Sistema de apoio à decisão clínica: quality of life system

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão de Sistemas de Informação

Estimativa dos parâmetros de compactação de solos usando técnicas de data mining

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Optimização do processo de recolha de resíduos: desenvolvimento de ferramentas de investigação operacional para o problema de orientação de equipas com multi-restrições

Tese de Doutoramento em Engenharia Industrial e de Sistemas.

PREVISÃO DA ENERGIA EÓLICA - SANTIAGO - CABO VERDE

Neste trabalho procura-se utilizar modelos de previsão de séries temporais para prever a produção da energia elétrica a partir da energia eólica em Cabo Verde, particularmente na ilha de Santiago. É um problema que tem recebido especial atenção dos pesquisadores nos últimos anos. Prever o futuro, e em especial o comportamento de séries temporais, é fundamental em análises e apoio à tomada de decisões, e continua sendo um desafio para a estatística e para computação. Foram utilizados modelos, Holt-Winters, ARIMA e redes neuronais artificiais, Função de Base Radial (RNAs-RBF) e Perceptron de múltiplas camadas (RNAs- MLP). O modelo Holt-Winters é um modelo de previsão exponencial, conhecido por lidar com elementos de tendência e sazonalidade de uma série temporal. O modelo ARIMA que possui apenas uma variável, descreve o comportamento de uma variável em termos de seus valores passados. As redes neurais têm-se mostrado grandes ferramentas na aplicação de previsões de séries temporais. Neste contexto, neste trabalho propõe-se a realização de uma análise comparativa desses modelos não-lineares para a previsão, tentando encontrar qual o modelo que melhor se adapta à série temporal. Todo o trabalho foi realizado com recurso ao programa estatístico R versão 3.0.1 (2013-05- 16)

Análise do Sistema de Tratamento de Efluentes Gasosos de uma Central de Valorização Energética de Resíduos Sólidos Urbanos

O sistema de tratamento dos gases formados durante a combustão de Resíduos Sólidos Urbanos, (RSU), é um dos componentes mais importantes de uma instalação de incineração. O seu controlo e optimização asseguram a redução dos gases nocivos formados para valores que não representam quaisquer perigos para a saúde pública e ambiental, o que leva a incineração a ser considerada uma das técnicas mais seguras e eficientes para o tratamento dos RSU. A combinação desta técnica com produção de energia eléctrica, por recuperação de calor da combustão dos resíduos, tem contribuído gradualmente para o desenvolvimento socioeconómico. Este trabalho surgiu da necessidade de optimização do sistema de controlo dos gases ácidos, (HCl, NOx, SO2 e HF), da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, (CTRSU), da Empresa Valorsul e dos respectivos consumos dos reagentes utilizados no tratamento dos referidos gases, nomeadamente o leite de cal e a amónia. No entanto, procedeu-se apenas com uma análise detalhada do referido sistema de controlo, de modo a identificar as principais dificuldades e possíveis soluções teóricas para as mesmas. Os conhecimentos adquiridos poderão contribuir futuramente para a optimização do sistema de controlo em questão, de modo a garantir a dosagem óptima dos referidos reagentes, diminuindo assim o custo dos mesmos. O presente trabalho também tem como objectivos, a compreensão da tecnologia de valorização energética de resíduos no contexto do tratamento de RSU em Portugal e a análise do processo de formação dos gases durante a combustão dos RSU, principalmente a dos gases ácidos. Em Portugal o tratamento dos RSU é sobretudo por eliminação, deposição directa em aterro sanitário, tendo ocupado em 2012, uma percentagem de 54% do total dos RSU produzidos, no entanto a valorização tem vindo a desenvolver-se e actualmente cerca de 21% dos resíduos produzidos é valorizado energeticamente. Do mesmo modo, a Reciclagem e a valorização orgânica têm progredido nos últimos anos, embora lentamente. A formação dos gases ácidos é influenciada sobretudo pela composição física dos RSU, que contêm na sua matriz materiais constituídos por átomos de azoto, enxofre, cloro e fluor e por certas condições operatórias de incineração, nomeadamente temperatura elevadas, humidade e excesso de ar. A composição física dos resíduos é um parâmetro não controlável pelo operador do sistema de tratamento dos gases, pelo que as condições de incineração devem ser adequadamente controladas, no âmbito de prevenir ou reduzir a formação destes gases. A CTRSU da Valorsul apresenta, em geral, um sistema de tratamento dos gases eficiente, garantido assim que os valores limites de emissão dos gases se encontrem em conformidade com a lei. No entanto, para cumprir este requisito é necessário um consumo excessivo da amónia e leite de cal utilizados no tratamento destes gases. O elevado consumo destes reagentes deve-se sobretudo à dificuldade de optimização da dosagem dos mesmos, como VI consequência de um atraso verificado no sistema de controlo dos gases implementado na Central, “Sample and Hold PID”. Este atraso é de aproximadamente dois minutos e é causado pelo tempo em que os gases levam a percorrer o ponto onde é feita a injecção dos reagentes até ao ponto de extracção dos gases na chaminé, mais o tempo de atraso imposto pelo sistema de monitorização em contínuo das emissões. Através do software simulink do MATLAB realizou-se uma simples simulação do sistema de controlo de emissão dos gases NOx e caudal de amónia, em malha aberta com controlador proporcional, com o objectivo de reproduzir os resultados obtidos através de um controlo real em malha aberta realizada na CTRSU. Verificou-se que estes estão de acordo com o esperado, ou seja as saídas dos controladores do caudal de amónia e concentração do NOx, correspondem às variações efectuadas na válvula de regulação de amónia. Como possíveis soluções teóricas para a redução do atraso do sistema, sugeriu-se a introdução de um compensador de atraso baseado na técnica de Predição de Smith, no sistema de controlo já implementado, ou a implementação de um novo sistema de controlo baseado em sistemas de inteligências artificiais, nomeadamente as Redes Neuronais.

