Optoelectronic implementation of mathematical morphology

An optoelectronic implementation based on optical neighborhood operations and electronic nonlinear feedback is proposed to perform morphological image processing such as erosion, dilation, opening, closing and edge detection. Results of a numerical simulation are given and experimentally verified.

Otimização multimodal através de novas técnicas baseadas em clusterização nebulosa

Neste trabalho, é proposta uma nova família de métodos a ser aplicada à otimização de problemas multimodais. Nestas técnicas, primeiramente são geradas soluções iniciais com o intuito de explorar o espaço de busca. Em seguida, com a finalidade de encontrar mais de um ótimo, estas soluções são agrupadas em subespaços utilizando um algoritmo de clusterização nebulosa. Finalmente, são feitas buscas locais através de métodos determinísticos de otimização dentro de cada subespaço gerado na fase anterior com a finalidade de encontrar-se o ótimo local. A família de métodos é formada por seis variantes, combinando três esquemas de inicialização das soluções na primeira fase e dois algoritmos de busca local na terceira. A fim de que esta nova família de métodos possa ser avaliada, seus constituintes são comparados com outras metodologias utilizando problemas da literatura e os resultados alcançados são promissores.

Equivalent differential equations for nonlinear dynamical systems

A technique for obtaining approximate periodic solutions to nonlinear ordinary differential equations is investigated. The approach is based on defining an equivalent differential equation whose exact periodic solution is known. Emphasis is placed on the mathematical justification of the approach. The relationship between the differential equation error and the solution error is investigated, and, under certain conditions, bounds are obtained on the latter. The technique employed is to consider the equation governing the exact solution error as a two point boundary value problem. Among other things, the analysis indicates that if an exact periodic solution to the original system exists, it is always possible to bound the error by selecting an appropriate equivalent system.

Three equivalence criteria for minimizing the differential equation error are compared, namely, minimum mean square error, minimum mean absolute value error, and minimum maximum absolute value error. The problem is analyzed by way of example, and it is concluded that, on the average, the minimum mean square error is the most appropriate criterion to use.

A comparison is made between the use of linear and cubic auxiliary systems for obtaining approximate solutions. In the examples considered, the cubic system provides noticeable improvement over the linear system in describing periodic response.

A comparison of the present approach to some of the more classical techniques is included. It is shown that certain of the standard approaches where a solution form is assumed can yield erroneous qualitative results.

Modelagem e otimização de misturas ternárias de polipropileno (PP), borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM) e pó de pneu (SRT).

O aumento nos rejeitos industriais e a contínua produção de resíduos causam muitas preocupações no âmbito ambiental. Neste contexto, o descarte de pneus usados tem se tornado um grande problema por conta da pequena atenção que se dá à sua destinação final. Assim sendo, essa pesquisa propõe a produção de uma mistura polimérica com polipropileno (PP), a borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM) e o pó de pneu (SRT). A Metodologia de Superfície de Resposta (MSR), coleção de técnicas estatísticas e matemáticas úteis para desenvolver, melhorar e optimizar processos, foi aplicada à investigação das misturas ternárias. Após o processamento adequado em extrusora de dupla rosca e a moldagem por injeção, as propriedades mecânicas de resistência à tração e resistência ao impacto foram determinadas e utilizadas como variáveis resposta. Ao mesmo tempo, a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi usada para a investigação da morfologia das diferentes misturas e melhor interpretação dos resultados. Com as ferramentas estatísticas específicas e um número mínimo de experimentos foi possível o desenvolvimento de modelos de superfícies de resposta e a otimização das concentrações dos diferentes componentes da mistura em função do desempenho mecânico e além disso com a modificação da granulometria conseguimos um aumento ainda mais significativo deste desempenho mecânico.

Algebraic Techniques in Coding Theory: Entropy Vectors, Frames, and Constrained Coding

The study of codes, classically motivated by the need to communicate information reliably in the presence of error, has found new life in fields as diverse as network communication, distributed storage of data, and even has connections to the design of linear measurements used in compressive sensing. But in all contexts, a code typically involves exploiting the algebraic or geometric structure underlying an application. In this thesis, we examine several problems in coding theory, and try to gain some insight into the algebraic structure behind them.

