Radial Deformation of Cylinders Due to Torsion

Classical literature on solid mechanics claims existence of radial deformation due to torsion but there is hardly any literature on analytic solutions capturing this phenomenon. This paper tries to solve this problem in an asymptotic sense using the variational asymptotic method (VAM). The method makes no ad hoc assumptions and hence asymptotic correctness is assured. The VAM splits the 3D elasticity problem into two parts: A 1D problem along the length of the cylinder which gives the twist and a 2D cross-sectional problem which gives the radial deformation. This enables closed form solutions, even for some complex problems. Starting with a hollow cylinder, made up of orthotropic but transversely isotropic material, the 3D problem has been formulated and solved analytically despite the presence of geometric nonlinearity. The general results have been specialized for particularly useful cases, such as solid cylinders and/or cylinders with isotropic material. DOI: 10.1115/1.4006803]

Random response of nonlinear continuous systems

This thesis presents a technique for obtaining the stochastic response of a nonlinear continuous system. First, the general method of nonstationary continuous equivalent linearization is developed. This technique allows replacement of the original nonlinear system with a time-varying linear continuous system. Next, a numerical implementation is described which allows solution of complex problems on a digital computer. In this procedure, the linear replacement system is discretized by the finite element method. Application of this method to systems satisfying the one-dimensional wave equation with two different types of constitutive nonlinearities is described. Results are discussed for nonlinear stress-strain laws of both hardening and softening types.

Relevo e drenagem do centro da cidade do Rio de Janeiro: enchentes e políticas públicas no passado e no presente

As enchentes se constituem em um dos mais freqüentes e complexos problemas nas áreas urbanas em todo o mundo, causando danos à população e às atividades econômicas a estas associadas. A cidade do Rio de Janeiro possui um longo histórico de inundações, outrora ligadas sobretudo às suas características topográficas e climáticas, que, em virtude dos processo de ocupação e urbanização, iniciados no século XVI, foram potencializas pelas interferências no meio físico, através das políticas públicas. Esta dissertação visa analisar as causas das inundações, bem como suas implicações na organização do espaço, na área central da cidade do Rio de Janeiro, evidenciando formas e processos pretéritos e presentes. As enchentes no centro da cidade foram mapeadas, com diferenciação entre os setores análogos, nos quais destacam-se as áreas mais críticas de ocorrências, em virtude dos danos decorrentes das inundações. Para tanto foram feitos levantamentos bibliográficos e trabalhos de campo. São feitas também recomendações que se originaram dos resultados dos levantamentos e das análises realizadas, visando contribuir para iniciativas que busquem soluções efetivas para o velho problema de enchentes na área central do Rio de Janeiro. Como resultado, pode-se concluir que uma série de fatores conjugados contribuem para as ocorrências atuais, àqueles inseridos em uma escala mais local, como nivelamentos de ruas, que ainda hoje remontam antigas feições da cidade ou a ineficiência da rede de drenagem atual, como também fatores mais abrangentes, ligados aos divisores topográficos e drenagem associada.

Otimização por enxame de partículas em arquiteturas paralelas de alto desempenho.