Type 2 diabetes; elderly; cognitive deficit; cognitive flexibility; executive functions Resumen

Through meditation, people become aware of what happens in the body and mind, accepting the present experiences as they are and getting a better understanding of the true nature of things. Meditation practices and its inclusion as an intervention technique, have generated great interest in identifying the brain mechanisms through which these practices operate. Different studies suggest that the practice of meditation is associated with the use of different neural networks as well as changes in brain structure and function, represented in higher concentration of gray matter structures at the hippocampus, the right anterior insula, orbital frontal cortex (OFC) and greater involvement of the anterior cingulate cortex (ACC). These and other unrelated studies, shows the multiple implications of the regular practice of mindfulness in the structures and functions of the brain and its relation to certain observable and subjective states in people who practice it. Such evidence enabling the inclusion of mindfulness in psychological therapy where multiple applications have been developed to prove its effectiveness in treating affective and emotional problems, crisis management, social skills, verbal creativity, addiction and craving management, family and caregivers stress of dementia patients and others. However, neuropsychological rehabilitation has no formal proposals for intervention from these findings. The aim of this paper is to propose use of Mindfulness in neuropsychological rehabilitation process, taking the positions and theory of A.R. Luria.

Implementação em hardware de uma Rede Neuronal com ummicroprocessador embebido em FPGA

O objectivo deste trabalho é a implementação em hardware de uma Rede Neuronal com um microprocessador embebido, podendo ser um recurso valioso em várias áreas científicas. A importância das implementações em hardware deve-se à flexibilidade, maior desempenho e baixo consumo de energia. Para esta implementação foi utilizado o dispositivo FPGA Virtex II Pro XC2VP30 com um MicroBlaze soft core, da Xilinx. O MicroBlaze tem vantagens como a simplicidade no design, sua reutilização e fácil integração com outras tecnologias. A primeira fase do trabalho consistiu num estudo sobre o FPGA, um sistema reconfigurável que possui características importantes como a capacidade de executar em paralelo tarefas complexas. Em seguida, desenvolveu-se o código de implementação de uma Rede Neuronal Artificial baseado numa linguagem de programação de alto nível. Na implementação da Rede Neuronal aplicou-se, na camada escondida, a função de activação tangente hiperbólica, que serve para fornecer a não linearidade à Rede Neuronal. A implementação é feita usando um tipo de Rede Neuronal que permite apenas ligações no sentido de saída, chamado Redes Neuronais sem realimentação (do Inglês Feedforward Neural Networks - FNN). Como as Redes Neuronais Artificiais são sistemas de processamento de informações, e as suas características são comuns às Redes Neuronais Biológicas, aplicaram-se testes na implementação em hardware e analisou-se a sua importância, a sua eficiência e o seu desempenho. E finalmente, diante dos resultados, fez-se uma análise de abordagem e metodologia adoptada e sua viabilidade.

