Caracterización y simulación de arborizaciones dentríticas con redes bayesianas incluyendo variables angulares

El funcionamiento interno del cerebro es todavía hoy en día un misterio, siendo su comprensión uno de los principales desafíos a los que se enfrenta la ciencia moderna. El córtex cerebral es el área del cerebro donde tienen lugar los procesos cerebrales de más alto nivel, cómo la imaginación, el juicio o el pensamiento abstracto. Las neuronas piramidales, un tipo específico de neurona, suponen cerca del 80% de los cerca de los 10.000 millones de que componen el córtex cerebral, haciendo de ellas un objetivo principal en el estudio del funcionamiento del cerebro. La morfología neuronal, y más específicamente la morfología dendrítica, determina cómo estas procesan la información y los patrones de conexión entre neuronas, siendo los modelos computacionales herramientas imprescindibles para el estudio de su rol en el funcionamiento del cerebro. En este trabajo hemos creado un modelo computacional, con más de 50 variables relativas a la morfología dendrítica, capaz de simular el crecimiento de arborizaciones dendríticas basales completas a partir de reconstrucciones de neuronas piramidales reales, abarcando desde el número de dendritas hasta el crecimiento los los árboles dendríticos. A diferencia de los trabajos anteriores, nuestro modelo basado en redes Bayesianas contempla la arborización dendrítica en su conjunto, teniendo en cuenta las interacciones entre dendritas y detectando de forma automática las relaciones entre las variables morfológicas que caracterizan la arborización. Además, el análisis de las redes Bayesianas puede ayudar a identificar relaciones hasta ahora desconocidas entre variables morfológicas. Motivado por el estudio de la orientación de las dendritas basales, en este trabajo se introduce una regularización L1 generalizada, aplicada al aprendizaje de la distribución von Mises multivariante, una de las principales distribuciones de probabilidad direccional multivariante. También se propone una distancia circular multivariante que puede utilizarse para estimar la divergencia de Kullback-Leibler entre dos muestras de datos circulares. Comparamos los modelos con y sin regularizaci ón en el estudio de la orientación de la dendritas basales en neuronas humanas, comprobando que, en general, el modelo regularizado obtiene mejores resultados. El muestreo, ajuste y representación de la distribución von Mises multivariante se implementa en un nuevo paquete de R denominado mvCircular.---ABSTRACT---The inner workings of the brain are, as of today, a mystery. To understand the brain is one of the main challenges faced by current science. The cerebral cortex is the region of the brain where all superior brain processes, like imagination, judge and abstract reasoning take place. Pyramidal neurons, a specific type of neurons, constitute approximately the 80% of the more than 10.000 million neurons that compound the cerebral cortex. It makes the study of the pyramidal neurons crucial in order to understand how the brain works. Neuron morphology, and specifically the dendritic morphology, determines how the information is processed in the neurons, as well as the connection patterns among neurons. Computational models are one of the main tools for studying dendritic morphology and its role in the brain function. We have built a computational model that contains more than 50 morphological variables of the dendritic arborizations. This model is able to simulate the growth of complete dendritic arborizations from real neuron reconstructions, starting with the number of basal dendrites, and ending modeling the growth of dendritic trees. One of the main diferences between our approach, mainly based on the use of Bayesian networks, and other models in the state of the art is that we model the whole dendritic arborization instead of focusing on individual trees, which makes us able to take into account the interactions between dendrites and to automatically detect relationships between the morphologic variables that characterize the arborization. Moreover, the posterior analysis of the relationships in the model can help to identify new relations between morphological variables. Motivated by the study of the basal dendrites orientation, a generalized L1 regularization applied to the multivariate von Mises distribution, one of the most used distributions in multivariate directional statistics, is also introduced in this work. We also propose a circular multivariate distance that can be used to estimate the Kullback-Leibler divergence between two circular data samples. We compare the regularized and unregularized models on basal dendrites orientation of human neurons and prove that regularized model achieves better results than non regularized von Mises model. Sampling, fitting and plotting functions for the multivariate von Mises are implemented in a new R packaged called mvCircular.

Nepfix: on-demand cloud elastic simulation of networks of evolutionary processors

Una Red de Procesadores Evolutivos o NEP (por sus siglas en ingles), es un modelo computacional inspirado por el modelo evolutivo de las celulas, específicamente por las reglas de multiplicación de las mismas. Esta inspiración hace que el modelo sea una abstracción sintactica de la manipulation de information de las celulas. En particu¬lar, una NEP define una maquina de cómputo teorica capaz de resolver problemas NP completos de manera eficiente en tóerminos de tiempo. En la praóctica, se espera que las NEP simuladas en móaquinas computacionales convencionales puedan resolver prob¬lemas reales complejos (que requieran ser altamente escalables) a cambio de una alta complejidad espacial. En el modelo NEP, las cóelulas estóan representadas por palabras que codifican sus secuencias de ADN. Informalmente, en cualquier momento de cómputo del sistema, su estado evolutivo se describe como un coleccion de palabras, donde cada una de ellas representa una celula. Estos momentos fijos de evolucion se denominan configuraciones. De manera similar al modelo biologico, las palabras (celulas) mutan y se dividen en base a bio-operaciones sencillas, pero solo aquellas palabras aptas (como ocurre de forma parecida en proceso de selection natural) seran conservadas para la siguiente configuracióon. Una NEP como herramienta de computation, define una arquitectura paralela y distribuida de procesamiento simbolico, en otras palabras, una red de procesadores de lenguajes. Desde el momento en que el modelo fue propuesto a la comunidad científica en el año 2001, múltiples variantes se han desarrollado y sus propiedades respecto a la completitud computacional, eficiencia y universalidad han sido ampliamente estudiadas y demostradas. En la actualidad, por tanto, podemos considerar que el modelo teórico NEP se encuentra en el estadio de la madurez. La motivación principal de este Proyecto de Fin de Grado, es proponer una aproxi-mación práctica que permita dar un salto del modelo teórico NEP a una implantación real que permita su ejecucion en plataformas computacionales de alto rendimiento, con el fin de solucionar problemas complejos que demanda la sociedad actual. Hasta el momento, las herramientas desarrolladas para la simulation del modelo NEP, si bien correctas y con resultados satisfactorios, normalmente estón atadas a su entorno de ejecucion, ya sea el uso de hardware específico o implementaciones particulares de un problema. En este contexto, el propósito fundamental de este trabajo es el desarrollo de Nepfix, una herramienta generica y extensible para la ejecucion de cualquier algo¬ritmo de un modelo NEP (o alguna de sus variantes), ya sea de forma local, como una aplicación tradicional, o distribuida utilizando los servicios de la nube. Nepfix es una aplicacion software desarrollada durante 7 meses y que actualmente se encuentra en su segunda iteration, una vez abandonada la fase de prototipo. Nepfix ha sido disenada como una aplicacion modular escrita en Java 8 y autocontenida, es decir, no requiere de un entorno de ejecucion específico (cualquier maquina virtual de Java es un contenedor vólido). Nepfix contiene dos componentes o móodulos. El primer móodulo corresponde a la ejecución de una NEP y es por lo tanto, el simulador. Para su desarrollo, se ha tenido en cuenta el estado actual del modelo, es decir, las definiciones de los procesadores y filtros mas comunes que conforman la familia del modelo NEP. Adicionalmente, este componente ofrece flexibilidad en la ejecucion, pudiendo ampliar las capacidades del simulador sin modificar Nepfix, usando para ello un lenguaje de scripting. Dentro del desarrollo de este componente, tambióen se ha definido un estóandar de representacióon del modelo NEP basado en el formato JSON y se propone una forma de representation y codificación de las palabras, necesaria para la comunicación entre servidores. Adicional-mente, una característica importante de este componente, es que se puede considerar una aplicacion aislada y por tanto, la estrategia de distribution y ejecución son total-mente independientes. El segundo moódulo, corresponde a la distribucióon de Nepfix en la nube. Este de-sarrollo es el resultado de un proceso de i+D, que tiene una componente científica considerable. Vale la pena resaltar el