Application of computational intelligence to engineering

Computational Intelligence (CI) includes four main areas: Evolutionary Computation (genetic algorithms and genetic programming), Swarm Intelligence, Fuzzy Systems and Neural Networks. This article shows how CI techniques overpass the strict limits of Artificial Intelligence field and can help solving real problems from distinct engineering areas: Mechanical, Computer Science and Electrical Engineering.

Consistent state software transactional memory

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.

A stochastic programming approach for the development of offering strategies for a wind power producer

A stochastic programming approach is proposed in this paper for the development of offering strategies for a wind power producer. The optimization model is characterized by making the analysis of several scenarios and treating simultaneously two kinds of uncertainty: wind power and electricity market prices. The approach developed allows evaluating alternative production and offers strategies to submit to the electricity market with the ultimate goal of maximizing profits. An innovative comparative study is provided, where the imbalances are treated differently. Also, an application to two new realistic case studies is presented. Finally, conclusions are duly drawn.

Problema de atribuição de vigilâncias de exames a docentes

O presente trabalho foi realizado com o intuito de resolver o problema de alocação de vigilantes a exames do Instituto Superior de Engenharia do Porto, no departamento de Engenharia Mecânica. O modelo apresentado faz a atribuição das vigilâncias de uma forma hierárquica, utilizando vários critérios, desde a regência da unidade curricular até à simples vigilância. Devido ao facto de estar implementado informaticamente, apresenta reduzidos tempos na formulação e obtenção de uma solução, o que o torna uma boa ferramenta para a criação de cenários alternativos. Em suma, o modelo proposto neste trabalho apresenta soluções de melhor qualidade, em que a distribuição de afetações é proporcional entre os docentes, e o seu tempo de obtenção é muito reduzido em comparação com a alternativa atual.

Extending the learning object definition to represent programming problems

The present generation of eLearning platforms values the interchange of learning objects standards. Nevertheless, for specialized domains these standards are insufficient to fully describe all the assets, especially when they are used as input for other eLearning services. To address this issue we extended an existing learning objects standard to the particular requirements of a specialized domain, namely the automatic evaluation of programming problems. The focus of this paper is the definition of programming problems as learning objects. We introduce a new schema to represent metadata related to automatic evaluation that cannot be conveniently represented using existing standards, such as: the type of automatic evaluation; the requirements of the evaluation engine; or the roles of different assets - tests cases, program solutions, etc. This new schema is being used in an interoperable repository of learning objects, called crimsonHex.

Defining programming problems as learning objects

Standards for learning objects focus primarily on content presentation. They were already extended to support automatic evaluation but it is limited to exercises with a predefined set of answers. The existing standards lack the metadata required by specialized evaluators to handle types of exercises with an indefinite set of solutions. To address this issue we extended existing learning object standards to the particular requirements of a specialized domain. We present a definition of programming problems as learning objects that is compatible both with Learning Management Systems and with systems performing automatic evaluation of programs. The proposed definition includes metadata that cannot be conveniently represented using existing standards, such as: the type of automatic evaluation; the requirements of the valuation engine; and the roles of different assets - tests cases, program solutions, etc. We present also the EduJudge project and its main services as a case study on the use of the proposed definition of programming problems as learning objects.

A contribution to the e-framework: a specification of a programming exercise evaluation service

This work is a contribution to the e-Framework, arguably the most prominent e-learning framework today, and consists of the definition of a service for the automatic evaluation of programming exercises. This evaluation domain differs from trivial evaluations modelled by languages such as the IMS Question & Test Interoperability (QTI) specification. Complex evaluation domains justify the development of specialized evaluators that participate in several business processes. These business processes can combine other type of systems such as Programming Contest Management Systems, Learning Management Systems, Integrated Development Environments and Learning Object Repositories where programming exercises are stored as Learning Objects. This contribution describes the implementation approaches used, more precisely, behaviours & requests, use & interactions, applicable standards, interface definition and usage scenarios.

