The problem of estimating the volatility of zero coupon bond interest rate

Financial literature and financial industry use often zero coupon yield curves as input for testing hypotheses, pricing assets or managing risk. They assume this provided data as accurate. We analyse implications of the methodology and of the sample selection criteria used to estimate the zero coupon bond yield term structure on the resulting volatility of spot rates with different maturities. We obtain the volatility term structure using historical volatilities and Egarch volatilities. As input for these volatilities we consider our own spot rates estimation from GovPX bond data and three popular interest rates data sets: from the Federal Reserve Board, from the US Department of the Treasury (H15), and from Bloomberg. We find strong evidence that the resulting zero coupon bond yield volatility estimates as well as the correlation coefficients among spot and forward rates depend significantly on the data set. We observe relevant differences in economic terms when volatilities are used to price derivatives.

A user-centered interface for scheduling problem definition

In this paper we present a user-centered interface for a scheduling system. The purpose of this interface is to provide graphical and interactive ways of defining a scheduling problem. To create such user interface an evaluation-centered user interaction development method was adopted: the star life cycle. The created prototype comprises the Task Module and the Scheduling Problem Module. The first one allows users to define a sequence of operations, i.e., a task. The second one enables a scheduling problem definition, which consists in a set of tasks. Both modules are equipped with a set of real time validations to assure the correct definition of the necessary data input for the scheduling module of the system. The usability evaluation allowed us to measure the ease of interaction and observe the different forms of interaction provided by each participant, namely the reactions to the real time validation mechanism.

Ant colony search algorithm for the optimal power flow problem

To maintain a power system within operation limits, a level ahead planning it is necessary to apply competitive techniques to solve the optimal power flow (OPF). OPF is a non-linear and a large combinatorial problem. The Ant Colony Search (ACS) optimization algorithm is inspired by the organized natural movement of real ants and has been successfully applied to different large combinatorial optimization problems. This paper presents an implementation of Ant Colony optimization to solve the OPF in an economic dispatch context. The proposed methodology has been developed to be used for maintenance and repairing planning with 48 to 24 hours antecipation. The main advantage of this method is its low execution time that allows the use of OPF when a large set of scenarios has to be analyzed. The paper includes a case study using the IEEE 30 bus network. The results are compared with other well-known methodologies presented in the literature.

Ant colony system based approach to single machine scheduling problems: weighted tardiness scheduling problem

The paper introduces an approach to solve the problem of generating a sequence of jobs that minimizes the total weighted tardiness for a set of jobs to be processed in a single machine. An Ant Colony System based algorithm is validated with benchmark problems available in the OR library. The obtained results were compared with the best available results and were found to be nearer to the optimal. The obtained computational results allowed concluding on their efficiency and effectiveness.

Solving MPCC problem with the hyperbolic penalty function

The main goal of this work is to solve mathematical program with complementarity constraints (MPCC) using nonlinear programming techniques (NLP). An hyperbolic penalty function is used to solve MPCC problems by including the complementarity constraints in the penalty term. This penalty function [1] is twice continuously differentiable and combines features of both exterior and interior penalty methods. A set of AMPL problems from MacMPEC [2] are tested and a comparative study is performed.

Mixed extractant systems for metal recovery

Hoje em dia, a prevenção dos resíduos de metais é uma questão muito importante para um grande número de empresas, pois necessitam optimizar o seu sistema de tratamento de águas residuais a fim de alcançarem os limites legais dos teores em iões metálicos e poderem efectuar a descarga das águas residuais no domínio hídrico público. Devido a esta problemática foram efectuados estudos inovadores relacionados com a remoção de iões metálicos de águas residuais, verificando-se que as tecnologias de membrana oferecem uma série de vantagens para o efeito. Uma dessas tecnologias, referida como Membrana Líquida de Suporte (SLM), é baseada num mecanismo de extracção. A membrana hidrofóbica, impregnada com uma solução extractora, funciona como barreira entre a água residual e uma solução, geralmente ácida. A diferença de pH entre a água residual e a solução actua como força motriz para o transporte de iões metálicos da água residual para a referida solução. Poderá ocorrer um problema de falta de estabilidade, resultante da possível fuga da solução extractora para fora dos poros das membranas. Estudos anteriores mostraram que os ácidos alquilfosfóricos ou ácidos fosfónicos, como os reagentes D2EHPA e CYANEX e hidroxioximas como o LIX 860-I podem ser muito úteis para a extração de iões metálicos como ferro, cobre, níquel, zinco e outros. A clássica extracção líquido-líquido também tem mostrado que a mistura de diferentes extractores pode ter um efeito sinergético. No entanto, não é claro que haja um efeito óptimo da razão de extractor ou que tipo de complexo é formado durante o processo de extracção. O objectivo deste projecto é investigar este comportamento sinergético e as complexas formações por meio de um método espectrofotométrico, o “Job’s method” e “Mole-ratio method”. Estes métodos são utilizados para estimar a estequiometria dos vários complexos entre dois solutos, a partir da variação de absorvância dos complexos quando comparado com a absorvância do soluto. Com este projecto, o Job’s method e mole-ratio method serão aplicados a um sistema de três componentes, para conseguir mais informações sobre a complexação de níquel (II) e a fim de determinar a razão extractor: metal dos complexos formados durante a aplicação de mistura de extractores D2EHPA e LIX 860-I. Segundo Job’s method a elavada absorvância situa-se na região de 0,015-0,040 M de LIX 860-I e uma baixa concentração de D2EHPA. Quando as diferentes experiências são encontradas num conjunto experimental foram avaliadas de acordo com o método de trabalho, o valor máximo do gráfico foi encontrado para uma baixa fração molar do ião metálico e uma maior concentração de D2EHPA. Esta mudança foi encontrado de 0,50 até 0,30, que poderia apontar para a direção da formação de diferentes complexos. Para o Mole-Ratio method, a estequiometria dos complexos metal pode ser determinada a partir do ponto de intersecção das linhas tangente do gráfico da absorbância versus a concentração do ligante. Em todos os casos, o máximo foi obtido em torno de uma concentração total de 0,010 M. Quando D2EHPA foi aplicado sozinho, absorvâncias muito baixos foram obtidas.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

