed in this Thesis, that support and distribute the management information and network control functionalities, were devised and developed to operate in completely decentralized scenarios.

A Web 2.0 e a escrita no 3º ciclo do ensino básico: a utilização do blogue

A crescente dinamização de blogues no contexto escolar português, resultante das mais-valias e dos respetivos incentivos à utilização de ferramentas tecnológicas da Web 2.0, assumiu uma prática frequente a partir dos inícios do século XXI. Uma rápida pesquisa na Internet permite-nos verificar um número considerável de blogues usados na lecionação do Português, bem como uma diversidade no que diz respeito a propósitos e finalidades de utilização. Com a nossa investigação pretendemos estudar de que forma se processa o ensino-aprendizagem da Língua Portuguesa/Português em alunos do 3.º Ciclo do Ensino Básico (CEB), através do recurso a esta ferramenta, colocando o foco de análise no domínio da escrita. Procuramos percecionar as motivações e as dinâmicas privilegiadas e recorrentes na utilização pedagógica dos blogues no âmbito do ensino-aprendizagem da escrita a alunos do 3.º CEB. O nosso percurso de investigação foi delineado de acordo com duas fases de atuação. Numa primeira, fizemos um levantamento de “blogues estratégia” associados à prática docente da disciplina de Português no 3.º CEB, optando, nesta etapa, por uma análise quantitativa. A pesquisa e o contacto mais aprofundado que fomos fazendo conduziram-nos à definição de critérios de seleção e à construção e reformulação de uma grelha de identificação e caracterização geral dos blogues, que nos orientou nesta recolha. Elaborámos e aplicámos também um questionário a professores dinamizadores de blogues no âmbito do nosso trabalho que permitiu o alargamento do nosso corpus documental, bem como definir outros elementos para posterior análise. Tendo em conta a diversidade de objetivos e finalidades, muitas vezes referidos nos próprios blogues, optámos por definir três categorias, de forma a favorecer a recolha e a amostra no âmbito no nosso trabalho, designadamente “Blogue Cartolina", “Blogue Turma” e “Blogue Projeto”. Numa segunda fase, e depois da seleção dos posts no âmbito do ensinoaprendizagem da escrita que fazem parte da nossa base documental, partimos para uma análise mais aprofundada do conteúdo publicado. Para tal, elaborámos uma segunda grelha com indicadores para recolha de dados, tendo definido quatro práticas de escrita (Divulgação, Solicitação, Reformulação e Partilha), e uma terceira grelha, com tipos de interação, para uma análise da participação através de comentários que se desencadeia a partir das publicações. No fundo, o nosso propósito consistiu em aferir a organização e as dinâmicas de funcionamento dos “blogues estratégia” ligados ao ensino-aprendizagem da escrita do 3.º Ciclo do Ensino Básico e, neste sentido, percecionarmos de que forma estas funcionalidades tecnológicas poderão contribuir para o desenvolvimento da escrita junto dos alunos.

Identificação de utilizadores seniores em televisão interativa (iTV) : uma matriz de decisão tecnológica

