Uma proposta metodológica de integração de técnicas de análise espectral e de inteligência computacional, baseadas em conhecimento, para o reconhecimento de padrões em imagens multiespectrais

Somente no ano de 2011 foram adquiridos mais de 1.000TB de novos registros digitais de imagem advindos de Sensoriamento Remoto orbital. Tal gama de registros, que possui uma progressão geométrica crescente, é adicionada, anualmente, a incrível e extraordinária massa de dados de imagens orbitais já existentes da superfície da Terra (adquiridos desde a década de 70 do século passado). Esta quantidade maciça de registros, onde a grande maioria sequer foi processada, requer ferramentas computacionais que permitam o reconhecimento automático de padrões de imagem desejados, de modo a permitir a extração dos objetos geográficos e de alvos de interesse, de forma mais rápida e concisa. A proposta de tal reconhecimento ser realizado automaticamente por meio da integração de técnicas de Análise Espectral e de Inteligência Computacional com base no Conhecimento adquirido por especialista em imagem foi implementada na forma de um integrador com base nas técnicas de Redes Neurais Computacionais (ou Artificiais) (através do Mapa de Características Auto- Organizáveis de Kohonen SOFM) e de Lógica Difusa ou Fuzzy (através de Mamdani). Estas foram aplicadas às assinaturas espectrais de cada padrão de interesse, formadas pelos níveis de quantização ou níveis de cinza do respectivo padrão em cada uma das bandas espectrais, de forma que a classificação dos padrões irá depender, de forma indissociável, da correlação das assinaturas espectrais nas seis bandas do sensor, tal qual o trabalho dos especialistas em imagens. Foram utilizadas as bandas 1 a 5 e 7 do satélite LANDSAT-5 para a determinação de cinco classes/alvos de interesse da cobertura e ocupação terrestre em três recortes da área-teste, situados no Estado do Rio de Janeiro (Guaratiba, Mangaratiba e Magé) nesta integração, com confrontação dos resultados obtidos com aqueles derivados da interpretação da especialista em imagens, a qual foi corroborada através de verificação da verdade terrestre. Houve também a comparação dos resultados obtidos no integrador com dois sistemas computacionais comerciais (IDRISI Taiga e ENVI 4.8), no que tange a qualidade da classificação (índice Kappa) e tempo de resposta. O integrador, com classificações híbridas (supervisionadas e não supervisionadas) em sua implementação, provou ser eficaz no reconhecimento automático (não supervisionado) de padrões multiespectrais e no aprendizado destes padrões, pois para cada uma das entradas dos recortes da área-teste, menor foi o aprendizado necessário para sua classificação alcançar um acerto médio final de 87%, frente às classificações da especialista em imagem. A sua eficácia também foi comprovada frente aos sistemas computacionais testados, com índice Kappa médio de 0,86.

Visibility recovery on images acquired in attenuating media. Application to underwater, fog, and mammographic imaging

136 p.

Otimização de sistema de roteirização de coleta de resíduos sólidos domiciliares urbanos utilizando ferramentas computacionais.

A operação de coleta e transporte de resíduos sólidos urbanos é indispensável dentro de quaisquer sistema de limpeza urbana. É necessário que se intensifique a pesquisa nessa área de conhecimento afim de produzir-se material de auxílio ao poder público municipal e o setor privado. Deste modo o objetivo geral deste trabalho é o estudo da utilização de ferramentas computacionais para a otimização dos roteiros dos serviços de coleta de resíduos sólidos domiciliares. Foi feito um comparativo entre os itinerários percorridos pelos caminhões de coleta quando dimensionados de forma empírica e quando dimensionados com o auxílio de ferramentas computacionais. Verificou-se as vantagens e desvantagens de cada modelo de dimensionamento e o grande potencial de redução de custos quando utilizadas ferramentas computacionais.

Sistemas inteligentes aplicados à coordenação da proteção de sistemas elétricos industriais com relés digitais.

Atualmente existem diferentes ferramentas computacionais para auxílio nos estudos de coordenação da proteção, que permitem traçar as curvas dos relés, de acordo com os parâmetros escolhidos pelos projetistas. Entretanto, o processo de escolha das curvas consideradas aceitáveis, com um elevado número de possibilidades e variáveis envolvidas, além de complexo, requer simplificações e iterações do tipo tentativa e erro. Neste processo, são fatores fundamentais tanto a experiência e o conhecimento do especialista, quanto um árduo trabalho, sendo que a coordenação da proteção é qualificada pela IEEE Std. 242 como sendo mais uma arte do que uma ciência. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo genético e de um algoritmo inspirado em otimização por colônia de formigas, para automatizar e otimizar a coordenação da função de sobrecorrente de fase de relés digitais microprocessados (IEDs), em subestações industriais. Seis estudos de caso, obtidos a partir de um modelo de banco de dados, baseado em um sistema elétrico industrial real, são avaliados. Os algoritmos desenvolvidos geraram, em todos os estudos de caso, curvas coordenadas, atendendo a todas as restrições previamente estabelecidas e as diferenças temporais de atuação dos relés, no valor de corrente de curto circuito trifásica, apresentaram-se muito próximas do estabelecido como ótimo. As ferramentas desenvolvidas demonstraram potencialidade quando aplicadas nos estudos de coordenação da proteção, tendo resultados positivos na melhoria da segurança das instalações, das pessoas, da continuidade do processo e do impedimento de emissões prejudiciais ao meio ambiente.