New insights on integer-programming models for the kidney exchange problem

In recent years several countries have set up policies that allow exchange of kidneys between two or more incompatible patient–donor pairs. These policies lead to what is commonly known as kidney exchange programs. The underlying optimization problems can be formulated as integer programming models. Previously proposed models for kidney exchange programs have exponential numbers of constraints or variables, which makes them fairly difficult to solve when the problem size is large. In this work we propose two compact formulations for the problem, explain how these formulations can be adapted to address some problem variants, and provide results on the dominance of some models over others. Finally we present a systematic comparison between our models and two previously proposed ones via thorough computational analysis. Results show that compact formulations have advantages over non-compact ones when the problem size is large.

Uncertainty assessment approach for composite structures based on global sensitivity indices

The problem of uncertainty propagation in composite laminate structures is studied. An approach based on the optimal design of composite structures to achieve a target reliability level is proposed. Using the Uniform Design Method (UDM), a set of design points is generated over a design domain centred at mean values of random variables, aimed at studying the space variability. The most critical Tsai number, the structural reliability index and the sensitivities are obtained for each UDM design point, using the maximum load obtained from optimal design search. Using the UDM design points as input/output patterns, an Artificial Neural Network (ANN) is developed based on supervised evolutionary learning. Finally, using the developed ANN a Monte Carlo simulation procedure is implemented and the variability of the structural response based on global sensitivity analysis (GSA) is studied. The GSA is based on the first order Sobol indices and relative sensitivities. An appropriate GSA algorithm aiming to obtain Sobol indices is proposed. The most important sources of uncertainty are identified.

Task assignment algorithms for two-type heterogeneous multiprocessors

Consider the problem of assigning real-time tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising two different types of processors — such a platform is referred to as two-type platform. We present two linearithmic timecomplexity algorithms, SA and SA-P, each providing the follow- ing guarantee. For a given two-type platform and a given task set, if there exists a feasible task-to-processor-type assignment such that tasks can be scheduled to meet deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type, then (i) using SA, it is guaranteed to find such a feasible task-to- processor-type assignment where the same restriction on task migration applies but given a platform in which processors are 1+α/2 times faster and (ii) SA-P succeeds in finding 2 a feasible task-to-processor assignment where tasks are not allowed to migrate between processors but given a platform in which processors are 1+α/times faster, where 0<α≤1. The parameter α is a property of the task set — it is the maximum utilization of any task which is less than or equal to 1.

Provably good task assignment on heterogeneous multiprocessor platforms for a restricted case but with a stronger adversary

Consider the problem of scheduling a set of implicit-deadline sporadic tasks to meet all deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform. We consider a restricted case where the maximum utilization of any task on any processor in the system is no greater than one. We use an algorithm proposed in [1] (we refer to it as LP-EE) from state-of-the-art for assigning tasks to heterogeneous multiprocessor platform and (re-)prove its performance guarantee for this restricted case but for a stronger adversary. We show that if a task set can be scheduled to meet deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform by an optimal task assignment scheme that allows task migrations then LP-EE meets deadlines as well with no migrations if given processors twice as fast.

An Explicit GTS allocation algorithm for IEEE 802.15.4

The IEEE 802.15.4 standard provides appealing features to simultaneously support real-time and non realtime traffic, but it is only capable of supporting real-time communications from at most seven devices. Additionally, it cannot guarantee delay bounds lower than the superframe duration. Motivated by this problem, in this paper we propose an Explicit Guaranteed time slot Sharing and Allocation scheme (EGSA) for beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. This scheme is capable of providing tighter delay bounds for real-time communications by splitting the Contention Free access Period (CFP) into smaller mini time slots and by means of a new guaranteed bandwidth allocation scheme for a set of devices with periodic messages. At the same the novel bandwidth allocation scheme can maximize the duration of the CFP for non real-time communications. Performance analysis results show that the EGSA scheme works efficiently and outperforms competitor schemes both in terms of guaranteed delay and bandwidth utilization.

Two protocols without periodicity for the global and preemptive scheduling problem of multi-mode real-time systems upon multiprocessor Platforms

We consider the problem of scheduling a multi-mode real-time system upon identical multiprocessor platforms. Since it is a multi-mode system, the system can change from one mode to another such that the current task set is replaced with a new task set. Ensuring that deadlines are met requires not only that a schedulability test is performed on tasks in each mode but also that (i) a protocol for transitioning from one mode to another is specified and (ii) a schedulability test for each transition is performed. We propose two protocols which ensure that all the expected requirements are met during every transition between every pair of operating modes of the system. Moreover, we prove the correctness of our proposed algorithms by extending the theory about the makespan determination problem.

A genetic algorithm for the resource constrained multi-project scheduling problem

This paper presents a genetic algorithm for the resource constrained multi-project scheduling problem. The chromosome representation of the problem is based on random keys. The schedules are constructed using a heuristic that builds parameterized active schedules based on priorities, delay times, and release dates defined by the genetic algorithm. The approach is tested on a set of randomly generated problems. The computational results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

A shared-disk parallel cluster file system

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Informática Pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia