Sobrevivência: jogo interactivo para estudo de arquitecturas de agentes autónomos

Trabalho de projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática e de Computadores

Biblioteca de navegação autónoma baseada em campos de potencial

Trabalho de Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática e de Computadores

Sistema pericial para suporte à decisão na alocação de recursos de emergência

O panorama atual da emergência e socorro de primeira linha em Portugal, carateriza-se por uma grande aposta ao longo dos últimos anos num incremento contínuo da qualidade e da eficiência que estes serviços prestam às populações locais. Com vista à prossecução do objetivo de melhoria contínua dos serviços, foram realizados ao longo dos últimos anos investimentos avultados ao nível dos recursos técnicos e ao nível da contratação e formação de recursos humanos altamente qualificados. Atualmente as instituições que prestam socorro e emergência de primeira linha estão bem dotadas ao nível físico e ao nível humano dos recursos necessários para fazerem face aos mais diversos tipos de ocorrências. Contudo, ao nível dos sistemas de informação de apoio à emergência e socorro de primeira linha, verifica-se uma inadequação (e por vezes inexistência) de sistemas informáticos capazes de suportar convenientemente o atual contexto de exigência e complexidade da emergência e socorro. Foi feita ao longo dos últimos anos, uma forte aposta na melhoria dos recursos físicos e dos recursos humanos encarregues da resposta àsemergência de primeira linha, mas descurou-se a área da gestão e análise da informação sobre as ocorrências, assim como, o delinear de possíveis estratégias de prevenção que uma análise sistematizada da informação sobre as ocorrências possibilita. Nas instituições de emergência e socorro de primeira linha em Portugal (bombeiros, proteção civil municipal, PSP, GNR, polícia municipal), prevalecem ainda hoje os sistemas informáticos apenas para o registo das ocorrências à posteriori e a total inexistência de sistemas de registo de informação e de apoio à decisão na alocação de recursos que operem em tempo real. A generalidade dos sistemas informáticos atualmente existentes nas instituições são unicamente de sistemas de backoffice, que não aproveitam a todas as potencialidades da informação operacional neles armazenada. Verificou-se também, que a geo-localização por via informática dos recursos físicos e de pontos de interesse relevantes em situações críticas é inexistente a este nível. Neste contexto, consideramos ser possível e importante alinhar o nível dos sistemas informáticos das instituições encarregues da emergência e socorro de primeira linha, com o nível dos recursos físicos e humanos que já dispõem atualmente. Dado que a emergência e socorro de primeira linha é um domínio claramente elegível para a aplicação de tecnologias provenientes dos domínios da inteligência artificial (nomeadamente sistemas periciais para apoio à decisão) e da geo-localização, decidimos no âmbito desta tese desenvolver um sistema informático capaz de colmatar muitas das lacunas por nós identificadas ao nível dos sistemas informáticos destas instituições. Pretendemos colocar as suas plataformas informáticas num nível similar ao dos seus recursos físicos e humanos. Assim, foram por nós identificadas duas áreas chave onde a implementação de sistemas informáticos adequados às reais necessidades das instituições podem ter um impacto muito proporcionar uma melhor gestão e otimização dos recursos físicos e humanos. As duas áreas chave por nós identificadas são o suporte à decisão na alocação dos recursos físicos e a geolocalização dos recursos físicos, das ocorrências e dos pontos de interesse. Procurando fornecer uma resposta válida e adequada a estas duas necessidades prementes, foi desenvolvido no âmbito desta tese o sistema CRITICAL DECISIONS. O sistema CRITICAL DECISIONS incorpora um conjunto de funcionalidades típicas de um sistema pericial, para o apoio na decisão de alocação de recursos físicos às ocorrências. A inferência automática dos recursos físicos, assenta num conjunto de regra de inferência armazenadas numa base de conhecimento, em constante crescimento e atualização, com base nas respostas bem sucedidas a ocorrências passadas. Para suprimir as carências aos nível da geo-localização dos recursos físicos, das ocorrências e dos pontos de interesse, o sistema CRITICAL DECISIONS incorpora também um conjunto de funcionalidades de geo-localização. Estas permitem a geo-localização de todos os recursos físicos da instituição, a geo-localização dos locais e as áreas das várias ocorrências, assim como, dos vários tipos de pontos de interesse. O sistema CRITICAL DECISIONS visa ainda suprimir um conjunto de outras carências por nós identificadas, ao nível da gestão documental (planos de emergência, plantas dos edifícios) , da comunicação, da partilha de informação entre as instituições de socorro e emergência locais, da contabilização dos tempos de serviço, entre outros. O sistema CRITICAL DECISIONS é o culminar de um esforço colaborativo e contínuo com várias instituições, responsáveis pela emergência e socorro de primeira linha a nível local. Esperamos com o sistema CRITICAL DECISIONS, dotar estas instituições de uma plataforma informática atual, inovadora, evolutiva, com baixos custos de implementação e de operação, capaz de proporcionar melhorias contínuas e significativas ao nível da qualidade da resposta às ocorrências, das capacidades de prevenção e de uma melhor otimização de todos os tipos de recursos que têm ao dispor.