A Otimização por Enxame de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) é uma técnica de otimização que vem sendo utilizada na solução de diversos problemas, em diferentes áreas do conhecimento. Porém, a maioria das implementações é realizada de modo sequencial. O processo de otimização necessita de um grande número de avaliações da função objetivo, principalmente em problemas complexos que envolvam uma grande quantidade de partículas e dimensões. Consequentemente, o algoritmo pode se tornar ineficiente em termos do desempenho obtido, tempo de resposta e até na qualidade do resultado esperado. Para superar tais dificuldades, pode-se utilizar a computação de alto desempenho e paralelizar o algoritmo, de acordo com as características da arquitetura, visando o aumento de desempenho, a minimização do tempo de resposta e melhoria da qualidade do resultado final. Nesta dissertação, o algoritmo PSO é paralelizado utilizando três estratégias que abordarão diferentes granularidades do problema, assim como dividir o trabalho de otimização entre vários subenxames cooperativos. Um dos algoritmos paralelos desenvolvidos, chamado PPSO, é implementado diretamente em hardware, utilizando uma FPGA. Todas as estratégias propostas, PPSO (Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) e CPPSO (Cooperative Parallel PSO), são implementadas visando às arquiteturas paralelas baseadas em multiprocessadores, multicomputadores e GPU. Os diferentes testes realizados mostram que, nos problemas com um maior número de partículas e dimensões e utilizando uma estratégia com granularidade mais fina (PDPSO e CPPSO), a GPU obteve os melhores resultados. Enquanto, utilizando uma estratégia com uma granularidade mais grossa (PPSO), a implementação em multicomputador obteve os melhores resultados.

Algoritmos distribuídos para alocação dinâmica de tarefas em enxame de robôs.

A Inteligência de Enxame foi proposta a partir da observação do comportamento social de espécies de insetos, pássaros e peixes. A ideia central deste comportamento coletivo é executar uma tarefa complexa decompondo-a em tarefas simples, que são facilmente executadas pelos indivíduos do enxame. A realização coordenada destas tarefas simples, respeitando uma proporção pré-definida de execução, permite a realização da tarefa complexa. O problema de alocação de tarefas surge da necessidade de alocar as tarefas aos indivíduos de modo coordenado, permitindo o gerenciamento do enxame. A alocação de tarefas é um processo dinâmico pois precisa ser continuamente ajustado em resposta a alterações no ambiente, na configuração do enxame e/ou no desempenho do mesmo. A robótica de enxame surge deste contexto de cooperação coletiva, ampliada à robôs reais. Nesta abordagem, problemas complexos são resolvidos pela realização de tarefas complexas por enxames de robôs simples, com capacidade de processamento e comunicação limitada. Objetivando obter flexibilidade e confiabilidade, a alocação deve emergir como resultado de um processo distribuído. Com a descentralização do problema e o aumento do número de robôs no enxame, o processo de alocação adquire uma elevada complexidade. Desta forma, o problema de alocação de tarefas pode ser caracterizado como um processo de otimização que aloca as tarefas aos robôs, de modo que a proporção desejada seja atendida no momento em que o processo de otimização encontre a solução desejada. Nesta dissertação, são propostos dois algoritmos que seguem abordagens distintas ao problema de alocação dinâmica de tarefas, sendo uma local e a outra global. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem local (ADTL) atualiza a alocação de tarefa de cada robô a partir de uma avaliação determinística do conhecimento atual que este possui sobre as tarefas alocadas aos demais robôs do enxame. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem global (ADTG) atualiza a alocação de tarefas do enxame com base no algoritmo de otimização PSO (Particle swarm optimization). No ADTG, cada robô possui uma possível solução para a alocação do enxame que é continuamente atualizada através da troca de informação entre os robôs. As alocações são avaliadas quanto a sua aptidão em atender à proporção-objetivo. Quando é identificada a alocação de maior aptidão no enxame, todos os robôs do enxame são alocados para as tarefas definidas por esta alocação. Os algoritmos propostos foram implementados em enxames com diferentes arranjos de robôs reais demonstrando sua eficiência e eficácia, atestados pelos resultados obtidos.

Agrupamento espacial em robótica de enxame.

