Holistic Measures for Evaluating Prediction Models in Smart Grids

The performance of prediction models is often based on ``abstract metrics'' that estimate the model's ability to limit residual errors between the observed and predicted values. However, meaningful evaluation and selection of prediction models for end-user domains requires holistic and application-sensitive performance measures. Inspired by energy consumption prediction models used in the emerging ``big data'' domain of Smart Power Grids, we propose a suite of performance measures to rationally compare models along the dimensions of scale independence, reliability, volatility and cost. We include both application independent and dependent measures, the latter parameterized to allow customization by domain experts to fit their scenario. While our measures are generalizable to other domains, we offer an empirical analysis using real energy use data for three Smart Grid applications: planning, customer education and demand response, which are relevant for energy sustainability. Our results underscore the value of the proposed measures to offer a deeper insight into models' behavior and their impact on real applications, which benefit both data mining researchers and practitioners.

Adaptive Sleep-Wake Control using Reinforcement Learning in Sensor Networks

The aim in this paper is to allocate the `sleep time' of the individual sensors in an intrusion detection application so that the energy consumption from the sensors is reduced, while keeping the tracking error to a minimum. We propose two novel reinforcement learning (RL) based algorithms that attempt to minimize a certain long-run average cost objective. Both our algorithms incorporate feature-based representations to handle the curse of dimensionality associated with the underlying partially-observable Markov decision process (POMDP). Further, the feature selection scheme used in our algorithms intelligently manages the energy cost and tracking cost factors, which in turn assists the search for the optimal sleeping policy. We also extend these algorithms to a setting where the intruder's mobility model is not known by incorporating a stochastic iterative scheme for estimating the mobility model. The simulation results on a synthetic 2-d network setting are encouraging.

双套管密相气力输运过程的数值模拟和能耗分析

基于计算流体力学理论,提出一种可用于预测双套管密相气力输送系统能耗的新方法.与以往依靠经验的计算方法不同,本工作将输送管道分为起始段与充分发展段两部分,分别进行详细的计算流体力学模拟后汇总得出整个系统的总能耗.压力梯度为750 Pa/m的情况下,计算所得物料输送速率为10 t/h,耗气量为290 m~3/h,实验所得物料输送速率为8.0 t/h,耗气量240 m~3/h,证明本数模方法是可靠的.

Alternative trajectories for decarbonizing urban transportation

4 p.

Trends in Income and Price Elasticities of Transport Demand (1850-2010)

40 p.

Decarbonising urban transportation

18 p.

Sustainable IT and IT for sustainability

Energy and sustainability have become one of the most critical issues of our generation. While the abundant potential of renewable energy such as solar and wind provides a real opportunity for sustainability, their intermittency and uncertainty present a daunting operating challenge. This thesis aims to develop analytical models, deployable algorithms, and real systems to enable efficient integration of renewable energy into complex distributed systems with limited information.

The first thrust of the thesis is to make IT systems more sustainable by facilitating the integration of renewable energy into these systems. IT represents the fastest growing sectors in energy usage and greenhouse gas pollution. Over the last decade there are dramatic improvements in the energy efficiency of IT systems, but the efficiency improvements do not necessarily lead to reduction in energy consumption because more servers are demanded. Further, little effort has been put in making IT more sustainable, and most of the improvements are from improved "engineering" rather than improved "algorithms". In contrast, my work focuses on developing algorithms with rigorous theoretical analysis that improve the sustainability of IT. In particular, this thesis seeks to exploit the flexibilities of cloud workloads both (i) in time by scheduling delay-tolerant workloads and (ii) in space by routing requests to geographically diverse data centers. These opportunities allow data centers to adaptively respond to renewable availability, varying cooling efficiency, and fluctuating energy prices, while still meeting performance requirements. The design of the enabling algorithms is however very challenging because of limited information, non-smooth objective functions and the need for distributed control. Novel distributed algorithms are developed with theoretically provable guarantees to enable the "follow the renewables" routing. Moving from theory to practice, I helped HP design and implement industry's first Net-zero Energy Data Center.

The second thrust of this thesis is to use IT systems to improve the sustainability and efficiency of our energy infrastructure through data center demand response. The main challenges as we integrate more renewable sources to the existing power grid come from the fluctuation and unpredictability of renewable generation. Although energy storage and reserves can potentially solve the issues, they are very costly. One promising alternative is to make the cloud data centers demand responsive. The potential of such an approach is huge.

To realize this potential, we need adaptive and distributed control of cloud data centers and new electricity market designs for distributed electricity resources. My work is progressing in both directions. In particular, I have designed online algorithms with theoretically guaranteed performance for data center operators to deal with uncertainties under popular demand response programs. Based on local control rules of customers, I have further designed new pricing schemes for demand response to align the interests of customers, utility companies, and the society to improve social welfare.

Redução do uso e do consumo de açúcar por merendeiras de escolas públicas : ensaio randomizado por conglomerado

O Brasil é um dos maiores consumidores per capita de açúcar e estudos têm mostrado um papel específico do consumo excessivo de açúcar no ganho de peso. Com o aumento do ganho de peso observado em vários países, e também no Brasil, é importante testar quais mensagens, estratégias e propostas de intervenção seriam eficazes na prevenção dessa epidemia. Os dados reportados são referentes a um ensaio randomizado por conglomerado, controlado, conduzido em 20 escolas municipais na cidade metropolitana de Niterói no Estado de Rio de Janeiro, de março a dezembro de 2007, que testou a eficácia de orientações para merendeiras objetivando reduzir a disponibilidade de açúcar e de alimentos fontes de açúcar na alimentação escolar e no consumo delas. A intervenção consistiu em um programa de educação nutricional nas escolas usando mensagens, atividades e material educativo que encorajassem a redução da adição de açúcar na alimentação escolar pelas merendeiras e no consumo delas. A redução da disponibilidade per capita de açúcar pelas escolas foi analisada através de planilhas com dados da utilização dos itens do estoque. O consumo individual das merendeiras foi avaliado através de questionário de freqüência de consumo alimentar. As medidas antropométricas e bioquímicas foram realizadas de acordo com técnicas padronizadas. As escolas de intervenção apresentaram maior redução da disponibilidade per capita de açúcar quando comparadas às escolas controle (-6,0 kg vs. 3,4 kg), mas sem diferença estatisticamente significante. Houve redução no consumo de doces e bebidas açucaradas nas merendeiras dos dois grupos, mas o consumo de açúcar não apresentou diferenças estatisticamente significativas entre eles. Houve redução do consumo de energia total nos dois grupos, mas sem diferença entre eles, e sem modificação dos percentuais de adequação dos macronutrientes em relação ao consumo de energia. Ao final do estudo somente as merendeiras do grupo de intervenção conseguiram manter a perda de peso, porém sem diferença estatisticamente significante. A estratégia de redução da disponibilidade e do consumo de açúcar por merendeiras de escolas públicas não atingiu o principal objetivo de redução de adição de açúcar. Uma análise secundária dos dados avaliou a associação entre a auto-percepção da saúde e da qualidade da alimentação com o excesso de peso e concentração elevada de colesterol sérico das merendeiras na linha de base. As perguntas de auto-percepção foram coletadas por entrevista. Dentre as que consideraram a sua alimentação como saudável, 40% apresentavam colesterol elevado e 61% apresentavam excesso de peso vs. 68% e 74%, respectivamente, para as que consideraram a sua alimentação como não-saudável. Dentre as que consideraram a sua saúde como boa, 41% apresentavam colesterol elevado e 59% apresentavam excesso de peso vs. 71% e 81%, respectivamente, para as que consideraram a sua saúde como ruim. A maioria das mulheres que relatou ter alimentação saudável apresentou maior frequência de consumo de frutas, verduras e legumes, feijão, leite e derivados e menor freqüência de consumo de refrigerante. Conclui-se que perguntas únicas e simples como as utilizadas para a auto-avaliação da saúde podem também ter importância na avaliação da alimentação.

Aplicação da técnica de eletrofloculação utilizando corrente alternada de frequência variável no tratamento de água de produção da indústria do petróleo

O principal objetivo da tese está relacionado ao tratamento de águas oleosas através da eletrofloculação utilizando corrente alternada de frequência variável, o qual procurou explorar as potencialidades desta técnica. Com a crescente demanda por petróleo e seus derivados, é cada vez maior a produção dessas águas residuárias que, antes de serem descartadas, precisam ser submetidas a tratamento que satisfaçam aos requisitos legais. O trabalho apresentado descreve o levantamento bibliográfico e os resultados dos ensaios realizados, empregando o tratamento de eletrofloculação com a finalidade de remover as substâncias consideradas poluentes presentes nestes efluentes. O processo de eletrofloculação foi testado tanto para o tratamento em corrente continua quanto em corrente alternada de frequência variável em efluentes sintéticos e reais de alta salinidade, contendo teores elevados de óleos e graxas, turbidez e cor. Eficiências de redução de 99% para óleos e graxas, cor e turbidez foram obtidos utilizando eletrodos de alumínio. O processo de eletrofloculação demonstrou-se bastante vantajoso em função da alta condutividade que permite o tratamento com menor consumo energético. A tecnologia de eletrofloculação com corrente alternada quando comparada com a tecnologia de corrente contínua se mostrou muito eficiente em relação a economia no desgaste de massa de eletrodos, o que, dependendo do tempo de aplicação da corrente elétrica nas mesmas condições de estudo, houve redução de mais da metade do consumo.

Fundamentos da exploração de petróleo e gás natural e análise geoeconômica da matriz energética brasileira atual e projeções futuras

A análise da matriz energética mundial, assim como a brasileira, nos mostra que o gás natural representará em breve um importante insumo energético favorecendo a balança de pagamentos nacional, visto que o gás poderá ser usado tanto para consumo interno, quanto para exportação. O aumento das reservas nacionais de hidrocarbonetos se deve ao desenvolvimento de tecnologias, que favoreceram o conhecimento das bacias brasileiras quanto ao seu potencial produtor de combustíveis fósseis, permitindo a descoberta de novas jazidas. O amadurecimento do mercado nacional quanto ao consumo de gás natural passa pela construção de uma infraestrutura robusta, eficiente e que possibilite a captação, o armazenamento e distribuição do mesmo. O Brasil tem todos os requisitos necessários para adentrar ao seleto grupo de países exportadores de hidrocarbonetos, a descoberta do Pré-sal tende a incrementar a importância do gás natural para o país. Ao final do trabalho são descritos cenários futuros (quanto o consumo de energéticos), onde se vê que o consumo de energia para os próximos anos crescerá a taxas superiores as das duas últimas décadas. Análise destes cenários permite antecipar o interesse de futuros investimentos no desenvolvimento do conhecimento geológico para áreas promissoras.

Distributed Load Control in Multiphase Radial Networks

The current power grid is on the cusp of modernization due to the emergence of distributed generation and controllable loads, as well as renewable energy. On one hand, distributed and renewable generation is volatile and difficult to dispatch. On the other hand, controllable loads provide significant potential for compensating for the uncertainties. In a future grid where there are thousands or millions of controllable loads and a large portion of the generation comes from volatile sources like wind and solar, distributed control that shifts or reduces the power consumption of electric loads in a reliable and economic way would be highly valuable.

Load control needs to be conducted with network awareness. Otherwise, voltage violations and overloading of circuit devices are likely. To model these effects, network power flows and voltages have to be considered explicitly. However, the physical laws that determine power flows and voltages are nonlinear. Furthermore, while distributed generation and controllable loads are mostly located in distribution networks that are multiphase and radial, most of the power flow studies focus on single-phase networks.

This thesis focuses on distributed load control in multiphase radial distribution networks. In particular, we first study distributed load control without considering network constraints, and then consider network-aware distributed load control.

Distributed implementation of load control is the main challenge if network constraints can be ignored. In this case, we first ignore the uncertainties in renewable generation and load arrivals, and propose a distributed load control algorithm, Algorithm 1, that optimally schedules the deferrable loads to shape the net electricity demand. Deferrable loads refer to loads whose total energy consumption is fixed, but energy usage can be shifted over time in response to network conditions. Algorithm 1 is a distributed gradient decent algorithm, and empirically converges to optimal deferrable load schedules within 15 iterations.

We then extend Algorithm 1 to a real-time setup where deferrable loads arrive over time, and only imprecise predictions about future renewable generation and load are available at the time of decision making. The real-time algorithm Algorithm 2 is based on model-predictive control: Algorithm 2 uses updated predictions on renewable generation as the true values, and computes a pseudo load to simulate future deferrable load. The pseudo load consumes 0 power at the current time step, and its total energy consumption equals the expectation of future deferrable load total energy request.

Network constraints, e.g., transformer loading constraints and voltage regulation constraints, bring significant challenge to the load control problem since power flows and voltages are governed by nonlinear physical laws. Remarkably, distribution networks are usually multiphase and radial. Two approaches are explored to overcome this challenge: one based on convex relaxation and the other that seeks a locally optimal load schedule.

To explore the convex relaxation approach, a novel but equivalent power flow model, the branch flow model, is developed, and a semidefinite programming relaxation, called BFM-SDP, is obtained using the branch flow model. BFM-SDP is mathematically equivalent to a standard convex relaxation proposed in the literature, but numerically is much more stable. Empirical studies show that BFM-SDP is numerically exact for the IEEE 13-, 34-, 37-, 123-bus networks and a real-world 2065-bus network, while the standard convex relaxation is numerically exact for only two of these networks.

Theoretical guarantees on the exactness of convex relaxations are provided for two types of networks: single-phase radial alternative-current (AC) networks, and single-phase mesh direct-current (DC) networks. In particular, for single-phase radial AC networks, we prove that a second-order cone program (SOCP) relaxation is exact if voltage upper bounds are not binding; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact. For single-phase mesh DC networks, we prove that an SOCP relaxation is exact if 1) voltage upper bounds are not binding, or 2) voltage upper bounds are uniform and power injection lower bounds are strictly negative; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact.

To seek a locally optimal load schedule, a distributed gradient-decent algorithm, Algorithm 9, is proposed. The suboptimality gap of the algorithm is rigorously characterized and close to 0 for practical networks. Furthermore, unlike the convex relaxation approach, Algorithm 9 ensures a feasible solution. The gradients used in Algorithm 9 are estimated based on a linear approximation of the power flow, which is derived with the following assumptions: 1) line losses are negligible; and 2) voltages are reasonably balanced. Both assumptions are satisfied in practical distribution networks. Empirical results show that Algorithm 9 obtains 70+ times speed up over the convex relaxation approach, at the cost of a suboptimality within numerical precision.

Fraccionamiento del licor gastado en pasteado al sulfito ácido mediante ultrafiltración

Lignosulphonates (LS) and fermentable sugars are the main components of spent sulphite liquors (SSL) produced in acid sulphite pulping. In spite of different methods have been used for spent liquor fractionation such as precipitation or vaporization; membrane technology allows the separation of these components from the SSL due to their different size molecular weight, offering great advantages with regards to the traditionally methods (less energy consumption, high selective separation, and many others). In the present study, ceramic membranes with different cut-offs (15 kDa, 5 kDa and 1 kDa) were used to achieve the sugar purification and the LS concentration. The membranes were evaluated according to their efficacy and efficiency properties. Different series system were tested in order to improve the aptitudes of a singular membrane. The system with the three membranes in series (15, 5 and 1 kDa respectively) obtained the most purified permeate stream, referred to the sugar content. Also, a characterisation of the LS contained in the different streams produced in this system was carried out in order to know in a more precise manner the valorisation potential of these components by means of biorefinery processes.

Relógios biológicos e padrões de alimentação em camundongos normais e com sobrepeso

A saudável interação entre o indivíduo e o meio depende do alinhamento entre a dinâmica fisiológica do primeiro e os periódicos movimentos da natureza. A interação entre tais ritmos por sua vez constitui-se em base e derivação do processo de evolução. O comprometimento de tal alinhamento representa um risco para a sobrevivência das espécies. Neste contexto, os organismos alinham seus ritmos fisiológicos a diferentes ciclos externos. Desta forma, ciclos endógenos são coordenados por relógios biológicos que determinam em nosso organismo, específicos ritmos em fase com a natureza, tais como ritmos circadianos (RC), cujo período aproxima-se de 24 horas. O peso corporal, a ingestão de alimentos e o consumo de energia são processos caracterizados pelo RC e a obesidade está associada a uma dessincronização deste processo. A modulação do RC é resultado da expressão dos clock gens CLOCK e BMAL1 que formam um heterodímero responsável pela transcrição gênica de Per1, Per2, Per3, Cry1 e Cry2. As proteínas codificadas por estes genes, uma vez sintetizadas, formam dímeros (PER-CRY) no citoplasma que, a partir de determinada concentração, retornam ao núcleo, bloqueando a ação do heterodímero CLOCK/BMAL1 na transcrição dos próprios genes, formando assim uma alça de retroalimentação negativa de transcrição e tradução. Estes genes asseguram a periodicidade e são significativamente expressos no núcleo supraquiasmático (SCN) do hipotálamo. Para estudar esse processo em camundongos normais e hiperalimentados, saciados e em estado de fome, foi utilizado um método de registro do comportamento alimentar baseado no som produzido pela alimentação dos animais, e a correlação destes estados metabólicos com a expressão de CLOCK, BMAL1, Per1, Per2, Per3, bem como das proteínas Cry1 e Cry2 no SCN, por análise de imagens obtidas em microscopia confocal. Camundongos suíços controle em estado de fome (CF) e saciados (CS) foram comparados com animais hiperalimentados com fome (HF) e saciados (HS). Nenhum grupo demonstrou diferença nos conteúdos CLOCK e BMAL1, indicando capacidade potencial para modular os ritmos biológicos. No entanto, as proteínas Per1, Per2, Per3 e Cry1 apresentaram menor expressão no grupo CS, mostrando uma diferença significativa quando comparados com o grupo CF (P<0,05), diferença esta não encontrada na comparação entre os grupos HF e HS. A quantidade de proteína Cry2 não foi diferente na mesma comparação. Os resultados do estudo indicaram que as alterações dos ritmos endógenos e exógenos, refletido pelo comportamento hiperfágico observado em camundongos hiperalimentados, pode ser devido a um defeito no mecanismo de feedback negativo associado ao dímero Cry-Per, que não bloqueia a transcrição de Per1 Per2, Per3 e Cry1 pelo heterodímero CLOCK-BMAL1.

Análise da viabilidade de aplicações de monitoramento e controle utilizando redes acústicas submarinas.

A acústica submarina vem sendo estudada por décadas, mas redes submarinas com transmissão acústica e protocolos específicos para a comunicação neste meio são campos de pesquisa que estão iniciando. Recentemente alguns simuladores, baseados no NS-2, foram desenvolvidos para o estudo destas redes. Este trabalho avalia através de simulações a viabilidade de aplicações genéricas de monitoramento e controle em redes acústicas submarinas. São propostas e utilizadas três topologias básicas para redes acústicas submarinas: linha, quadro e cubo e dois protocolos MAC: Broadcast e R-MAC. Em nossas análises comparamos esses dois protocolos em relação ao consumo total de energia e o atraso total na rede. Os resultados mostram que essas topologias associadas aos protocolos MAC atendem as necessidades e as peculiaridades da grande maioria das aplicações de monitoramento e controle que utilizam redes acústicas submarinas. O objetivo deste estudo não foi determinar qual a melhor topologia ou o melhor tipo de protocolo de acesso ao meio, mais sim determinar qual a configuração de rede mais indicada para determinada aplicação levando em consideração as características da cada uma delas.

Coprocessador para operações quânticas.

A demanda crescente por poder computacional estimulou a pesquisa e desenvolvimento de processadores digitais cada vez mais densos em termos de transistores e com clock mais rápido, porém não podendo desconsiderar aspectos limitantes como consumo, dissipação de calor, complexidade fabril e valor comercial. Em outra linha de tratamento da informação, está a computação quântica, que tem como repositório elementar de armazenamento a versão quântica do bit, o q-bit ou quantum bit, guardando a superposição de dois estados, diferentemente do bit clássico, o qual registra apenas um dos estados. Simuladores quânticos, executáveis em computadores convencionais, possibilitam a execução de algoritmos quânticos mas, devido ao fato de serem produtos de software, estão sujeitos à redução de desempenho em razão do modelo computacional e limitações de memória. Esta Dissertação trata de uma versão implementável em hardware de um coprocessador para simulação de operações quânticas, utilizando uma arquitetura dedicada à aplicação, com possibilidade de explorar o paralelismo por replicação de componentes e pipeline. A arquitetura inclui uma memória de estado quântico, na qual são armazenados os estados individuais e grupais dos q-bits; uma memória de rascunho, onde serão armazenados os operadores quânticos para dois ou mais q-bits construídos em tempo de execução; uma unidade de cálculo, responsável pela execução de produtos de números complexos, base dos produtos tensoriais e matriciais necessários à execução das operações quânticas; uma unidade de medição, necessária à determinação do estado quântico da máquina; e, uma unidade de controle, que permite controlar a operação correta dos componente da via de dados, utilizando um microprograma e alguns outros componentes auxiliares.