desarrollo de este modulo no solo por los resul-tados prócticos esperados, sino por el proceso de investigation que se se debe abordar con esta nueva perspectiva para la ejecución de sistemas de computación natural. La principal característica de las aplicaciones que se ejecutan en la nube es que son gestionadas por la plataforma y normalmente se encapsulan en un contenedor. En el caso de Nepfix, este contenedor es una aplicacion Spring que utiliza el protocolo HTTP o AMQP para comunicarse con el resto de instancias. Como valor añadido, Nepfix aborda dos perspectivas de implementation distintas (que han sido desarrolladas en dos iteraciones diferentes) del modelo de distribution y ejecucion, que tienen un impacto muy significativo en las capacidades y restricciones del simulador. En concreto, la primera iteration utiliza un modelo de ejecucion asincrono. En esta perspectiva asincrona, los componentes de la red NEP (procesadores y filtros) son considerados como elementos reactivos a la necesidad de procesar una palabra. Esta implementation es una optimization de una topologia comun en el modelo NEP que permite utilizar herramientas de la nube para lograr un escalado transparente (en lo ref¬erente al balance de carga entre procesadores) pero produce efectos no deseados como indeterminacion en el orden de los resultados o imposibilidad de distribuir eficiente-mente redes fuertemente interconectadas. Por otro lado, la segunda iteration corresponde al modelo de ejecucion sincrono. Los elementos de una red NEP siguen un ciclo inicio-computo-sincronizacion hasta que el problema se ha resuelto. Esta perspectiva sincrona representa fielmente al modelo teórico NEP pero el proceso de sincronizacion es costoso y requiere de infraestructura adicional. En concreto, se requiere un servidor de colas de mensajes RabbitMQ. Sin embargo, en esta perspectiva los beneficios para problemas suficientemente grandes superan a los inconvenientes, ya que la distribuciín es inmediata (no hay restricciones), aunque el proceso de escalado no es trivial. En definitiva, el concepto de Nepfix como marco computacional se puede considerar satisfactorio: la tecnología es viable y los primeros resultados confirman que las carac-terísticas que se buscaban originalmente se han conseguido. Muchos frentes quedan abiertos para futuras investigaciones. En este documento se proponen algunas aproxi-maciones a la solucion de los problemas identificados como la recuperacion de errores y la division dinamica de una NEP en diferentes subdominios. Por otra parte, otros prob-lemas, lejos del alcance de este proyecto, quedan abiertos a un futuro desarrollo como por ejemplo, la estandarización de la representación de las palabras y optimizaciones en la ejecucion del modelo síncrono. Finalmente, algunos resultados preliminares de este Proyecto de Fin de Grado han sido presentados recientemente en formato de artículo científico en la "International Work-Conference on Artificial Neural Networks (IWANN)-2015" y publicados en "Ad-vances in Computational Intelligence" volumen 9094 de "Lecture Notes in Computer Science" de Springer International Publishing. Lo anterior, es una confirmation de que este trabajo mas que un Proyecto de Fin de Grado, es solo el inicio de un trabajo que puede tener mayor repercusion en la comunidad científica. Abstract Network of Evolutionary Processors -NEP is a computational model inspired by the evolution of cell populations, which might model some properties of evolving cell communities at the syntactical level. NEP defines theoretical computing devices able to solve NP complete problems in an efficient manner. In this model, cells are represented by words which encode their DNA sequences. Informally, at any moment of time, the evolutionary system is described by a collection of words, where each word represents one cell. Cells belong to species and their community evolves according to mutations and division which are defined by operations on words. Only those cells are accepted as surviving (correct) ones which are represented by a word in a given set of words, called the genotype space of the species. This feature is analogous with the natural process of evolution. Formally, NEP is based on an architecture for parallel and distributed processing, in other words, a network of language processors. Since the date when NEP was