Distributed Control and Optimization for Communication and Power Systems

We are at the cusp of a historic transformation of both communication system and electricity system. This creates challenges as well as opportunities for the study of networked systems. Problems of these systems typically involve a huge number of end points that require intelligent coordination in a distributed manner. In this thesis, we develop models, theories, and scalable distributed optimization and control algorithms to overcome these challenges.

This thesis focuses on two specific areas: multi-path TCP (Transmission Control Protocol) and electricity distribution system operation and control. Multi-path TCP (MP-TCP) is a TCP extension that allows a single data stream to be split across multiple paths. MP-TCP has the potential to greatly improve reliability as well as efficiency of communication devices. We propose a fluid model for a large class of MP-TCP algorithms and identify design criteria that guarantee the existence, uniqueness, and stability of system equilibrium. We clarify how algorithm parameters impact TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation and demonstrate an inevitable tradeoff among these properties. We discuss the implications of these properties on the behavior of existing algorithms and motivate a new algorithm Balia (balanced linked adaptation) which generalizes existing algorithms and strikes a good balance among TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation. We have implemented Balia in the Linux kernel. We use our prototype to compare the new proposed algorithm Balia with existing MP-TCP algorithms.

Our second focus is on designing computationally efficient algorithms for electricity distribution system operation and control. First, we develop efficient algorithms for feeder reconfiguration in distribution networks. The feeder reconfiguration problem chooses the on/off status of the switches in a distribution network in order to minimize a certain cost such as power loss. It is a mixed integer nonlinear program and hence hard to solve. We propose a heuristic algorithm that is based on the recently developed convex relaxation of the optimal power flow problem. The algorithm is efficient and can successfully computes an optimal configuration on all networks that we have tested. Moreover we prove that the algorithm solves the feeder reconfiguration problem optimally under certain conditions. We also propose a more efficient algorithm and it incurs a loss in optimality of less than 3% on the test networks.

Second, we develop efficient distributed algorithms that solve the optimal power flow (OPF) problem on distribution networks. The OPF problem determines a network operating point that minimizes a certain objective such as generation cost or power loss. Traditionally OPF is solved in a centralized manner. With increasing penetration of volatile renewable energy resources in distribution systems, we need faster and distributed solutions for real-time feedback control. This is difficult because power flow equations are nonlinear and kirchhoff's law is global. We propose solutions for both balanced and unbalanced radial distribution networks. They exploit recent results that suggest solving for a globally optimal solution of OPF over a radial network through a second-order cone program (SOCP) or semi-definite program (SDP) relaxation. Our distributed algorithms are based on the alternating direction method of multiplier (ADMM), but unlike standard ADMM-based distributed OPF algorithms that require solving optimization subproblems using iterative methods, the proposed solutions exploit the problem structure that greatly reduce the computation time. Specifically, for balanced networks, our decomposition allows us to derive closed form solutions for these subproblems and it speeds up the convergence by 1000x times in simulations. For unbalanced networks, the subproblems reduce to either closed form solutions or eigenvalue problems whose size remains constant as the network scales up and computation time is reduced by 100x compared with iterative methods.

Mutagênese ambiental: estabelecimento de valores de referência para manguezais da Baía de Ilha Grande

Estudos ambientais têm demonstrado que substâncias geradas por processos antropogênicos podem causar efeitos prejudiciais interferindo no equilíbrio natural do ecossistema. Manguezais exercem funções essenciais nos ciclos biológicos e constituem Área de Proteção Permanente no Brasil. Infelizmente, eles estão sendo degradados acima do seu limite de suporte, levando a uma redução das áreas remanescentes no mundo. Este trabalho apresenta os resultados de mutagenicidade e genotoxicidade observados em quatro amostragens (PI, V, O e PII) entre 2009 e 2010, relacionados com metais e hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) em sedimento de mangue para a caracterização dos valores de referência. Os testes de genotoxicidade foram feitos a partir de hemócitos do caranguejo Goniopsis cruentata, coletados em um ecossistema potencialmente não poluído do Brasil, localizado no sul do Rio de Janeiro (Parati/RJ), chamado de "Saco do Mamanguá". Coleta, armazenamento e manipulação dos sedimentos e material biológico de cinco pontos de amostragem (M1- M5) foram processados de acordo com normas norte-americanas reconhecidas. A identificação das substâncias químicas foi realizada com extratos de sedimentos e utilizada no bioensaio Salmonella/microssoma (Kado). A avaliação de potenciais danos genotóxicos estabelecidos foi realizada através do Teste de Micronúcleo, que apresentou valores significativos na amostra V. Resultados negativos foram observados para as cepas de Salmonella typhimurium TA97, TA98, TA100 e TA102, tanto na ausência quanto na presença de fração de metabolização exógena de mamíferos (S9 mix 4%) em todas as análises. A quantificação por cromatografia gasosa com detecção por espectrometria de massas dos 16 HPA prioritários em termos de conservação ambiental apresentou valores baixos nas duas primeiras amostragens (PI e V) e nulos nas coletas seguintes (O e PII), nos mesmos pontos. De acordo com os valores utilizados nos Estados Unidos e Canadá como referência, os detectados por nós não são considerados como toxicantes ambientais positivos, com exceção do Benzo(a)pireno, que em M1V apresentou valores um pouco acima do limite a partir do qual já podem ser observados pequenos efeitos na biota. A análise dos metais (Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn) por Espectrometria de Absorção Atômica inicialmente realizada com a água intersticial foi melhor interpretada a partir da matriz sedimento. Este estudo contribuirá com a implementação de indicadores para valores de referência em mangue.

Global and local challenges for best practices in assessment. The 9th Conference on the International Test Commission. Book of abstracts

The 9th International Test Commission Conference (ITC) took place at the Miramar Palace in San Sebastian, Spain, between the 2nd and 5th of July, 2014. The Conference was titled, “Global and Local Challenges for Best Practices in Assessment.” The International Test Commission, ITC (www.intestcom.org), is an association of national psychological associations, test commissions, publishers, and other organizations, as well as individuals who are committed to the promotion of effective testing and assessment policies and to the proper development, evaluation, and uses of educational and psychological instruments. The ITC facilitates the exchange of information among members and stimulates their cooperation on problems related to the construction, distribution, and uses of psychological and educational tests and other psychodiagnostic tools. This volume contains the abstracts of the contributions presented at the 9th International Test Commission Conference. The four themes of the Conference were closely linked to the goals of the ITC: - Challenges and Opportunities in International Assessment. - Application of New Technoloogies and New Psychometric Models in Testing. - Standards and Guidelines for Best Testing Practices. - Testing in Multilingual and Multicultural Contexts.

Alteração do ciclo menstrual na adolescência: manifestação precoce da Síndrome Metabólica?

Na última década, surgiram evidências de que a Síndrome Metabólica (SM), relatada de forma crescente entre adolescentes, tem início na vida intrauterina e seus sinais e sintomas já estão presentes na adolescência, porém, ainda faltam critérios diagnósticos específicos para essa faixa etária. O ciclo menstrual representa o resultado do funcionamento normal não apenas do eixo Hipotálamo-Hipófise-Ovário (HHO), do útero e do aparelho genital, mas também, do equilíbrio metabólico do organismo. Alterações no ciclo menstrual podem representar sinais de desequilíbrio e anormalidade. A SM está também relacionada à Síndrome dos Ovários Policísticos (SOP), disfunção ovariana caracterizada por oligoanovulação, hiperandrogenismo e/ou ovários policísticos. A resistência à insulina (RI) tem um papel central na fisiopatologia e na inter-relação dos componentes tanto da SM como também da SOP. A RI é compensada pelo aumento da produção de insulina pelas células beta pancreáticas, e essa hiperinsulinemia compensatória tem conseqüências no endotélio, nos fatores inflamatórios, no metabolismo glicídico e lipídico, além de afetar o ciclo menstrual pelo estímulo da androgênese ovariana, suprimindo a SHBG e possivelmente alterando o padrão da secreção pulsátil do GnRH. Estas alterações menstruais podem apresentar-se de forma precoce, antes das alterações metabólicas da RI, portanto, a avaliação atenta do padrão menstrual de adolescentes pode representar um valioso sinal que alerta para o risco metabólico e cardiovascular. Avaliamos o comportamento de parâmetros da Síndrome Metabólica e sua relação com o ciclo menstrual em adolescentes através de um estudo observacional transversal com 59 adolescentes do sexo feminino entre 12 e 19 anos e presença de pelo menos um dos seguintes fatores de risco para SM: Sobrepeso - Obesidade - Acantose Nigricans. Todas as adolescentes foram submetidas a uma avaliação clínica com levantamento de dados antropométricos, e laboratoriais composta de: Glicose de Jejum, Colesterol Total, HDL-Colesterol, Triglicerídeos, Teste Oral de Tolerância a Glicose (Glicose 120), Insulina pré (insulina jejum), pós TOTG (insulina 120), Folículo-Estimulante (FSH), Hormônio Luteinizante (LH), Testosterona Total (TT), Androstenediona, Foram criados 2 grupos:G-1- adolescentes com ciclos irregulares, e G-2- adolescentes com ciclos regulares. Das 59 adolescentes avaliadas, 36 formaram o G-1, e 23 o G-2. A média da idade ginecológica foi de 4,5 anos e da menarca 11,3 anos. Na análise estatística das diferenças nas variáveis clínicas e laboratoriais entre os grupos, observou-se que o G-1 apresentou: Cintura (p=0,026), Insulina de jejum (p=0,001), Glicose 120 (p=0,002), insulina 120 (p=0,0001), HOMA-IR (p=0,0008), Triglicerídeos (p=0,013), SM (p<0,0001) e SOP (p<0,0001) significativamente maiores e QUICK (p=0,008), G/I (p=0,002), HDL (p=0,001) significativamente menores que o G-2. (88,8% das adolescentes com ciclos irregulares no ultimo ano apresentavam irregularidade desde a menarca. Estes resultados demonstram uma associação significativa entre a irregularidade menstrual, RI, SM e SOP na população estudada. Todas as adolescentes com diagnóstico de SM apresentavam irregularidade desde a menarca e destas, 93,5% tiveram o diagnóstico de SOP. O nosso estudo chama a atenção para o comportamento do ciclo menstrual na adolescência em relação aos riscos cardiovasculares e metabólicos, sinalizando assim que outros estudos precisam ser desenvolvidos nesta população.