Otimização computacional e estudo comparativo das técnicas de extração de conhecimento de grandes repositórios de dados.

Ao se realizar estudo em qualquer área do conhecimento, quanto mais dados se dispuser, maior a dificuldade de se extrair conhecimento útil deste banco de dados. A finalidade deste trabalho é apresentar algumas ferramentas ditas inteligentes, de extração de conhecimento destes grandes repositórios de dados. Apesar de ter várias conotações, neste trabalho, irá se entender extração de conhecimento dos repositórios de dados a ocorrência combinada de alguns dados com freqüência e confiabilidade que se consideram interessantes, ou seja, na medida e que determinado dado ou conjunto de dados aparece no repositório de dados, em freqüência considerada razoável, outro dado ou conjunto de dados irá aparecer. Executada sobre repositórios de dados referentes a informações georreferenciadas dos alunos da UERJ (Universidade do Estado do Rio de Janeiro), irá se analisar os resultados de duas ferramentas de extração de dados, bem como apresentar possibilidades de otimização computacional destas ferramentas.

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a neces- sity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the chal- lenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabil- ities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry manage- ment in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design sys- tem, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heav- ily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. © 2012 by the authors. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a necessity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the challenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabilities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry management in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design system, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heavily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. ©2012 AIAA.

Intelligence in Scientific Computing

Combining numerical techniques with ideas from symbolic computation and with methods incorporating knowledge of science and mathematics leads to a new category of intelligent computational tools for scientists and engineers. These tools autonomously prepare simulation experiments from high-level specifications of physical models. For computationally intensive experiments, they automatically design special-purpose numerical engines optimized to perform the necessary computations. They actively monitor numerical and physical experiments. They interpret experimental data and formulate numerical results in qualitative terms. They enable their human users to control computational experiments in terms of high-level behavioral descriptions.

Automatic Design of a Maglev Controller in State Space

We describe the automatic synthesis of a global nonlinear controller for stabilizing a magnetic levitation system. The synthesized control system can stabilize the maglev vehicle with large initial displacements from an equilibrium, and possesses a much larger operating region than the classical linear feedback design for the same system. The controller is automatically synthesized by a suite of computational tools. This work demonstrates that the difficult control synthesis task can be automated, using programs that actively exploit knowledge of nonlinear dynamics and state space and combine powerful numerical and symbolic computations with spatial-reasoning techniques.

The Role of Knowledge in Visual Shape Representation

This report shows how knowledge about the visual world can be built into a shape representation in the form of a descriptive vocabulary making explicit the important geometrical relationships comprising objects' shapes. Two computational tools are offered: (1) Shapestokens are placed on a Scale-Space Blackboard, (2) Dimensionality-reduction captures deformation classes in configurations of tokens. Knowledge lies in the token types and deformation classes tailored to the constraints and regularities ofparticular shape worlds. A hierarchical shape vocabulary has been implemented supporting several later visual tasks in the two-dimensional shape domain of the dorsal fins of fishes.

Pesquisa computacional de inibidores de fatores de virulência de bacillus anthracifs

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Engineering Simulations

Over recent years, ionic liquids have emerged as a class of novel fluids that have inspired the development of a number of new products and processes. The ability to design these materials with specific functionalities and properties means that they are highly relevant to the growing philosophy of chemical-product design. This is particularly appropriate in the context of a chemical industry that is becoming increasingly focussed on small-volume, high-value added products with relatively short times to market. To support such product and process development, a number of tools can be utilised. A key requirement is that the tool can predict the physical properties and activity coefficients of multi-component mixtures and, if required, model the process in which the materials will be used. Multi-scale simulations that span density functional theory (DFT) to process-engineering computations can address the relevant time and length scales and have increased in usage with the availability of cheap and powerful computers. Herein we will discuss the area of engineering calculations relating to the design of ionic liquid processes, that is, the computational tools that bridge this gap and allow for process simulation tools to utilise and assist in the design of ionic liquids. It will be shown that, at present, it is possible to use available tools to estimate many important properties of ionic liquids and mixtures containing them with a sufficient level of accuracy for preliminary design and selection.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

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.