Os Sistemas Multi-Robôs proporcionam vantagens sobre um robô individual, quando da realização de uma tarefa com maiores velocidade, precisão e tolerância a falhas. Os estudos dos comportamentos sociais na natureza têm permitido desenvolver algoritmos bio-inspirados úteis na área da robótica de enxame. Seguindo instruções simples e repetitivas, grupos de robôs, fisicamente limitados, conseguem solucionar problemas complexos. Quando existem duas ou mais tarefas a serem realizadas e o conjunto de robôs é heterogêneo, é possível agrupá-los de acordo com as funcionalidades neles disponíveis. No caso em que o conjunto de robôs é homogêneo, o agrupamento pode ser realizado considerando a posição relativa do robô em relação a uma tarefa ou acrescentando alguma característica distintiva. Nesta dissertação, é proposta uma técnica de clusterização espacial baseada simplesmente na comunicação local de robôs. Por meio de troca de mensagens entre os robôs vizinhos, esta técnica permite formar grupos de robôs espacialmente próximos sem precisar movimentar os robôs. Baseando-se nos métodos de clusterização de fichas, a técnica proposta emprega a noção de fichas virtuais, que são chamadas de cargas, sendo que uma carga pode ser estática ou dinâmica. Se uma carga é estática permite determinar a classe à qual um robô pertence. Dependendo da quantidade e do peso das cargas disponíveis no sistema, os robôs intercambiam informações até alcançar uma disposição homogênea de cargas. Quando as cargas se tornam estacionárias, é calculada uma densidade que permite guiar aquelas que estão ainda em movimento. Durante as experiências, foi observado visualmente que as cargas com maior peso acabam se agrupando primeiro enquanto aquelas com menor peso continuam se deslocando no enxame, até que estas cargas formem faixas de densidades diferenciadas para cada classe, alcançando assim o objetivo final que é a clusterização dos robôs.

MAS Ontology: uma ontologia de métodos orientados a agentes

A modelagem orientada a agentes surge como paradigma no desenvolvimento de software, haja vista a quantidade de iniciativas e estudos que remetem à utilização de agentes de software como solução para tratar de problemas mais complexos. Apesar da popularidade de utilização de agentes, especialistas esbarram na falta de universalidade de uma metodologia para construção dos Sistemas Multiagentes (MAS), pois estas acabam pecando pelo excesso ou falta de soluções para modelar o problema. Esta dissertação propõe o uso de uma Ontologia sobre Metodologias Multiagentes, seguindo os princípios da Engenharia de Métodos Situacionais que se propõe a usar fragmentos de métodos para construção de metodologias baseados na especificidade do projeto em desenvolvimento. O objetivo do estudo é sedimentar o conhecimento na área de Metodologias Multiagentes, auxiliando o engenheiro de software a escolher a melhor metodologia ou o melhor fragmento de metodologia capaz de modelar um Sistema Multiagentes.

Graduate Education for Leadership in Sustainable Development Innovation , Practice and Research

This paper reflects on the motivation, method and effectiveness of teaching leadership and organisational change to graduate engineers. Delivering progress towards sustainable development requires engineers who are aware of pressing global issues (such as resource depletion, climate change, social inequity and an interdependent economy) since it is they who deliver the goods and services that underpin society within these constraints. In recognition of this fact the Cambridge University MPhil in Engineering for Sustainable Development has focussed on educating engineers to become effective change agents in their professional field with the confidence to challenge orthodoxy in adopting traditional engineering solutions. This paper reflects on ten years of delivering this course to review how teaching change management and leadership aspects of the programme have evolved and progressed over that time. As the students on this professional practice have often extensive experience as practising engineers and scientists, they have learned the limitations of their technical background when solving complex problems. Students often join the course recognising their need to broaden their knowledge of relevant cross-disciplinary skills. The course offers an opportunity for these early to mid-career engineers to explore an ethical and value-based approach to bringing about effective change in their particular sectors and organisations. This is achieved through action learning assignments in combination with reflections on the theory of change to enable students to equip themselves with tools that help them to be effective in making their professional and personal life choices. This paper draws on feedback gathered from students during their participation on the course and augments this with alumni reflections gathered some years after their graduation. These professionals are able to look back on their experience of the taught components and reflect on how they have been able to apply this key learning in their subsequent careers.

