Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

Impacto das opções de conceção em edifícios zero energy o caso dos grandes edifícios de serviços

Atualmente, o parque edificado é responsável pelo consumo de 40% da energia total consumida em toda a União Europeia. As previsões apontam para o crescimento do sector da construção civil, nomeadamente a construção de edifícios, o que permite perspetivar um aumento do consumo de energia nesta área. Medidas importantes, como o lançamento da Diretiva 2010/31/EU do Parlamento Europeu e do Conselho de 19 de Maio de 2010 relativa ao desempenho energético dos edifícios, abrem caminho para a diminuição das necessidades energéticas e emissões de gases de efeito de estufa. Nela são apontados objetivos para aumentar a eficiência energética do parque edificado, tendo como objetivo que a partir de 2020 todos os novos edifícios sejam energeticamente eficientes e de balanço energético quase zero, com principal destaque para a compensação usando produção energética própria proveniente de fontes renováveis. Este novo requisito, denominado nearly zero energy building, apresenta-se como um novo incentivo no caminho para a sustentabilidade energética. As técnicas e tecnologias usadas na conceção dos edifícios terão um impacto positivo na análise de ciclo de vida, nomeadamente na minimização do impacto ambiental e na racionalização do consumo energético. Desta forma, pretendeu-se analisar a aplicabilidade do conceito nearly zero energy building a um grande edifício de serviços e o seu impacto em termos de ciclo de vida a 50 anos. Partindo da análise de alguns estudos sobre o consumo energético e sobre edifícios de balanço energético quase nulo já construídos em Portugal, desenvolveu-se uma análise de ciclo de vida para o caso de um edifício de serviços, da qual resultou um conjunto de propostas de otimização da sua eficiência energética e de captação de energias renováveis. As medidas apresentadas foram avaliadas com o auxílio de diferentes aplicações como DIALux, IES VE e o PVsyst, com o objetivo de verificar o seu impacto através da comparação com estado inicial de consumo energético do edifício. Nas condições iniciais, o resultado da análise de ciclo de vida do edifício a 50 anos no que respeita ao consumo energético e respetivas emissões de CO2 na fase de operação foi de 6 MWh/m2 e 1,62 t/m2, respetivamente. Com aplicação de medidas propostas de otimização, o consumo e as respetivas emissões de CO2 foram reduzidas para 5,2 MWh/m2 e 1,37 t/m2 respetivamente. Embora se tenha conseguido reduzir ao consumo com as medidas propostas de otimização de energia, chegou-se à conclusão que o sistema fotovoltaico dimensionado para fornecer energia ao edifício não consegue satisfazer as necessidades energéticas do edifício no final dos 50 anos.

Characterization and optimization of bovine Echinococcus granulosus cyst fluid to be used in immunodiagnosis of hydatid disease by ELISA

The aim of this work was to assess the influence in the diagnostic value for human hydatid disease of the composition of bovine hydatid cyst fluid (BHCF) obtained from fertile (FC) and non-fertile cysts (NFC). Eight batches from FC and 5 from NFC were prepared and analysed with respect to chemical composition: total protein, host-derived protein, carbohydrate and lipid contents. No differences were observed in the first two parameters but carbohydrate and lipid contents were shown to be higher in batches from FC than in those from NFC. Bands of 38 and 116 kD in SDS-PAGE profiles were observed to be present in BHCF from FC only. Two pools were prepared from BHCF batches obtained from FC (PFC) and NFC (PNFC), respectively. Antigen recognition patterns were analysed by immunoblot. Physicochemical conditions for adsorption of antigens to the polystyrene surface (ELISA plates) were optimized. The diagnostic value of both types of BHCF as well as the diagnostic relevance of oxidation of their carbohydrate moieties with periodate were assessed by ELISA using 42 serum samples from hydatid patients, 41 from patients with other disorders, and 15 from healthy donors. Reactivity of all sera against native antigen were tested with and without free phosphorylcholine. The best diagnostic efficiency was observed using BHCF from periodate-treated PFC using glycine buffer with strong ionic strength to coat ELISA plates.

Probabilistic maintenance and optimization strategies for deteriorating civil infrastructures

In developed countries, civil infrastructures are one of the most significant investments of governments, corporations, and individuals. Among these, transportation infrastructures, including highways, bridges, airports, and ports, are of huge importance, both economical and social. Most developed countries have built a fairly complete network of highways to fit their needs. As a result, the required investment in building new highways has diminished during the last decade, and should be further reduced in the following years. On the other hand, significant structural deteriorations have been detected in transportation networks, and a huge investment is necessary to keep these infrastructures safe and serviceable. Due to the significant importance of bridges in the serviceability of highway networks, maintenance of these structures plays a major role. In this paper, recent progress in probabilistic maintenance and optimization strategies for deteriorating civil infrastructures with emphasis on bridges is summarized. A novel model including interaction between structural safety analysis,through the safety index, and visual inspections and non destructive tests, through the condition index, is presented. Single objective optimization techniques leading to maintenance strategies associated with minimum expected cumulative cost and acceptable levels of condition and safety are presented. Furthermore, multi-objective optimization is used to simultaneously consider several performance indicators such as safety, condition, and cumulative cost. Realistic examples of the application of some of these techniques and strategies are also presented.