Identificação de alvos na terapia anti-cancerígena utilizando técnicas de modelação molecular

Miguel Fernandes

Previsão de produção de energia elétrica a partir do vento

A capacidade de prever a produção de energia eólica com precisão num parque eólico é de extrema relevância tanto do ponto de vista económico bem como de controlo e estabilidade da rede elétrica. Vários e diferentes métodos têm sido utilizados para este propósito, como os físicos, estatísticos, lógica difusa e redes neuronais artificiais. Os dados disponíveis dos parques eólicos contêm ruído e leituras inesperadas em relação às entradas disponíveis. Lidar com estes dados não é uma tarefa simples mas, neste trabalho, as Redes Neuronais Artificiais são usadas para prever a potência gerada baseada em medições locais do vento. Os resultados mostram que as Redes Neuronais Artificiais são uma ferramenta que deve ser considerada nestas difíceis condições, uma vez que elas proporcionam uma precisão razoável nas suas previsões.

Dados, informação, conhecimento, ensino de programação, a inteligência empresarial e as suas motivações

O objetivo deste relatório é dar a conhecer um possível percurso de carreira para um aluno que, à entrada no mundo profissional, se interessou por sistemas de suporte à decisão e mais tarde enveredou por uma carreira de docente. Descrevi a minha experiência profissional desde a entrada no curso de Engenharia Informática e as opções que fui tomando durante e depois do curso, demonstrativas do interesse e tendências para a área de suporte à decisão dentro das TI, help desk, assim como pela área do ensino. Assim, o facto de ter trabalhado em diversas áreas e em diversas entidades, colaborei destacadamente na CENTRIA, Portugal Telecom (System Care) e Escola Secundária de Francisco Franco. Nestas entidades fiz desenvolvimento aplicacional em Text Mining, na definição de requisitos, na qualidade e integração de dados e na transmissão de ensinamentos. Esta multiplicidade de contextos permitiu a minha evolução profissional e humana. O curso na FCT-UNL capacitou-me para ser tolerante à frustração, devido aos inúmeros obstáculos com que me fui deparando ao longo do curso, transmitindo-me, assim, uma capacidade de adaptação ao nível das mais diversas tecnologias e metodologias. Ao longo da minha carreira, e graças a todos os ensinamentos assimilados, tenho conseguido ultrapassar sempre as tarefas difíceis a nível técnico, funcional e de gestão que me foram surgindo. Espero transmitir claramente como funcionam os meus projetos, as suas componentes, dificuldades e particularidades.

Avaliação do risco de galgamento de estruturas portuárias: o caso do Porto de Ponta Delgada (Açores, Portugal)

A análise do galgamento de estruturas portuárias não só é importante para a avaliação da segurança de bens, pessoas e equipamentos e das atividades junto a elas desenvolvidas, como também a nível económico e financeiro. A finalidade deste trabalho é a aplicação da metodologia desenvolvida pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a avaliação do risco de galgamento de estruturas portuárias ao Porto de Ponta Delgada, Açores, num período de dois anos (2011 e 2012), para cinco secções nele enquadradas. A metodologia desenvolvida ao longo desde trabalho apresenta como componentes essenciais a caraterização da agitação marítima a que estão sujeitas as secções em estudo e o cálculo do caudal médio de galgamento por metro linear de estrutura. Estas duas variáveis, inicialmente estudadas e indispensáveis neste trabalho, são obtidas com base em dados de agitação marítima em águas profundas fornecidas pelo modelo regional de previsão de agitação WAVEWATCH III, que, acoplado ao modelo espetral SWAN e ao modelo de declive suave DREAMS, permite a obtenção da agitação marítima incidente na entrada do porto e no seu interior, respetivamente. Os resultados do modelo SWAN são validados mediante uma comparação com dados medidos in situ pela boia ondógrafo localizada ao largo da zona em estudo. Os parâmetros de agitação marítima obtidos para as cinco secções em análise permitem determinar o caudal médio de galgamento, com recurso à ferramenta NN_OVERTOPPING, baseada em redes neuronais.Em seguida, como resultado da combinação entre os valores de probabilidades e de consequências associadas, quando ultrapassado um determinado caudal médio de galgamento admissível anteriormente estabelecido para cada zona em estudo, é obtido um grau de risco de galgamento para cada zona analisada, o que permite criar um mapa de risco que servirá de informação para o planeamento de operações e de futuras intervenções nessa envolvente.