Controlo e optimização de sistemas AVAC recorrendo a técnicas de inteligência artificial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Music and evolutionary computation

This paper presents a brief history of the western music: from its genesis to serialism and the Darmstadt school. Also some mathematical aspects of music are then presented and confronted with music as a form of art. The question is, are these two distinct aspects compatible? Can computers be of real help in automatic composition? The more appealing algorithmic approach is evolutionary computation as it offers creativity potential. Therefore, the Evolutionary Algorithms are then introduced and some results of GAs and GPs application to music generation are analysed.

Meta-heuristics self-parameterization in a multi-agent scheduling system using case-based reasoning

This paper proposes a novel agent-based approach to Meta-Heuristics self-configuration. Meta-heuristics are algorithms with parameters which need to be set up as efficient as possible in order to unsure its performance. A learning module for self-parameterization of Meta-heuristics (MH) in a Multi-Agent System (MAS) for resolution of scheduling problems is proposed in this work. The learning module is based on Case-based Reasoning (CBR) and two different integration approaches are proposed. A computational study is made for comparing the two CBR integration perspectives. Finally, some conclusions are reached and future work outlined.

Crossing genetic and swarm intelligence algorithms to generate logic circuits

Genetic Algorithms (GAs) are adaptive heuristic search algorithm based on the evolutionary ideas of natural selection and genetic. The basic concept of GAs is designed to simulate processes in natural system necessary for evolution, specifically those that follow the principles first laid down by Charles Darwin of survival of the fittest. On the other hand, Particle swarm optimization (PSO) is a population based stochastic optimization technique inspired by social behavior of bird flocking or fish schooling. PSO shares many similarities with evolutionary computation techniques such as GAs. The system is initialized with a population of random solutions and searches for optima by updating generations. However, unlike GA, PSO has no evolution operators such as crossover and mutation. In PSO, the potential solutions, called particles, fly through the problem space by following the current optimum particles. PSO is attractive because there are few parameters to adjust. This paper presents hybridization between a GA algorithm and a PSO algorithm (crossing the two algorithms). The resulting algorithm is applied to the synthesis of combinational logic circuits. With this combination is possible to take advantage of the best features of each particular algorithm.

Uso de Interfaces Cérebro-computador na comunicação de pessoas com Síndrome de Encarceramento

Os avanços nas Interfaces Cérebro-máquina, resultantes dos avanços no tratamento de sinal e da inteligência artificial, estão a permitir-nos aceder à atividade cerebral, descodificá-la, e usála para comandar dispositivos, sejam eles braços artificiais ou computadores. Isto é muito mais importante quando os utilizadores são pessoas que perderam a capacidade de comunicar, embora mantenham as suas capacidades cognitivas intactas. O caso mais extremo desta situação é o das pessoas afetadas pela Síndrome de Encarceramento. Este trabalho pretende contribuir para a melhoria da qualidade de vida das pessoas afetadas por esta síndrome, disponibilizando-lhes um meio de comunicação adaptado às suas limitações. É essencialmente um estudo de usabilidade aplicada a um tipo de utilizador extremamente diminuído na sua capacidade de interação. Nesta investigação começamos por compreender a Síndrome de Encarceramento e as limitações e capacidades das pessoas afetadas por ela. Abordamos a neuroplasticidade, o que é, e em que medida é importante para a utilização das Interfaces Cérebro-máquina. Analisamos o funcionamento destas interfaces, e os fundamentos científicos que o suportam. Finalmente, com todo este conhecimento em mãos, investigamos e desenvolvemos métodos que nos permitissem otimizar as limitadas capacidades do utilizador na sua interação com o sistema, minimizando o esforço e maximizando o desempenho. Foi para o efeito desenhado e implementado um protótipo que nos permitisse validar as soluções encontradas.