Evidence-informed development of engineering practical work: Effecting change through staff and student engagement

This paper discusses innovations in curriculum development in the Department of Engineering at the University of Cambridge as a participant in the Teaching for Learning Network (TFLN), a teaching and learning development initiative funded by the Cambridge-MIT Institute a pedagogic collaboration and brokerage network. A year-long research and development project investigated the practical experiences through which students traditionally explore engineering disciplines, apply and extend the knowledge gained in lectures and other settings, and begin to develop their professional expertise. The research project evaluated current practice in these sessions and developed an evidence-base to identify requirements for new activities, student support and staff development. The evidence collected included a novel student 'practice-value' survey highlighting effective practice and areas of concern, classroom observation of practicals, semi-structured interviews with staff, a student focus group and informal discussions with staff. Analysis of the data identified three potentially 'high-leverage' strategies for improvement: development of a more integrated teaching framework, within which practical work could be contextualised in relation to other learning; a more transparent and integrated conceptual framework where theory and practice were more closely linked; development of practical work more reflective of the complex problems facing professional engineers. This paper sets out key elements of the evidence collected and the changes that have been informed by this evidence and analysis, leading to the creation of a suite of integrated practical sessions carefully linked to other course elements and reinforcing central concepts in engineering, accompanied by a training and support programme for teaching staff.

Graduate education for leadership and organisational change in sustainable development

This paper reflects on the motivation, method and effectiveness of teaching leadership and organisational change to graduate engineers. Delivering progress towards sustainable development requires engineers who are aware of pressing global issues (such as resource depletion, climate change, social inequity and an interdependent economy) since it is they who deliver the goods and services that underpin society within these constraints. They also must understand how to implement change in the organisations within which they will work. In recognition of this fact the Cambridge University MPhil in Engineering for Sustainable Development has focussed on educating engineers to become effective change agents in their professional field with the confidence to challenge orthodoxy in adopting traditional engineering solutions. This paper reflects on ten years of delivering a special module to review how teaching change management and leadership aspects of the programme have evolved and progressed over that time. As the students who embark on this professional practice have often extensive experience as practising engineers and scientists, many have already learned the limitations of their technical background when solving complex problems. Students often join the course recognising their need to broaden their knowledge of relevant cross-disciplinary skills. The programme offers an opportunity for these early to mid-career engineers to explore an ethical and value-based approach to bringing about effective change in their particular sectors and organisations. This is achieved through action learning assignments in combination with reflections on the theory of change to enable students to equip themselves with tools that help them to be effective in making their professional and personal life choices. This paper draws on feedback gathered from students during their participation on the programme and augments this with alumni reflections gathered some years after their graduation. These professionals are able to look back on their experience of the taught components and reflect on how they have been able to apply this key learning in their subsequent careers. Copyright © 2012 September.

Analog computation using quantum-dot cell network

A novel analog-computation system using a quantum-dot cell network is proposed to solve complex problems. Analog computation is a promising method for solving a mathematical problem by using a physical system analogous to the problem. We designed a novel quantum-dot cell consisting of three-stacked. quantum dots and constructed a cell network utilizing the nearest-neighbor interactions between the cells. We then mapped a graph 3-colorability problem onto the network so that the single-electron configuration of the network in the ground state corresponded to one of the solutions. We calculated the ground state of the cell network and found solutions to the problems. The results demonstrate that analog computation is a promising approach for solving complex problems.

Quantum computation using artificial molecules

Two kinds of quantum computation systems using artificial molecules: quantum computer and quantum analog computer are described. The artificial molecule consists of two or three coupled quantum dots stacked along z direction and one single electron, In quantum computer, one-qubit and two-qubit gates are constructed by one molecule and two molecules, respectively. The coupling between two qubits in a quantum gate can be controlled by thin film electrodes. We also constructed a quantum analog computer by designing a three-dot molecule network and mapping a graph 3-colorability problem onto the network. The ground-state configuration of the single electrons in the network corresponds to one of the problem solutions, We numerically study the operations of the two kinds of the quantum computers and demonstrate that they quantum gates can perform the quantum computation and solve complex problems.