The first is the study of the entropy region - the space of all possible vectors of joint entropies which can arise from a set of discrete random variables. Understanding this region is essentially the key to optimizing network codes for a given network. To this end, we employ a group-theoretic method of constructing random variables producing so-called "group-characterizable" entropy vectors, which are capable of approximating any point in the entropy region. We show how small groups can be used to produce entropy vectors which violate the Ingleton inequality, a fundamental bound on entropy vectors arising from the random variables involved in linear network codes. We discuss the suitability of these groups to design codes for networks which could potentially outperform linear coding.

The second topic we discuss is the design of frames with low coherence, closely related to finding spherical codes in which the codewords are unit vectors spaced out around the unit sphere so as to minimize the magnitudes of their mutual inner products. We show how to build frames by selecting a cleverly chosen set of representations of a finite group to produce a "group code" as described by Slepian decades ago. We go on to reinterpret our method as selecting a subset of rows of a group Fourier matrix, allowing us to study and bound our frames' coherences using character theory. We discuss the usefulness of our frames in sparse signal recovery using linear measurements.

The final problem we investigate is that of coding with constraints, most recently motivated by the demand for ways to encode large amounts of data using error-correcting codes so that any small loss can be recovered from a small set of surviving data. Most often, this involves using a systematic linear error-correcting code in which each parity symbol is constrained to be a function of some subset of the message symbols. We derive bounds on the minimum distance of such a code based on its constraints, and characterize when these bounds can be achieved using subcodes of Reed-Solomon codes.

Robust Control of Evolutionary Dynamics

The application of principles from evolutionary biology has long been used to gain new insights into the progression and clinical control of both infectious diseases and neoplasms. This iterative evolutionary process consists of expansion, diversification and selection within an adaptive landscape - species are subject to random genetic or epigenetic alterations that result in variations; genetic information is inherited through asexual reproduction and strong selective pressures such as therapeutic intervention can lead to the adaptation and expansion of resistant variants. These principles lie at the center of modern evolutionary synthesis and constitute the primary reasons for the development of resistance and therapeutic failure, but also provide a framework that allows for more effective control.

A model system for studying the evolution of resistance and control of therapeutic failure is the treatment of chronic HIV-1 infection by broadly neutralizing antibody (bNAb) therapy. A relatively recent discovery is that a minority of HIV-infected individuals can produce broadly neutralizing antibodies, that is, antibodies that inhibit infection by many strains of HIV. Passive transfer of human antibodies for the prevention and treatment of HIV-1 infection is increasingly being considered as an alternative to a conventional vaccine. However, recent evolution studies have uncovered that antibody treatment can exert selective pressure on virus that results in the rapid evolution of resistance. In certain cases, complete resistance to an antibody is conferred with a single amino acid substitution on the viral envelope of HIV.

The challenges in uncovering resistance mechanisms and designing effective combination strategies to control evolutionary processes and prevent therapeutic failure apply more broadly. We are motivated by two questions: Can we predict the evolution to resistance by characterizing genetic alterations that contribute to modified phenotypic fitness? Given an evolutionary landscape and a set of candidate therapies, can we computationally synthesize treatment strategies that control evolution to resistance?

To address the first question, we propose a mathematical framework to reason about evolutionary dynamics of HIV from computationally derived Gibbs energy fitness landscapes -- expanding the theoretical concept of an evolutionary landscape originally conceived by Sewall Wright to a computable, quantifiable, multidimensional, structurally defined fitness surface upon which to study complex HIV evolutionary outcomes.

To design combination treatment strategies that control evolution to resistance, we propose a methodology that solves for optimal combinations and concentrations of candidate therapies, and allows for the ability to quantifiably explore tradeoffs in treatment design, such as limiting the number of candidate therapies in the combination, dosage constraints and robustness to error. Our algorithm is based on the application of recent results in optimal control to an HIV evolutionary dynamics model and is constructed from experimentally derived antibody resistant phenotypes and their single antibody pharmacodynamics. This method represents a first step towards integrating principled engineering techniques with an experimentally based mathematical model in the rational design of combination treatment strategies and offers predictive understanding of the effects of combination therapies of evolutionary dynamics and resistance of HIV. Preliminary in vitro studies suggest that the combination antibody therapies predicted by our algorithm can neutralize heterogeneous viral populations despite containing resistant mutations.