Construcción de una aplicación basada en modelos para la generación de guías de test integrados en la plataforma de ejecución de guías de práctica clínica AIDE-GTP

Este proyecto trata de abordar las transformaciones entre diferentes estándares para Test Informatizados, de manera automática, gracias a la Ingeniería dirigida por Modelos (MDE - Model Driven Engineer), para así obtener un estándar capaz de formar parte en una plataforma de ejecución de Guías de Práctica Clínica. Esto se consigue mediante la generación automática de Guías de Test, partiendo de Test Informatizados en los formatos estándar Aiken y Gift.

Elektrioestimulazioak eskaladako test espezifikoetan duen eragina ikusteko Oñatiko eskalatzaileekin eginiko interbentzioa

Elektroestimulazioak eskaladako test espezifikoetan duen eragina ikusteko, maila ezberdineko Oñatiko bederatzi eskalatzaileri egindako interbentzioa da.

Análisis de la mejora en el rendimiento en el test de 20 minutos en diez remeros de élite

En el siguiente estudio se analiza, mediante el test de 20 minutos, la mejora en el rendimiento de diez remeros pertenecientes a un club de elite. Estos sujetos, se sometieron a dos test en diferentes fechas de la temporada. Se hizo una comparación entre ambas pruebas. Las variables analizadas en esa comparación y que muestran la evolución de los deportistas son las siguientes: wattios, ritmo y frecuencia cardiaca. Analizando los wattios se calculó la potencia obtenida durante todo el test, con el ritmo nos referimos a las paladas por minuto y mirando la frecuencia cardiaca pudimos obtener dos indicadores: cuál es el porcentaje de la frecuencia cardiaca máxima con la que cada deportista realizó la prueba y en qué medida recuperaba cada sujeto.

Análisis de la percepción de la fatiga en test de fuerza-resistencia; comparación entre elementos elásticos y carga fija.

Al inicio del plan de tutorización que se ha llevado a cabo durante el presente curso 2014-2015, la idea que plantee, se relacionaba con aspectos del ámbito del entrenamiento de la actividad física, y más concretamente con el entrenamiento personal o personal coaching. Esta primera propuesta, debatida en las primeras reuniones con el tutor, fue descartada, y a posteriori, inicie un proceso de reflexión conjuntamente y bajo las directrices del tutor del trabajo, en el ámbito de la especificidad del trabajo de fuerza. Este trabajo de reflexión concluyó en la primera etapa del proceso de tutorización con la propuesta de un título provisional en relación al análisis comparado en los ejercicios de tracción con elementos elásticos y con carga fija, título inicial, que ha prefijado la estrategia del trabajo de fin de grado