Desde que surgiu há mais de 50 anos, a televisão sofreu muitas transformações, tanto ao nível tecnológico (por exemplo com a passagem da emissão a preto/branco para cor, o som analógico para digital, a difusão digital) como a nível da sua influência nas sociedades. Entre outros fatores de ordem tecnológica, a consolidação da Internet com o seu elevado nível de personalização, da experiência de utilização, e a sua enorme quantidade de conteúdos disponíveis, catapultou a televisão no sentido de esta se tornar mais interativa. Assim, o telespectador passou a poder usufruir de uma experiência televisiva que pode, por um lado, ser mais participativa, sendo-lhe possível, por exemplo, alvitrar sobre a qualidade de um programa enquanto assiste à sua exibição, e, por outro, ser mais personalizada, possibilitando-lhe, por exemplo, receber conteúdos automaticamente adequados ao seu perfil e contexto. No entanto, esta experiência mais participativa e personalizável carece de uma identificação, idealmente automática e não intrusiva, de quem pode beneficiar da mesma – o telespectador. Contudo, e apesar de significativos avanços na área da televisão interativa, tanto ao nível da infraestrutura de suporte como ao nível dos serviços disponibilizados, a identificação dos utilizadores é, ainda, uma área de estudo com muitos aspetos por compreender. Os seniores, em particular, são grandes consumidores de televisão e representam uma fatia muito considerável das pessoas que podem beneficiar das potencialidades disponibilizadas pela interatividade presente em muitos serviços atuais. Um número crescente destes serviços são desenhados com o objetivo de promoverem um envelhecimento ativo e um concreto apoio à vida, pelo que os seniores podem beneficiar, em vários aspetos do seu quotidiano, se os utilizarem. Nesta faixa etária, a identificação de utilizadores tem, como elemento potenciador da experiência de utilização, um papel especialmente importante ao nível de um aproveitamento personalizado e dirigido destes serviços. No entanto, atendendo às diferentes combinações de características físicas, sensoriais, cognitivas e, mesmo, de literacia digital que tipificam os seniores, perspetivou-se existir uma dependência do perfil do utilizador na seleção do método de identificação mais adequado, os quais podem ser baseados, por exemplo, num leitor de impressões digitais, instalado no telecomando; na leitura de uma wearable tag ou de um cartão RFiD; no reconhecimento da face e, eventualmente, na voz do utilizador. Assim, a inerente investigação desenrolou-se em várias fases, no sentido de permitir alicerçar a construção de uma matriz de decisão tecnológica que, em função do perfil de utilizador, selecione o sistema de identificação mais adequado. O procedimento metodológico inerente à construção desta matriz de decisão, passou por um longo processo envolvendo utilizadores reais, que se iniciou com a realização de entrevistas exploratórias com o objetivo de permitir conhecer melhor os seniores e a forma como estes encaram a tecnologia e, mais concretamente, a televisão interativa. Foi depois implementado um protótipo de alta-fidelidade, completamente funcional, para a realização de testes com o objetivo de perceber qual a preferência relativamente a um subconjunto de tecnologias de identificação. Estes testes, uma vez que não permitiram testar todas as tecnologias em estudo, revelaram-se inconclusivos, porém permitiram reforçar a necessidade de identificar e caracterizar os referidos aspetos do perfil do utilizador que podem interferir na sua preferência relativamente ao sistema de identificação. As características identificadas constituíram-se como os parâmetros de entrada da matriz, sendo que para preencher as respetivas células realizaramse testes de aceitação, com um conjunto de seniores, tendo por base um protótipo, wizard of oz, especificamente implementado para permitir experienciar todas as tecnologias em estudo. Estes testes foram precedidos pela avaliação das capacidades funcionais dos participantes, nos diversos parâmetros definidos. Este texto relata, assim, todo o processo de investigação que foi conduzido, terminando com uma descrição de exemplos de utilização da matriz de decisão implementada e com a identificação de potenciais caminhos de desenvolvimento deste trabalho.

Seamless integration of heterogeneous networks in multicast environments

Nowadays, communication environments are already characterized by a myriad of competing and complementary technologies that aim to provide an ubiquitous connectivity service. Next Generation Networks need to hide this heterogeneity by providing a new abstraction level, while simultaneously be aware of the underlying technologies to deliver richer service experiences to the end-user. Moreover, the increasing interest for group-based multimedia services followed by their ever growing resource demands and network dynamics, has been boosting the research towards more scalable and exible network control approaches. The work developed in this Thesis enables such abstraction and exploits the prevailing heterogeneity in favor of a context-aware network management and adaptation. In this scope, we introduce a novel hierarchical control framework with self-management capabilities that enables the concept of Abstract Multiparty Trees (AMTs) to ease the control of multiparty content distribution throughout heterogeneous networks. A thorough evaluation of the proposed multiparty transport control framework was performed in the scope of this Thesis, assessing its bene ts in terms of network selection, delivery tree recon guration and resource savings. Moreover, we developed an analytical study to highlight the scalability of the AMT concept as well as its exibility in large scale networks and group sizes. To prove the feasibility and easy deployment characteristic of the proposed control framework, we implemented a proof-of-concept demonstrator that comprehends the main control procedures conceptually introduced. Its outcomes highlight a good performance of the multiparty content distribution tree control, including its local and global recon guration. In order to endow the AMT concept with the ability to guarantee the best service experience by the end-user, we integrate in the control framework two additional QoE enhancement approaches. The rst employs the concept of Network Coding to improve the robustness of the multiparty content delivery, aiming at mitigating the impact of possible packet losses in the end-user service perception. The second approach relies on a machine learning scheme to autonomously determine at each node the expected QoE towards a certain destination. This knowledge is then used by di erent QoE-aware network management schemes that, jointly, maximize the overall users' QoE. The performance and scalability of the control procedures developed, aided by the context and QoE-aware mechanisms, show the advantages of the AMT concept and the proposed hierarchical control strategy for the multiparty content distribution with enhanced service experience. Moreover we also prove the feasibility of the solution in a practical environment, and provide future research directions that bene t the evolved control framework and make it commercially feasible.