pro¬posed, several extensions and variants have appeared engendering a new set of models named Networks of Bio-inspired Processors (NBP). During this time, several works have proved the computational power of NBP. Specifically, their efficiency, universality, and computational completeness have been thoroughly investigated. Therefore, we can say that the NEP model has reached its maturity. The main motivation for this End of Grade project (EOG project in short) is to propose a practical approximation that allows to close the gap between theoretical NEP model and a practical implementation in high performing computational platforms in order to solve some of high the high complexity problems society requires today. Up until now tools developed to simulate NEPs, while correct and successful, are usu¬ally tightly coupled to the execution environment, using specific software frameworks (Hadoop) or direct hardware usage (GPUs). Within this context the main purpose of this work is the development of Nepfix, a generic and extensible tool that aims to execute algorithms based on NEP model and compatible variants in a local way, similar to a traditional application or in a distributed cloud environment. Nepfix as an application was developed during a 7 month cycle and is undergoing its second iteration once the prototype period was abandoned. Nepfix is designed as a modular self-contained application written in Java 8, that is, no additional external dependencies are required and it does not rely on an specific execution environment, any JVM is a valid container. Nepfix is made of two components or modules. The first module corresponds to the NEP execution and therefore simulation. During the development the current state of the theoretical model was used as a reference including most common filters and processors. Additionally extensibility is provided by the use of Python as a scripting language to run custom logic. Along with the simulation a definition language for NEP has been defined based on JSON as well as a mechanisms to represent words and their possible manipulations. NEP simulator is isolated from distribution and as mentioned before different applications that include it as a dependency are possible, the distribution of NEPs is an example of this. The second module corresponds to executing Nepfix in the cloud. The development carried a heavy R&D process since this front was not explored by other research groups until now. It's important to point out that the development of this module is not focused on results at this point in time, instead we focus on feasibility and discovery of this new perspective to execute natural computing systems and NEPs specifically. The main properties of cloud applications is that they are managed by the platform and are encapsulated in a container. For Nepfix a Spring application becomes the container and the HTTP or AMQP protocols are used for communication with the rest of the instances. Different execution perspectives were studied, namely asynchronous and synchronous models were developed for solving different kind of problems using NEPs. Different limitations and restrictions manifest in both models and are explored in detail in the respective chapters. In conclusion we can consider that Nepfix as a computational framework is suc-cessful: Cloud technology is ready for the challenge and the first results reassure that the properties Nepfix project pursued were met. Many investigation branches are left open for future investigations. In this EOG implementation guidelines are proposed for some of them like error recovery or dynamic NEP splitting. On the other hand other interesting problems that were not in the scope of this project were identified during development like word representation standardization or NEP model optimizations. As a confirmation that the results of this work can be useful to the scientific com-munity a preliminary version of this project was published in The International Work- Conference on Artificial Neural Networks (IWANN) in May 2015. Development has not stopped since that point and while Nepfix in it's current state can not be consid¬ered a final product the most relevant ideas, possible problems and solutions that were produced during the seven months development cycle are worthy to be gathered and presented giving a meaning to this EOG work.