Modelagem, simulação e otimização operacional de unidades de síntese de metanol

A indústria de processos químicos tem sofrido consideráveis transformações devido ao acirramento da competitividade. Importantes progressos tecnológicos têm sido atingidos através de técnicas de modelagem, simulação e otimização visando o aumento da lucratividade e melhoria contínua nos processos industriais. Neste contexto, as plantas de metanol, um dos mais importantes produtos petroquímicos, podem ser destacadas. Atualmente, a principal matéria-prima para obtenção de metanol é o gás natural. A produção do metanol é caracterizada por três etapas: geração de gás de síntese, conversão do gás de síntese em metanol (unidade de síntese ou loop de síntese) e purificação do produto na especificação requerida. Os custos fixos e variáveis da unidade de síntese são fortemente dependentes das variáveis operacionais, como temperatura, pressão, razão de reciclo e composição da carga. Desta forma, foi desenvolvido um conjunto de modelos e algoritmos computacionais para representar matematicamente unidades de síntese de metanol. O modelo apresenta operações unitárias associadas aos seguintes equipamentos: divisores de correntes, misturadores de correntes, compressores, trocadores de calor, vasos de flash e reatores. Inicialmente, foi proposto um simulador estacionário, que serviu como base para um pseudo-estacionário, o qual contempla a desativação do catalisador por sinterização térmica. Os simuladores foram criados segundo uma arquitetura seqüencial modular e empregou-se o método de substituição sucessiva para a convergência dos reciclos. O estudo envolveu dois fluxogramas típicos, um constituído por reatores adiabáticos em série, enquanto o outro constituído por um reator tipo quench. Uma análise do efeito das principais variáveis operacionais foi realizada para o reator e para o loop de síntese. Estudou-se também o efeito da desativação do catalisador ao longo do tempo. Uma ferramenta de otimização operacional foi empregada para alcançar a máxima produção manipulando as injeções de carga fria na entrada dos leitos catalíticos. Formulou-se também um problema de maximização do lucro em função da otimização de paradas da unidade para troca do catalisador. Os resultados obtidos apontam que a ferramenta desenvolvida é promissora para a compreensão e otimização da unidade objeto deste estudo

Topology optimization of silicon anode structures for lithium-ion battery applications

This thesis presents a topology optimization methodology for the systematic design of optimal multifunctional silicon anode structures in lithium-ion batteries. In order to develop next generation high performance lithium-ion batteries, key design challenges relating to the silicon anode structure must be addressed, namely the lithiation-induced mechanical degradation and the low intrinsic electrical conductivity of silicon. As such, this work considers two design objectives of minimum compliance under design dependent volume expansion, and maximum electrical conduction through the structure, both of which are subject to a constraint on material volume. Density-based topology optimization methods are employed in conjunction with regularization techniques, a continuation scheme, and mathematical programming methods. The objectives are first considered individually, during which the iteration history, mesh independence, and influence of prescribed volume fraction and minimum length scale are investigated. The methodology is subsequently extended to a bi-objective formulation to simultaneously address both the compliance and conduction design criteria. A weighting method is used to derive the Pareto fronts, which demonstrate a clear trade-off between the competing design objectives. Furthermore, a systematic parameter study is undertaken to determine the influence of the prescribed volume fraction and minimum length scale on the optimal combined topologies. The developments presented in this work provide a foundation for the informed design and development of silicon anode structures for high performance lithium-ion batteries.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Microtomografia com Raio X e processamento de imagem na obtenção da porosidade do concreto

O objetivo principal desse trabalho foi utilizar métodos não destrutivos (END), como a microtomografia com Raio X e técnicas de obtenção e processamento de imagens, para obtenção da porosidade do concreto. Foram utilizados dois métodos. Em um método as imagens foram obtidas por meio de microtomografia por Raio X e no outro foi utilizado um escâner comercial para obtenção das imagens. Essas imagens foram processadas por meio de técnicas de processamento de pixel e morfologia matemática. Os resultados obtidos para a porosidade foram comparados com resultado obtido por meio do método proposto pela NBR 9778 (2005) (Absorção de água, índice de vazios e massa específica em argamassa e concreto endurecido). As imagens microtomográficas das amostras de concreto foram obtidas num sistema Skyscan 1172 com 256 tons de cinza, ajustadas em contraste, binarizadas e filtradas. No outro método foi utilizado um Escâner Comercial com resolução de 2400 dpi para adquirir as imagens, sendo também utilizadas técnicas de processamento de pixel e morfologia matemática para processá-las. Os resultados dos valores da porosidade mostraram compatibilidade entre os dois métodos apresentados e o método proposto pela NBR 9778 (2005). Observou-se que os resultados obtidos por microtomografia foram mais confiáveis, mas o método utilizando o escâner comercial se apresentou como um método aceitável por seus resultados e principalmente por seu baixo custo e facilidade de operação.