Transverse Vibrations in Beams Supported by a Piece-Wise Homogeneous Visco- Elastic Foundation

Transversal vibrations induced by a load moving uniformly along an infinite beam resting on a piece-wise homogeneous visco-elastic foundation are studied. Special attention is paid to the additional vibrations, conventionally referred to as transition radiations, which arise as the point load traverses the place of foundation discontinuity. The governing equations of the problem are solved by the normalmode analysis. The solution is expressed in a form of infinite sum of orthogonal natural modes multiplied by the generalized coordinate of displacement. The natural frequencies are obtained numerically exploiting the concept of the global dynamic stiffness matrix. This ensures that the frequencies obtained are exact. The methodology has restrictions neither on velocity nor on damping. The approach looks simple, though, the numerical expression of the results is not straightforward. A general procedure for numerical implementation is presented and verified. To illustrate the utility of the methodology parametric optimization is presented and influence of the load mass is studied. The results obtained have direct application in analysis of railway track vibrations induced by high-speed trains when passing regions with significantly different foundation stiffness.

Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Trade-Off Performance Regions of Slotted ALOHA Protocol using Multi-Objective Optimization

10th Conference on Telecommunications (Conftele 2015), Aveiro, Portugal.

Multi-Objective and Financial Portfolio Optimization of Carrier-Sense Multiple Access Protocols with Cooperative Diversity

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

Distributed Sensing of Fluid Dynamic Phenomena with the XDense Sensor Grid Network

IEEE International Conference on Cyber Physical Systems, Networks and Applications (CPSNA'15), Hong Kong, China.

Dynamic Analysis and Pattern Visualization of Forest Fires

This paper analyses forest fires in the perspective of dynamical systems. Forest fires exhibit complex correlations in size, space and time, revealing features often present in complex systems, such as the absence of a characteristic length-scale, or the emergence of long range correlations and persistent memory. This study addresses a public domain forest fires catalogue, containing information of events for Portugal, during the period from 1980 up to 2012. The data is analysed in an annual basis, modelling the occurrences as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the burnt area. First, we consider mutual information to correlate annual patterns. We use visualization trees, generated by hierarchical clustering algorithms, in order to compare and to extract relationships among the data. Second, we adopt the Multidimensional Scaling (MDS) visualization tool. MDS generates maps where each object corresponds to a point. Objects that are perceived to be similar to each other are placed on the map forming clusters. The results are analysed in order to extract relationships among the data and to identify forest fire patterns.

A Real-Time Optimization for 2R Manipulators

This work proposes a real-time algorithm to generate a trajectory for a 2 link planar robotic manipulator. The objective is to minimize the space/time ripple and the energy requirements or the time duration in the robot trajectories. The proposed method uses an off line genetic algorithm to calculate every possible trajectory between all cells of the workspace grid. The resultant trajectories are saved in several trees. Then any trajectory requested is constructed in real-time, from these trees. The article presents the results for several experiments.

Optimization of random amplified polymorphic DNA techniques for use in genetic studies of Cuban triatominae

Random amplified polymorphic DNA (RAPD) technique is a simple and reliable method to detect DNA polymorphism. Several factors can affect the amplification profiles, thereby causing false bands and non-reproducibility of assay. In this study, we analyzed the effect of changing the concentration of primer, magnesium chloride, template DNA and Taq DNA polymerase with the objective of determining their optimum concentration for the standardization of RAPD technique for genetic studies of Cuban Triatominae. Reproducible amplification patterns were obtained using 5 pmoL of primer, 2.5 mM of MgCl2, 25 ng of template DNA and 2 U of Taq DNA polymerase in 25 µL of the reaction. A panel of five random primers was used to evaluate the genetic variability of T. flavida. Three of these (OPA-1, OPA-2 and OPA-4) generated reproducible and distinguishable fingerprinting patterns of Triatominae. Numerical analysis of 52 RAPD amplified bands generated for all five primers was carried out with unweighted pair group method analysis (UPGMA). Jaccard's Similarity Coefficient data were used to construct a dendrogram. Two groups could be distinguished by RAPD data and these groups coincided with geographic origin, i.e. the populations captured in areas from east and west of Guanahacabibes, Pinar del Río. T. flavida present low interpopulation variability that could result in greater susceptibility to pesticides in control programs. The RAPD protocol and the selected primers are useful for molecular characterization of Cuban Triatominae.

Chaotic Phenomena and Performance Optimization in the Trajectory Control of Redundant Manipulators

Redundant manipulators have some advantages when compared with classical arms because they allow the trajectory optimization, both on the free space and on the presence of abstacles, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, several kinetic algorithms adopt generalized inverse matrices. In this line of thought, the generalized inverse control scheme is tested through several experiments that reveal the difficulties that often arise. Motivated by theseproblems this paper presents a new method that ptimizes the manipulability through a least squre polynomialapproximation to determine the joints positions. Moreover, the article studies influence on the dynamics, when controlling redundant and hyper-redundant manipulators. The experiment confirm the superior performance of the proposed algorithm for redundant and hyper-redundant manipulators, revealing several fundamental properties of the chaotic phenomena, and gives a deeper insight towards the future development of superior trajectory control algorithms.

Multi-robot cooperative stereo for outdoor scenarios

13th International Conference on Autonomous Robot Systems (Robotica), 2013