Identificação de sistemas para o estudo de controle motor.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido.

Desenvolvimento artificial autônomo de um grafo sensório-motor auto-organizável.

A teoria de Jean Piaget sobre o desenvolvimento da inteligência tem sido utilizada na área de inteligência computacional como inspiração para a proposição de modelos de agentes cognitivos. Embora os modelos propostos implementem aspectos básicos importantes da teoria de Piaget, como a estrutura do esquema cognitivo, não consideram o problema da fundamentação simbólica e, portanto, não se preocupam com os aspectos da teoria que levam à aquisição autônoma da semântica básica para a organização cognitiva do mundo externo, como é o caso da aquisição da noção de objeto. Neste trabalho apresentamos um modelo computacional de esquema cognitivo inspirado na teoria de Piaget sobre a inteligência sensório-motora que se desenvolve autonomamente construindo mecanismos por meio de princípios computacionais pautados pelo problema da fundamentação simbólica. O modelo de esquema proposto tem como base a classificação de situações sensório-motoras utilizadas para a percepção, captação e armazenamento das relações causais determiníscas de menor granularidade. Estas causalidades são então expandidas espaço-temporalmente por estruturas mais complexas que se utilizam das anteriores e que também são projetadas de forma a possibilitar que outras estruturas computacionais autônomas mais complexas se utilizem delas. O modelo proposto é implementado por uma rede neural artificial feed-forward cujos elementos da camada de saída se auto-organizam para gerar um grafo sensóriomotor objetivado. Alguns mecanismos computacionais já existentes na área de inteligência computacional foram modificados para se enquadrarem aos paradigmas de semântica nula e do desenvolvimento mental autônomo, tomados como base para lidar com o problema da fundamentação simbólica. O grafo sensório-motor auto-organizável que implementa um modelo de esquema inspirado na teoria de Piaget proposto neste trabalho, conjuntamente com os princípios computacionais utilizados para sua concepção caminha na direção da busca pelo desenvolvimento cognitivo artificial autônomo da noção de objeto.

Análise da qualidade de energia de um parque eólico com ligação à rede eléctrica

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Cloud query manager: uso de web semântica para evitar o problema de aprisionamento em IaaS

Cloud computing can be defined as a distributed computational model by through resources (hardware, storage, development platforms and communication) are shared, as paid services accessible with minimal management effort and interaction. A great benefit of this model is to enable the use of various providers (e.g a multi-cloud architecture) to compose a set of services in order to obtain an optimal configuration for performance and cost. However, the multi-cloud use is precluded by the problem of cloud lock-in. The cloud lock-in is the dependency between an application and a cloud platform. It is commonly addressed by three strategies: (i) use of intermediate layer that stands to consumers of cloud services and the provider, (ii) use of standardized interfaces to access the cloud, or (iii) use of models with open specifications. This paper outlines an approach to evaluate these strategies. This approach was performed and it was found that despite the advances made by these strategies, none of them actually solves the problem of lock-in cloud. In this sense, this work proposes the use of Semantic Web to avoid cloud lock-in, where RDF models are used to specify the features of a cloud, which are managed by SPARQL queries. In this direction, this work: (i) presents an evaluation model that quantifies the problem of cloud lock-in, (ii) evaluates the cloud lock-in from three multi-cloud solutions and three cloud platforms, (iii) proposes using RDF and SPARQL on management of cloud resources, (iv) presents the cloud Query Manager (CQM), an SPARQL server that implements the proposal, and (v) comparing three multi-cloud solutions in relation to CQM on the response time and the effectiveness in the resolution of cloud lock-in.

Análisis de distribución de tensiones asociada a la utilización de implantes ortopédicos de materiales superelásticos en el tratamiento de deficiencias óseas.

Durante el desarrollo de un niño pueden ocurrir diversas anomalías y distorsiones en el crecimiento de los huesos que resultan en distintos problemas. Independientemente de las razones por las que ocurren, si son detectadas y tratadas con tiempo sus secuelas pueden ser minimizadas o eliminadas. Este trabajo continúa el proyecto integrador de ingeniería mecánica del ingeniero Matías Korten. En ese trabajo se realizaron ensayos termomecánicos a alambres de NiTi para caracterizar las fuerzas desarrolladas y la influencia de diferentes parámetros geométricos y físicos en las mismas. El Dr. J. Groiso propone la fabricación de un dispositivo pseudoelástico y biocompatible de NiTi para corregir deformaciones angulares en huesos. En este trabajo, se buscó caracterizar nuevamente el material NiTi, validar los resultados obtenidos en ese trabajo y diseñar un dispositivo que permita la caracterización del material de forma más confiable. Se desarrolló un modelo computacional de un hueso en 3D que permite obtener el campo de tensiones sobre la placa de crecimiento al aplicar una fuerza superficial sobre los tornillos. Se analizaron los resultados con distintas formas de aplicación de la fuerza, la zona afectada por la prótesis al cambiar la posición de los tornillos y se hizo un análisis de sensibilidad en el rango (según bibliografía) del módulo de elasticidad de la placa de crecimiento. Se concluye que la aplicación de un dispositivo de NiTi puede generar las tensiones necesarias para impulsar el crecimiento del hueso en la dirección correcta.