Indicadores de cálcio e de voltagem codificados geneticamente na detecção de potenciais de ação e inputs sinápticos em cultura de neurônios hipocampais

Recently, genetically encoded optical indicators have emerged as noninvasive tools of high spatial and temporal resolution utilized to monitor the activity of individual neurons and specific neuronal populations. The increasing number of new optogenetic indicators, together with the absence of comparisons under identical conditions, has generated difficulty in choosing the most appropriate protein, depending on the experimental design. Therefore, the purpose of our study was to compare three recently developed reporter proteins: the calcium indicators GCaMP3 and R-GECO1, and the voltage indicator VSFP butterfly1.2. These probes were expressed in hippocampal neurons in culture, which were subjected to patchclamp recordings and optical imaging. The three groups (each one expressing a protein) exhibited similar values of membrane potential (in mV, GCaMP3: -56 ±8.0, R-GECO1: -57 ±2.5; VSFP: -60 ±3.9, p = 0.86); however, the group of neurons expressing VSFP showed a lower average of input resistance than the other groups (in Mohms, GCaMP3: 161 ±18.3; GECO1-R: 128 ±15.3; VSFP: 94 ±14.0, p = 0.02). Each neuron was submitted to current injections at different frequencies (10 Hz, 5 Hz, 3 Hz, 1.5 Hz, and 0.7 Hz) and their fluorescence responses were recorded in time. In our study, only 26.7% (4/15) of the neurons expressing VSFP showed detectable fluorescence signal in response to action potentials (APs). The average signal-to-noise ratio (SNR) obtained in response to five spikes (at 10 Hz) was small (1.3 ± 0.21), however the rapid kinetics of the VSFP allowed discrimination of APs as individual peaks, with detection of 53% of the evoked APs. Frequencies below 5 Hz and subthreshold signals were undetectable due to high noise. On the other hand, calcium indicators showed the greatest change in fluorescence following the same protocol (five APs at 10 Hz). Among the GCaMP3 expressing neurons, 80% (8/10) exhibited signal, with an average SNR value of 21 ±6.69 (soma), while for the R-GECO1 neurons, 50% (2/4) of the neurons had signal, with a mean SNR value of 52 ±19.7 (soma). For protocols at 10 Hz, 54% of the evoked APs were detected with GCaMP3 and 85% with R-GECO1. APs were detectable in all the analyzed frequencies and fluorescence signals were detected from subthreshold depolarizations as well. Because GCaMP3 is the most likely to yield fluorescence signal and with high SNR, some experiments were performed only with this probe. We demonstrate that GCaMP3 is effective in detecting synaptic inputs (involving Ca2+ influx), with high spatial and temporal resolution. Differences were also observed between the SNR values resulting from evoked APs, compared to spontaneous APs. In recordings of groups of cells, GCaMP3 showed clear discrimination between activated and silent cells, and reveals itself as a potential tool in studies of neuronal synchronization. Thus, our results indicate that the presently available calcium indicators allow detailed studies on neuronal communication, ranging from individual dendritic spines to the investigation of events of synchrony in neuronal networks genetically defined. In contrast, studies employing VSFPs represent a promising technology for monitoring neural activity and, although still to be improved, they may become more appropriate than calcium indicators, since neurons work on a time scale faster than events of calcium may foresee

Controlo de estufagem do Vinho Madeira em escala piloto

Um dos processos de envelhecimento do Vinho Madeira é a “Estufagem” realizada através da circulação de água aquecida a uma determinada temperatura por um sistema de serpentina existente no interior de cada estufa. De modo a tornar o processo de estufagem eficiente e preservar a qualidade do Vinho Madeira, a monitorização, registo e controlo da temperatura reveste-se da maior importância sendo, atualmente, todo esse processo realizado, por norma, manualmente, quer no sistema de dez estufas de aço inox existente no laboratório de enologia da Universidade da Madeira (UMa), quer nos sistemas das cooperativas de Vinho Madeira. Existem, no mercado, alguns sistemas que solucionam, com menor ou maior limitação, este problema. Porém, nenhum desses sistemas implementa um sistema de controlo “inteligente” capaz de se adaptar automaticamente a diferentes períodos de temperaturas predefinidos e manter o aquecimento das estufas de acordo com essas temperaturas com uma margem de erro inferior a ±0,5℃, bem como o custo associado aos mesmos é elevado o que dificulta a sua implementação neste setor. O sistema implementado, nesta tese, consiste em duas aplicações: uma aplicação web e uma Windows Forms Application. A aplicação web foi desenvolvida em C# com recurso à framework ASP.NET Web Pages e implementa toda a lógica necessária à monitorização gráfica e à gestão do sistema, nomeadamente a definição do setpoint para cada estufa. A Windows Forms Application, também desenvolvida em C# devido à necessidade de interligação com a biblioteca fornecida pela CAREL para conexão aos controladores de temperatura IR32, efetua o registo e controlo automático da temperatura, de acordo com o setpoint definido para cada estufa através da aplicação web. O controlo de temperatura realiza-se com recurso às redes neuronais, nomeadamente através dum controlador DIC (Direct Inverse Controller) que obteve, de entre os vários controladores testados, o melhor Erro Quadrático Médio (MSE) e o melhor Coeficiente de Correlação (R). Através da utilização do sistema implementado conseguiu-se eliminar a limitação física de erro com ± 1℃ em torno do setpoint tendo-se conseguido, para o melhor caso, uma margem de erro de ± 0,1℃ relativamente ao setpoint reduzindo-se, assim, a margem de variação de temperatura até um máximo de 1,8ºC e, consequentemente, o erro associado.