Plataforma web de informação automobilística

Esta dissertação enquadra-se no âmbito dos Sistemas de Informação, em concreto, no desenvolvimento de aplicações Web, como é o caso de um website. Com a utilização em larga escala dos meios tecnológicos tem-se verificado um crescimento exponencial dos mesmos, o que se traduz na facilidade com que podem ser encontradas na Internet diversos tipos de plataformas informáticas. Além disso, hoje em dia, uma grande parte das organizações possui o seu próprio sítio na Internet, onde procede à divulgação dos seus serviços e/ou produtos. Pretende-se com esta dissertação explorar estas novas tecnologias, nomeadamente, os diagramas UML - Unified Modeling Language e a concepção de bases de dados, e posteriormente desenvolver um website. Com o desenvolvimento deste website não se propõe a criação de uma nova tecnologia, mas o uso de diversas tecnologias em conjunto com recurso às ferramentas UML. Este encontra-se organizado em três fases principais: análise de requisitos, implementação e desenho das interfaces. Na análise de requisitos efectuou-se o levantamento dos objectivos propostos para o sistema e das necessidades/requisitos necessários à sua implementação, auxiliado essencialmente pelo Diagrama de Use Cases do sistema. Na fase de implementação foram elaborados os arquivos e directórios que formam a arquitectura lógica de acordo com os modelos descritos no Diagrama de Classes e no Diagrama de Entidade-Relação. Os requisitos identificados foram analisados e usados na composição das interfaces e sistema de navegação. Por fim, na fase de desenho das interfaces foram aperfeiçoadas as interfaces desenvolvidas, com base no conceito artístico e criativo do autor. Este aperfeiçoamento vai de encontro ao gosto pessoal e tem como objectivo elaborar uma interface que possa também agradar ao maior número possível de utilizadores. Este pode ser observado na maneira como se encontram distribuídas as ligações (links) entre páginas, nos títulos, nos cabeçalhos, nas cores e animações e no seu design em geral. Para o desenvolvimento do website foram utilizadas diferentes linguagens de programação, nomeadamente a HyperText Markup Language (HTML), a Page Hypertext Preprocessor (PHP) e Javascript. A HTML foi utilizada para a disposição de todo o conteúdo visível das páginas e para definição do layout das mesmas e a PHP para executar pequenos scripts que permitem interagir com as diferentes funcionalidades do site. A linguagem Javascript foi usada para definir o design das páginas e incluir alguns efeitos visuais nas mesmas. Para a construção das páginas que compõem o website foi utilizado o software Macromedia Dreamweaver, o que simplificou a sua implementação pela facilidade com que estas podem ser construídas. Para interacção com o sistema de gestão da base de dados, o MySQL, foi utilizada a aplicação phpMyAdmin, que simplifica o acesso à base de dados, permitindo definir, manipular e consultar os seus dados.

Visual programming of XSLT from examples

Vishnu is a tool for XSLT visual programming in Eclipse - a popular and extensible integrated development environment. Rather than writing the XSLT transformations, the programmer loads or edits two document instances, a source document and its corresponding target document, and pairs texts between then by drawing lines over the documents. This form of XSLT programming is intended for simple transformations between related document types, such as HTML formatting or conversion among similar formats. Complex XSLT programs involving, for instance, recursive templates or second order transformations are out of the scope of Vishnu. We present the architecture of Vishnu composed by a graphical editor and a programming engine. The editor is an Eclipse plug-in where the programmer loads and edits document examples and pairs their content using graphical primitives. The programming engine receives the data collected by the editor and produces an XSLT program. The design of the engine and the process of creation of an XSLT program from examples are also detailed. It starts with the generation of an initial transformation that maps source document to the target document. This transformation is fed to a rewrite process where each step produces a refined version of the transformation. Finally, the transformation is simplified before being presented to the programmer for further editing.

PExIL: Programming Exercises Interoperability Language

Several standards appeared in recent years to formalize the metadata of learning objects, but they are still insufficient to fully describe a specialized domain. In particular, the programming exercise domain requires interdependent resources (e.g. test cases, solution programs, exercise description) usually processed by different services in the programming exercise life-cycle. Moreover, the manual creation of these resources is time-consuming and error-prone leading to what is an obstacle to the fast development of programming exercises of good quality. This paper focuses on the definition of an XML dialect called PExIL (Programming Exercises Interoperability Language). The aim of PExIL is to consolidate all the data required in the programming exercise life-cycle, from when it is created to when it is graded, covering also the resolution, the evaluation and the feedback. We introduce the XML Schema used to formalize the relevant data of the programming exercise life-cycle. The validation of this approach is made through the evaluation of the usefulness and expressiveness of the PExIL definition. In the former we present the tools that consume the PExIL definition to automatically generate the specialized resources. In the latter we use the PExIL definition to capture all the constraints of a set of programming exercises stored in a learning objects repository.

Making programming exercises interoperable with PExIL

Several standards have appeared in recent years to formalize the metadata of learning objects, but they are still insufficient to fully describe a specialized domain. In particular, the programming exercise domain requires interdependent resources (e.g. test cases, solution programs, exercise description) usually processed by different services in the programming exercise lifecycle. Moreover, the manual creation of these resources is time-consuming and error-prone, leading to an obstacle to the fast development of programming exercises of good quality. This chapter focuses on the definition of an XML dialect called PExIL (Programming Exercises Interoperability Language). The aim of PExIL is to consolidate all the data required in the programming exercise lifecycle from when it is created to when it is graded, covering also the resolution, the evaluation, and the feedback. The authors introduce the XML Schema used to formalize the relevant data of the programming exercise lifecycle. The validation of this approach is made through the evaluation of the usefulness and expressiveness of the PExIL definition. In the former, the authors present the tools that consume the PExIL definition to automatically generate the specialized resources. In the latter, they use the PExIL definition to capture all the constraints of a set of programming exercises stored in a learning objects repository.