Análisis de distribución de tensiones asociada a la utilización de implantes ortopédicos de materiales superelásticos en el tratamiento de deficiencias óseas.

Durante el desarrollo de un niño pueden ocurrir diversas anomalías y distorsiones en el crecimiento de los huesos que resultan en distintos problemas. Independientemente de las razones por las que ocurren, si son detectadas y tratadas con tiempo sus secuelas pueden ser minimizadas o eliminadas. Este trabajo continúa el proyecto integrador de ingeniería mecánica del ingeniero Matías Korten. En ese trabajo se realizaron ensayos termomecánicos a alambres de NiTi para caracterizar las fuerzas desarrolladas y la influencia de diferentes parámetros geométricos y físicos en las mismas. El Dr. J. Groiso propone la fabricación de un dispositivo pseudoelástico y biocompatible de NiTi para corregir deformaciones angulares en huesos. En este trabajo, se buscó caracterizar nuevamente el material NiTi, validar los resultados obtenidos en ese trabajo y diseñar un dispositivo que permita la caracterización del material de forma más confiable. Se desarrolló un modelo computacional de un hueso en 3D que permite obtener el campo de tensiones sobre la placa de crecimiento al aplicar una fuerza superficial sobre los tornillos. Se analizaron los resultados con distintas formas de aplicación de la fuerza, la zona afectada por la prótesis al cambiar la posición de los tornillos y se hizo un análisis de sensibilidad en el rango (según bibliografía) del módulo de elasticidad de la placa de crecimiento. Se concluye que la aplicación de un dispositivo de NiTi puede generar las tensiones necesarias para impulsar el crecimiento del hueso en la dirección correcta.

Colmeias: uma estratégia didático-pedagógica para potencializar a aprendizagem significativa através da colaboração nas redes sociais em contextos móveis

O presente trabalho procura atender as necessidades dos processos educativos da atualidade, reconhecendo que esses ocorrem numa sociedade denominada como a Sociedade da Informação (SI), num ambiente em que os aprendizes são nativos digitais. Na SI presencia-se um momento marcado por um modelo computacional móvel, no qual também é possível constatar-se a emergência de um novo paradigma educacional - a aprendizagem com mobilidade - que possibilita a integração das tecnologias móveis com os processos de ensino e de aprendizagem. Além disso, observa-se a ascensão do emprego das redes sociais na Internet (RSI) no dia a dia dos indivíduos impactando as práticas estabelecidas na SI. Nesse cenário, visando integrar a aprendizagem móvel com os recursos das RSI para promover-se uma educação mais sintonizada com o perfil atual dos estudantes, expõe-se nessa tese uma nova proposta metodológica - a Colmeias almejando dessa maneira facilitar uma aprendizagem significativa a partir de um processo colaborativo, em rede e em contextos de mobilidade. Com embasamento teórico em diversos autores, entre os quais se destacam Vygostky, Bruner e Ausubel, apoiados por Júlio Cesar Santos e Pierry Dillenbourg, salienta-se que a estratégia Colmeias representa um caminho alternativo para aqueles professores que desejam promover uma educação mais coerente com a atualidade. Nessa pesquisa ainda se apresenta a sua aplicação por meio de um estudo de caso na Matemática procurando, assim, aproximar a teoria com a prática.

Mapeamento acústico como ferramenta para predição de ruído urbano na área de influência do estádio Arena das Dunas, Natal/ RN

The Noise Pollution causes degradation in the quality of the environment and presents itself as one of the most common environmental problems in the big cities. An Urban environment present scenario and their complex acoustic study need to consider the contribution of various noise sources. Accordingly to computational models through mapping and prediction of acoustic scene become important, because they enable the realization of calculations, analyzes and reports, allowing the interpretation of satisfactory results. The study neighborhood is the neighborhood of Lagoa Nova, a central area of the city of Natal, which will undergo major changes in urban space due to urban mobility projects planned for the area around the stadium and the consequent changes of urban form and traffic. Thus, this study aims to evaluate the noise impact caused by road and morphological changes around the stadium Arena das Dunas in the neighborhood of Lagoa Nova, through on-site measurements and mapping using the computational model SoundPLAN year 2012 and the scenario evolution acoustic for the year 2017. For this analysis was the construction of the first acoustic mapping based on current diagnostic acoustic neighborhood, physical mapping, classified vehicle count and measurement of sound pressure level, and to build the prediction of noise were observed for the area study the modifications provided for traffic, urban form and mobility work. In this study, it is concluded that the sound pressure levels of the year in 2012 and 2017 extrapolate current legislation. For the prediction of noise were numerous changes in the acoustic scene, in which the works of urban mobility provided will improve traffic flow, thus reduce the sound pressure level where interventions are expected

Conversor de energia das ondas em energia elétrica com dispositivo de coluna de água oscilante: simulação numérica e estudo geométrico

Os oceanos representam um dos maiores recursos naturais, possuindo expressivo potencial energético, podendo suprir parte da demanda energética mundial. Nas últimas décadas, alguns dispositivos destinados à conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica têm sido estudados. No presente trabalho, o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante, do inglês Oscillating Water Colum, (OWC) foi analisado numericamente. As ondas incidentes na câmara hidro-pneumática da OWC, causam um movimento alternado da coluna de água no interior da câmara, o qual produz um fluxo alternado de ar que passa pela chaminé. O ar passa e aciona uma turbina a qual transmite energia para um gerador elétrico. O objetivo do presente estudo foi investigar a influência de diferentes formas geométricas da câmara sobre o fluxo resultante de ar que passa pela turbina, que influencia no desempenho do dispositivo. Para isso, geometrias diferentes para o conversor foram analisadas empregando modelos computacionais 2D e 3D. Um modelo computacional desenvolvido nos softwares GAMBIT e FLUENT foi utilizado, em que o conversor OWC foi acoplado a um tanque de ondas. O método Volume of Fluid (VOF) e a teoria de 2ª ordem Stokes foram utilizados para gerar ondas regulares, permitindo uma interação mais realista entre o conversor, água, ar e OWC. O Método dos Volumes Finitos (MVF) foi utilizado para a discretização das equações governantes. Neste trabalho o Contructal Design (baseado na Teoria Constructal) foi aplicado pela primeira vez em estudos numéricos tridimensionais de OWC para fim de encontrar uma geometria que mais favorece o desempenho do dispositivo. A função objetivo foi a maximização da vazão mássica de ar que passa através da chaminé do dispositivo OWC, analisado através do método mínimos quadrados, do inglês Root Mean Square (RMS). Os resultados indicaram que a forma geométrica da câmara influencia na transformação da energia das ondas em energia elétrica. As geometrias das câmaras analisadas que apresentaram maior área da face de incidência das ondas (sendo altura constante), apresentaram também maior desempenho do conversor OWC. A melhor geometria, entre os casos desse estudo, ofereceu um ganho no desempenho do dispositivo em torno de 30% maior.

Exergetic, energetic, economic and environmental evaluation of concentrated solar power plants in Libya