A Hybrid Simulated Annealing approach to handle Energy Resource Management considering an intensive use of Electric Vehicles

The massification of electric vehicles (EVs) can have a significant impact on the power system, requiring a new approach for the energy resource management. The energy resource management has the objective to obtain the optimal scheduling of the available resources considering distributed generators, storage units, demand response and EVs. The large number of resources causes more complexity in the energy resource management, taking several hours to reach the optimal solution which requires a quick solution for the next day. Therefore, it is necessary to use adequate optimization techniques to determine the best solution in a reasonable amount of time. This paper presents a hybrid artificial intelligence technique to solve a complex energy resource management problem with a large number of resources, including EVs, connected to the electric network. The hybrid approach combines simulated annealing (SA) and ant colony optimization (ACO) techniques. The case study concerns different EVs penetration levels. Comparisons with a previous SA approach and a deterministic technique are also presented. For 2000 EVs scenario, the proposed hybrid approach found a solution better than the previous SA version, resulting in a cost reduction of 1.94%. For this scenario, the proposed approach is approximately 94 times faster than the deterministic approach.

Adaptive learning in agents behaviour: A framework for electricity markets simulation

Electricity markets are complex environments, involving a large number of different entities, playing in a dynamic scene to obtain the best advantages and profits. MASCEM (Multi-Agent System for Competitive Electricity Markets) is a multi-agent electricity market simulator that models market players and simulates their operation in the market. Market players are entities with specific characteristics and objectives, making their decisions and interacting with other players. This paper presents a methodology to provide decision support to electricity market negotiating players. This model allows integrating different strategic approaches for electricity market negotiations, and choosing the most appropriate one at each time, for each different negotiation context. This methodology is integrated in ALBidS (Adaptive Learning strategic Bidding System) – a multiagent system that provides decision support to MASCEM's negotiating agents so that they can properly achieve their goals. ALBidS uses artificial intelligence methodologies and data analysis algorithms to provide effective adaptive learning capabilities to such negotiating entities. The main contribution is provided by a methodology that combines several distinct strategies to build actions proposals, so that the best can be chosen at each time, depending on the context and simulation circumstances. The choosing process includes reinforcement learning algorithms, a mechanism for negotiating contexts analysis, a mechanism for the management of the efficiency/effectiveness balance of the system, and a mechanism for competitor players' profiles definition.

Adaptive Learning in Games: Defining Profiles of Competitor Players

Artificial Intelligence has been applied to dynamic games for many years. The ultimate goal is creating responses in virtual entities that display human-like reasoning in the definition of their behaviors. However, virtual entities that can be mistaken for real persons are yet very far from being fully achieved. This paper presents an adaptive learning based methodology for the definition of players’ profiles, with the purpose of supporting decisions of virtual entities. The proposed methodology is based on reinforcement learning algorithms, which are responsible for choosing, along the time, with the gathering of experience, the most appropriate from a set of different learning approaches. These learning approaches have very distinct natures, from mathematical to artificial intelligence and data analysis methodologies, so that the methodology is prepared for very distinct situations. This way it is equipped with a variety of tools that individually can be useful for each encountered situation. The proposed methodology is tested firstly on two simpler computer versus human player games: the rock-paper-scissors game, and a penalty-shootout simulation. Finally, the methodology is applied to the definition of action profiles of electricity market players; players that compete in a dynamic game-wise environment, in which the main goal is the achievement of the highest possible profits in the market.

