Monitoring morphisms to support sustainable interoperability of enterprise systems

Dissertation to obtain the Master degree in Electrical Engineering and Computer Science

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Matrix fractional systems

This paper addresses the matrix representation of dynamical systems in the perspective of fractional calculus. Fractional elements and fractional systems are interpreted under the light of the classical Cole–Cole, Davidson–Cole, and Havriliak–Negami heuristic models. Numerical simulations for an electrical circuit enlighten the results for matrix based models and high fractional orders. The conclusions clarify the distinction between fractional elements and fractional systems.

Visualizing control systems performance: A fractional perspective

This article presents a novel method for visualizing the control systems behavior. The proposed scheme uses the tools of fractional calculus and computes the signals propagating within the system structure as a time/frequency-space wave. Linear and nonlinear closed-loop control systems are analyzed, for both the time and frequency responses, under the action of a reference step input signal. Several nonlinearities, namely, Coulomb friction and backlash, are also tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed methodology as a visualization tool and motivate its extension for other systems and classes of nonlinearities.

A rule-based grapheme-to-phone converter for TTS systems in european portuguese

In this paper, a linguistically rule-based grapheme-to-phone (G2P) transcription algorithm is described for European Portuguese. A complete set of phonological and phonetic transcription rules regarding the European Portuguese standard variety is presented. This algorithm was implemented and tested by using online newspaper articles. The obtained experimental results gave rise to 98.80% of accuracy rate. Future developments in order to increase this value are foreseen. Our purpose with this work is to develop a module/ tool that can improve synthetic speech naturalness in European Portuguese. Other applications of this system can be expected like language teaching/learning. These results, together with our perspectives of future improvements, have proved the dramatic importance of linguistic knowledge on the development of Text-to-Speech systems (TTS).

Homograph ambiguity resolution in front-end design for portuguese TTS systems

In this paper, a module for homograph disambiguation in Portuguese Text-to-Speech (TTS) is proposed. This module works with a part-of-speech (POS) parser, used to disambiguate homographs that belong to different parts-of-speech, and a semantic analyzer, used to disambiguate homographs which belong to the same part-of-speech. The proposed algorithms are meant to solve a significant part of homograph ambiguity in European Portuguese (EP) (106 homograph pairs so far). This system is ready to be integrated in a Letter-to-Sound (LTS) converter. The algorithms were trained and tested with different corpora. The obtained experimental results gave rise to 97.8% of accuracy rate. This methodology is also valid for Brazilian Portuguese (BP), since 95 homographs pairs are exactly the same as in EP. A comparison with a probabilistic approach was also done and results were discussed.

Automatic syllabification for danish text-to-speech systems

In this paper, a rule-based automatic syllabifier for Danish is described using the Maximal Onset Principle. Prior success rates of rule-based methods applied to Portuguese and Catalan syllabification modules were on the basis of this work. The system was implemented and tested using a very small set of rules. The results gave rise to 96.9% and 98.7% of word accuracy rate, contrary to our initial expectations, being Danish a language with a complex syllabic structure and thus difficult to be rule-driven. Comparison with data-driven syllabification system using artificial neural networks showed a higher accuracy rate of the former system.

Interpretative research in information systems: two qualitative research design projects

In a scientific research project is important to define the underlying philosophical orientation of the project, because this will influence the choices made in respect of scientific methods used, as well as the way they will be applied. It is crucial, therefore, that the philosophy and research design strategy are consistent with each other. These questions become even more relevant in qualitative research. Historically, the interpretive research philosophy is more associated to the scientific areas of social sciences and humanities where the subjectivity inherent to human intervention is more explicitly defined. Information systems field are, primarily, trapped in computer science field, though it also integrates issues related with management and organizations field. This shift from a purely technological guidance for the consideration of the problems of management and organizations has fostered the rise of research projects according to the interpretive philosophy and using qualitative methods. This paper explores the importance of alignment between the epistemological orientation and research design strategy, in qualitative research projects. As a result, it is presented two PhD projects, with different research design strategies, that are being developed in the technology and information systems field, in the light of the interpretive paradigm.

Development of advanced human robot interaction systems

O trabalho aqui apresentado é a Dissertação da minha Tese do curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do ISEP, realizada em parceria com o INESC TEC. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema avançado de interação entre homem-robô, usando ferramentas de software livres e de domínio público e hardware pouco dispendioso e facilmente acessível. Pretende-se que o sistema desenvolvido possa ser adotado por pequenas ou micro empresas, daí a restrição monetária. Este tipo de empresas tem, por norma, uma capacidade de investimento pequena, e ficam impossibilitadas de aceder a este tipo de sistemas automatizados se estes forem caros. No entanto, o robô continua a ser um componente fundamental, sendo dispendioso. Os trabalhos realizados pelos sistemas robóticos podem por um lado, ser repetitivos sem necessidade de grandes ajustes; por outro lado, o trabalho a realizar pode ser bastante diverso, sendo necessários bastantes ajustes com (possivelmente) programação do robô. As empresas podem não ter disponível mão-de-obra qualificada para realização da programação do robô. Pretende-se então um sistema de “ensino” que seja simples e rápido. Este trabalho pretende satisfazer as necessidades de um sistema de interação homem-robô intuitivo mesmo para operadores que não estejam familiarizados com a robótica. Para simplificar a transferência de informação da tarefa a desempenhar pelo sistema robótico é usado um sistema de infravermelhos para delinear a operação a desempenhar, neste caso concreto uma operação de soldadura. O operador usa um apontador com marcadores, a posição destes marcadores é detetada usando duas câmaras para permitir o posicionamento tridimensional no espaço. As câmaras possuem filtros infravermelhos para separar o espectro de luz. Para o controlo do sistema e interface com o robô é usado um computador de baixos recursos computacionais e energéticos, e também de baixo custo. O sistema desenvolvido é portanto computacionalmente leve para poder ser executado neste computador.

Scalable Intelligence for Scheduling Systems

A personalização é um aspeto chave de uma interação homem-computador efetiva. Numa era em que existe uma abundância de informação e tantas pessoas a interagir com ela, de muitas maneiras, a capacidade de se ajustar aos seus utilizadores é crucial para qualquer sistema moderno. A criação de sistemas adaptáveis é um domínio bastante complexo que necessita de métodos muito específicos para ter sucesso. No entanto, nos dias de hoje ainda não existe um modelo ou arquitetura padrão para usar nos sistemas adaptativos modernos. A principal motivação desta tese é a proposta de uma arquitetura para modelação do utilizador que seja capaz de incorporar diferentes módulos necessários para criar um sistema com inteligência escalável com técnicas de modelação. Os módulos cooperam de forma a analisar os utilizadores e caracterizar o seu comportamento, usando essa informação para fornecer uma experiência de sistema customizada que irá aumentar não só a usabilidade do sistema mas também a produtividade e conhecimento do utilizador. A arquitetura proposta é constituída por três componentes: uma unidade de informação do utilizador, uma estrutura matemática capaz de classificar os utilizadores e a técnica a usar quando se adapta o conteúdo. A unidade de informação do utilizador é responsável por conhecer os vários tipos de indivíduos que podem usar o sistema, por capturar cada detalhe de interações relevantes entre si e os seus utilizadores e também contém a base de dados que guarda essa informação. A estrutura matemática é o classificador de utilizadores, e tem como tarefa a sua análise e classificação num de três perfis: iniciado, intermédio ou avançado. Tanto as redes de Bayes como as neuronais são utilizadas, e uma explicação de como as preparar e treinar para lidar com a informação do utilizador é apresentada. Com o perfil do utilizador definido torna-se necessária uma técnica para adaptar o conteúdo do sistema. Nesta proposta, uma abordagem de iniciativa mista é apresentada tendo como base a liberdade de tanto o utilizador como o sistema controlarem a comunicação entre si. A arquitetura proposta foi desenvolvida como parte integrante do projeto ADSyS - um sistema de escalonamento dinâmico - utilizado para resolver problemas de escalonamento sujeitos a eventos dinâmicos. Possui uma complexidade elevada mesmo para utilizadores frequentes, daí a necessidade de adaptar o seu conteúdo de forma a aumentar a sua usabilidade. Com o objetivo de avaliar as contribuições deste trabalho, um estudo computacional acerca do reconhecimento dos utilizadores foi desenvolvido, tendo por base duas sessões de avaliação de usabilidade com grupos de utilizadores distintos. Foi possível concluir acerca dos benefícios na utilização de técnicas de modelação do utilizador com a arquitetura proposta.

Middleware for Large-scale Distributed Systems

Nos últimos anos o aumento exponencial da utilização de dispositivos móveis e serviços disponibilizados na “Cloud” levou a que a forma como os sistemas são desenhados e implementados mudasse, numa perspectiva de tentar alcançar requisitos que até então não eram essenciais. Analisando esta evolução, com o enorme aumento dos dispositivos móveis, como os “smartphones” e “tablets” fez com que o desenho e implementação de sistemas distribuidos fossem ainda mais importantes nesta área, na tentativa de promover sistemas e aplicações que fossem mais flexíveis, robutos, escaláveis e acima de tudo interoperáveis. A menor capacidade de processamento ou armazenamento destes dispositivos tornou essencial o aparecimento e crescimento de tecnologias que prometem solucionar muitos dos problemas identificados. O aparecimento do conceito de Middleware visa solucionar estas lacunas nos sistemas distribuidos mais evoluídos, promovendo uma solução a nível de organização e desenho da arquitetura dos sistemas, ao memo tempo que fornece comunicações extremamente rápidas, seguras e de confiança. Uma arquitetura baseada em Middleware visa dotar os sistemas de um canal de comunicação que fornece uma forte interoperabilidade, escalabilidade, e segurança na troca de mensagens, entre outras vantagens. Nesta tese vários tipos e exemplos de sistemas distribuídos e são descritos e analisados, assim como uma descrição em detalhe de três protocolos (XMPP, AMQP e DDS) de comunicação, sendo dois deles (XMPP e AMQP) utilzados em projecto reais que serão descritos ao longo desta tese. O principal objetivo da escrita desta tese é demonstrar o estudo e o levantamento do estado da arte relativamente ao conceito de Middleware aplicado a sistemas distribuídos de larga escala, provando que a utilização de um Middleware pode facilitar e agilizar o desenho e desenvolvimento de um sistema distribuído e traz enormes vantagens num futuro próximo.

Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.

GI Systems for public health with an ontology based approach

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Heat recovery from wastewater: numerical modelling of sewer systems

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Proposta de solução de videovigilância para locais remotos

Desde tempos remotos que homens faziam a vigilância de bens e mercadorias e mais recentemente também de pessoas com o intuito de dissuadir roubos, atos de vandalismo e de violência. Nos últimos anos, com a evolução das novas tecnologias verificou-se a sua adoção para auxílio da vigilância. Os atos de terrorismo que têm acontecido um pouco por todo o mundo trouxeram um clima de insegurança à população mundial. Este fenómeno, juntamente com o elevado número de roubos e atos de violência levou à expansão de utilização dos meios de videovigilância de forma a dissuadir estes tipos de crime podendo mesmo, nalguns casos servir como prova para punir os autores dos mesmos. Em Portugal tem-se verificado uma escalada de crimes nas zonas mais rurais não só de bens como as alfaias agrícolas mas também de frutos e mesmo de animais. Estes crimes predominam em locais rurais, relativamente distantes das povoações e em locais onde não existem (ou são praticamente inexistentes) infraestruturas necessárias para implementar meios de videovigilância como a falta de rede elétrica e internet o que torna quase inviável a existência de sistemas de videovigilância nesses locais. Dotar esses locais das infra estruturas necessárias poderia tornar-se demasiado dispendioso e os vigilantes humanos poderiam correr riscos no meio dos montes ou noutros locais remotos para além dos seus elevados custos. Para além do problema dos roubos, existe um outro flagelo relacionado com os incêndios na floresta portuguesa, que todos os anos é dizimada pelo fogo devido a incêndios que surgem na sua maioria causados pelo homem sendo uma parte significativa os de origem criminosa. Para dar resposta a estes problemas e no sentido de vigiar e dissuadir estes tipos de crimes, iniciamos um estudo que pretende propor um protótipo de um sistema de videovigilância para locais remotos (SVR - Sistema de Videovigilância Remota) de baixo custo de forma a diminuir o número de crimes e assim minimizar os prejuízos económico e sociais causados pelos mesmos. Pretendemos estudar o problema e analisar tecnologias com potencial para propor uma solução que possa auxiliar a vigilância nesse tipo de locais com o pressuposto de poder vir a contribuir para a diminuição deste tipo de crimes devido ao seu efeito dissuasor pelo facto de se poder divulgar que estes locais já têm uma solução de vigilância oculta. A solução proposta contempla um sistema de videovigilância com uma camara construída com base num Raspberry Pi onde o vídeo é transmitido em streaming via Web através de comunicações móveis. A alimentação do sistema nestes espaços sem energia elétrica é feita através de um painel fotovoltaico. É proporcionado ao utilizador uma interface para visualizar o vídeo transmitido e um mecanismo de notificações por email. É ainda possível a visualização de imagens gravadas num cartão de memória relativas a ocorrências de deteção de movimentos. Foram realizados inúmeros testes ao protótipo SVR sendo os resultados obtidos aqui descritos.