Controlo de estufagem do Vinho Madeira em escala piloto

Um dos processos de envelhecimento do Vinho Madeira é a “Estufagem” realizada através da circulação de água aquecida a uma determinada temperatura por um sistema de serpentina existente no interior de cada estufa. De modo a tornar o processo de estufagem eficiente e preservar a qualidade do Vinho Madeira, a monitorização, registo e controlo da temperatura reveste-se da maior importância sendo, atualmente, todo esse processo realizado, por norma, manualmente, quer no sistema de dez estufas de aço inox existente no laboratório de enologia da Universidade da Madeira (UMa), quer nos sistemas das cooperativas de Vinho Madeira. Existem, no mercado, alguns sistemas que solucionam, com menor ou maior limitação, este problema. Porém, nenhum desses sistemas implementa um sistema de controlo “inteligente” capaz de se adaptar automaticamente a diferentes períodos de temperaturas predefinidos e manter o aquecimento das estufas de acordo com essas temperaturas com uma margem de erro inferior a ±0,5℃, bem como o custo associado aos mesmos é elevado o que dificulta a sua implementação neste setor. O sistema implementado, nesta tese, consiste em duas aplicações: uma aplicação web e uma Windows Forms Application. A aplicação web foi desenvolvida em C# com recurso à framework ASP.NET Web Pages e implementa toda a lógica necessária à monitorização gráfica e à gestão do sistema, nomeadamente a definição do setpoint para cada estufa. A Windows Forms Application, também desenvolvida em C# devido à necessidade de interligação com a biblioteca fornecida pela CAREL para conexão aos controladores de temperatura IR32, efetua o registo e controlo automático da temperatura, de acordo com o setpoint definido para cada estufa através da aplicação web. O controlo de temperatura realiza-se com recurso às redes neuronais, nomeadamente através dum controlador DIC (Direct Inverse Controller) que obteve, de entre os vários controladores testados, o melhor Erro Quadrático Médio (MSE) e o melhor Coeficiente de Correlação (R). Através da utilização do sistema implementado conseguiu-se eliminar a limitação física de erro com ± 1℃ em torno do setpoint tendo-se conseguido, para o melhor caso, uma margem de erro de ± 0,1℃ relativamente ao setpoint reduzindo-se, assim, a margem de variação de temperatura até um máximo de 1,8ºC e, consequentemente, o erro associado.

Optimization of a multielectrode array (MEA)-based approach to study the impact of Aβ on the SH-SY5Y cell line

The human brain stores, integrates, and transmits information recurring to millions of neurons, interconnected by countless synapses. Though neurons communicate through chemical signaling, information is coded and conducted in the form of electrical signals. Neuroelectrophysiology focus on the study of this type of signaling. Both intra and extracellular approaches are used in research, but none holds as much potential in high-throughput screening and drug discovery, as extracellular recordings using multielectrode arrays (MEAs). MEAs measure neuronal activity, both in vitro and in vivo. Their key advantage is the capability to record electrical activity at multiple sites simultaneously. Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease and one of the leading causes of death worldwide. It is characterized by neurofibrillar tangles and aggregates of amyloid-β (Aβ) peptides, which lead to the loss of synapses and ultimately neuronal death. Currently, there is no cure and the drugs available can only delay its progression. In vitro MEA assays enable rapid screening of neuroprotective and neuroharming compounds. Therefore, MEA recordings are of great use in both AD basic and clinical research. The main aim of this thesis was to optimize the formation of SH-SY5Y neuronal networks on MEAs. These can be extremely useful for facilities that do not have access to primary neuronal cultures, but can also save resources and facilitate obtaining faster high-throughput results to those that do. Adhesion-mediating compounds proved to impact cell morphology, viability and exhibition of spontaneous electrical activity. Moreover, SH-SY5Y cells were successfully differentiated and demonstrated acute effects on neuronal function after Aβ addition. This effect on electrical signaling was dependent on Aβ oligomers concentration. The results here presented allow us to conclude that the SH-SY5Y cell line can be successfully differentiated in properly coated MEAs and be used for assessing acute Aβ effects on neuronal signaling.