Análise dinâmica de composições musicais

A composição musical é um tema de muito interesse para a computação evolucionária dentro da área da inteligência artificial. É uma área que tem sofrido vários desenvolvimentos ao longo dos últimos anos pois o interesse em que hajam computadores que façam obras musicais é deveras aliciante. Este trabalho tem por objectivo realizar mais um passo nesse sentido. Assim, foi desenvolvida uma aplicação informática que realiza composições musicais de dois géneros distintos: Músicas Infantis e Músicas Blues. A aplicação foi implementada com recurso aos Algoritmos Genéticos, que são os algoritmos evolucionários mais populares da área da computação evolucionária. O trabalho foi estruturado em duas fases de desenvolvimento. Na primeira fase, realizou-se um levantamento estatístico sobre as características específicas de cada um dos géneros musicais. Analisaram-se quinze músicas de cada género musical, com o intuito de se chegar a uma proporção do uso que cada nota tem em cada um dos casos. Na segunda fase, desenvolveu-se o software que compõe as músicas com implementação de um algoritmo genético. Além disso, foi também desenvolvida uma interface gráfica que permite ao utilizador a escolha do género musical que pretende compor. O algoritmo genético começa por gerar uma população inicial de potenciais soluções de acordo com a escolha do utilizador, realizando, de seguida, o ciclo que caracteriza o algoritmo genético. A população inicial é constituída por soluções que seguem as regras que foram implementadas de acordo com os dados recolhidos ao longo da primeira fase. Foi também implementada uma interface de avaliação, através da qual, o utilizador pode ouvir cada uma das músicas para posterior avaliação em termos de fitness. O estado de evolução do algoritmo é apresentado, numa segunda interface, a qual facilita a clareza e justiça na avaliação ao longo de todo o processo. Esta última apresenta informação sobre a média das fitness da geração anterior e actual, sendo assim possível ter uma noção da evolução do algoritmo, no sentido de se obterem resultados satisfatórios no que diz respeito às composições musicais.

Control and Dynamics of Fractional Order Systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

Negotiation context analysis in electricity markets

Contextualization is critical in every decision making process. Adequate responses to problems depend not only on the variables with direct influence on the outcomes, but also on a correct contextualization of the problem regarding the surrounding environment. Electricity markets are dynamic environments with increasing complexity, potentiated by the last decades' restructuring process. Dealing with the growing complexity and competitiveness in this sector brought the need for using decision support tools. A solid example is MASCEM (Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets), whose players' decisions are supported by another multiagent system – ALBidS (Adaptive Learning strategic Bidding System). ALBidS uses artificial intelligence techniques to endow market players with adaptive learning capabilities that allow them to achieve the best possible results in market negotiations. This paper studies the influence of context awareness in the decision making process of agents acting in electricity markets. A context analysis mechanism is proposed, considering important characteristics of each negotiation period, so that negotiating agents can adapt their acting strategies to different contexts. The main conclusion is that context-dependant responses improve the decision making process. Suiting actions to different contexts allows adapting the behaviour of negotiating entities to different circumstances, resulting in profitable outcomes.

Six thinking hats: A novel metalearner for intelligent decision support in electricity markets

The energy sector has suffered a significant restructuring that has increased the complexity in electricity market players' interactions. The complexity that these changes brought requires the creation of decision support tools to facilitate the study and understanding of these markets. The Multiagent Simulator of Competitive Electricity Markets (MASCEM) arose in this context, providing a simulation framework for deregulated electricity markets. The Adaptive Learning strategic Bidding System (ALBidS) is a multiagent system created to provide decision support to market negotiating players. Fully integrated with MASCEM, ALBidS considers several different strategic methodologies based on highly distinct approaches. Six Thinking Hats (STH) is a powerful technique used to look at decisions from different perspectives, forcing the thinker to move outside its usual way of thinking. This paper aims to complement the ALBidS strategies by combining them and taking advantage of their different perspectives through the use of the STH group decision technique. The combination of ALBidS' strategies is performed through the application of a genetic algorithm, resulting in an evolutionary learning approach.