Analog computation using quantum-dot cell network

A novel analog-computation system using a quantum-dot cell network is proposed to solve complex problems. Analog computation is a promising method for solving a mathematical problem by using a physical system analogous to the problem. We designed a novel quantum-dot cell consisting of three-stacked. quantum dots and constructed a cell network utilizing the nearest-neighbor interactions between the cells. We then mapped a graph 3-colorability problem onto the network so that the single-electron configuration of the network in the ground state corresponded to one of the solutions. We calculated the ground state of the cell network and found solutions to the problems. The results demonstrate that analog computation is a promising approach for solving complex problems.

理性遗传算法及其在多机器人运动协调中的应用

面对传统遗传算法在解决一些复杂问题时所存在的收敛慢或早熟等困难 ,基于仿人理性决策原则 ,提出一种具有更丰富进化含义的进化算法——理性遗传算法 .其通过遗传信息的反馈或理性规则的建立来指导遗传操作的进行 ,从而将种群内部知识与经验的继承和学习更有效地结合在遗传算法之中 .相对于传统遗传算法 ,较好地解决了多机器人确知环境下协调运动规划问题 .理论分析和仿真实验结果都是令人鼓舞的 .

波动方程辛几何算法三维叠前深度偏移及其并行实现

Oil and scientific groups have been focusing on the 3D wave equation prestack depth migration since it can solve the complex problems of the geologic structure accurately and maintain the wave information, which is propitious to lithology imaging. The symplectic method was brought up by Feng Kang firstly in 1984 and became the hotspot of numerical computation study. It will be widely applied in many scientific field of necessity because of its great virtue in scientific sense. This paper combines the Symplectic method and the 3-D wave equation prestack depth migration to bring up an effectual numerical computation method of wave field extrapolatation technique under the scientific background mentioned above. At the base of deep analysis of computation method and the performance of PC cluster, a seismic prestack depth migration flow considering the virtue of both seismic migration method and Pc cluster has formatted. The software, named 3D Wave Equation Prestack Depth Migration of Symplectic Method, which is based on the flow, has been enrolled in the National Bureau of Copyright (No. 0013767). Dagang and Daqing Oil Field have now put it into use in the field data processing. In this paper, the one way wave equation operator is decompounded into a phase shift operator and a time shift operator and the correct item with high rank Symplectic method when approaching E exponent. After reviewing eliminating alias frequency of operator, computing the maximum angle of migration and the imaging condition, we present the test result of impulse response of the Symplectic method. Taking the imaging results of the SEG/EAGE salt and overthrust models for example and seeing about the imaging ability with complex geologic structure of our software system, the paper has discussed the effect of the selection of imaging parameters and the effectuation on the migration result of the seismic wavelet and compared the 2-D and 3-D prestack depth migration result of the salt mode. We also present the test result of impulse response with the overthrust model. The imaging result of the two international models indicates that the Symplectic method of 3-D prestack depth migration accommodates great transversal velocity variation and complex geologic structure. The huge computing cost is the key obstruction that 3-D prestack depth migration wave equation cannot be adopted by oil industry. After deep analysis of prestack depth migration flow and the character of PC cluster ,the paper put forward :i)parallel algorithms in shot and frequency domain of the common shot gather 3-D wave equation prestack migration; ii)the optimized setting scheme of breakpoint in field data processing; iii)dynamic and static load balance among the nodes of the PC cluster in the 3-D prestack depth migration. It has been proven that computation periods of the 3-D prestack depth migration imaging are greatly shortened given that adopting the computing method mentioned in the paper. In addition,considering the 3-D wave equation prestack depth migration flow in complex medium and examples of the field data processing, the paper put the emphasis on: i)seismic data relative preprocessing, ii) 2.5D prestack depth migration velocity analysis, iii)3D prestack depth migration. The result of field data processing shows satisfied application ability of the flow put forward in the paper.