The PhD project addresses the potential of using concentrating solar power (CSP) plants as a viable alternative energy producing system in Libya. Exergetic, energetic, economic and environmental analyses are carried out for a particular type of CSP plants. The study, although it aims a particular type of CSP plant – 50 MW parabolic trough-CSP plant, it is sufficiently general to be applied to other configurations. The novelty of the study, in addition to modeling and analyzing the selected configuration, lies in the use of a state-of-the-art exergetic analysis combined with the Life Cycle Assessment (LCA). The modeling and simulation of the plant is carried out in chapter three and they are conducted into two parts, namely: power cycle and solar field. The computer model developed for the analysis of the plant is based on algebraic equations describing the power cycle and the solar field. The model was solved using the Engineering Equation Solver (EES) software; and is designed to define the properties at each state point of the plant and then, sequentially, to determine energy, efficiency and irreversibility for each component. The developed model has the potential of using in the preliminary design of CSPs and, in particular, for the configuration of the solar field based on existing commercial plants. Moreover, it has the ability of analyzing the energetic, economic and environmental feasibility of using CSPs in different regions of the world, which is illustrated for the Libyan region in this study. The overall feasibility scenario is completed through an hourly analysis on an annual basis in chapter Four. This analysis allows the comparison of different systems and, eventually, a particular selection, and it includes both the economic and energetic components using the “greenius” software. The analysis also examined the impact of project financing and incentives on the cost of energy. The main technological finding of this analysis is higher performance and lower levelized cost of electricity (LCE) for Libya as compared to Southern Europe (Spain). Therefore, Libya has the potential of becoming attractive for the establishment of CSPs in its territory and, in this way, to facilitate the target of several European initiatives that aim to import electricity generated by renewable sources from North African and Middle East countries. The analysis is presented a brief review of the current cost of energy and the potential of reducing the cost from parabolic trough- CSP plant. Exergetic and environmental life cycle assessment analyses are conducted for the selected plant in chapter Five; the objectives are 1) to assess the environmental impact and cost, in terms of exergy of the life cycle of the plant; 2) to find out the points of weakness in terms of irreversibility of the process; and 3) to verify whether solar power plants can reduce environmental impact and the cost of electricity generation by comparing them with fossil fuel plants, in particular, Natural Gas Combined Cycle (NGCC) plant and oil thermal power plant. The analysis also targets a thermoeconomic analysis using the specific exergy costing (SPECO) method to evaluate the level of the cost caused by exergy destruction. The main technological findings are that the most important contribution impact lies with the solar field, which reports a value of 79%; and the materials with the vi highest impact are: steel (47%), molten salt (25%) and synthetic oil (21%). The “Human Health” damage category presents the highest impact (69%) followed by the “Resource” damage category (24%). In addition, the highest exergy demand is linked to the steel (47%); and there is a considerable exergetic demand related to the molten salt and synthetic oil with values of 25% and 19%, respectively. Finally, in the comparison with fossil fuel power plants (NGCC and Oil), the CSP plant presents the lowest environmental impact, while the worst environmental performance is reported to the oil power plant followed by NGCC plant. The solar field presents the largest value of cost rate, where the boiler is a component with the highest cost rate among the power cycle components. The thermal storage allows the CSP plants to overcome solar irradiation transients, to respond to electricity demand independent of weather conditions, and to extend electricity production beyond the availability of daylight. Numerical analysis of the thermal transient response of a thermocline storage tank is carried out for the charging phase. The system of equations describing the numerical model is solved by using time-implicit and space-backward finite differences and which encoded within the Matlab environment. The analysis presented the following findings: the predictions agree well with the experiments for the time evolution of the thermocline region, particularly for the regions away from the top-inlet. The deviations observed in the near-region of the inlet are most likely due to the high-level of turbulence in this region due to the localized level of mixing resulting; a simple analytical model to take into consideration this increased turbulence level was developed and it leads to some improvement of the predictions; this approach requires practically no additional computational effort and it relates the effective thermal diffusivity to the mean effective velocity of the fluid at each particular height of the system. Altogether the study indicates that the selected parabolic trough-CSP plant has the edge over alternative competing technologies for locations where DNI is high and where land usage is not an issue, such as the shoreline of Libya.

Avaliação biomecânica de prótese de joelho sob influência de carga assimétrica

O trabalho foca-se no estudo biomecânico de próteses do joelho. Através de modelos computacionais pretendeu-se obter o melhor desempenho da prótese, variando as geometrias e os materiais. Os modelos foram submetidos à compressão com carga assimétrica para avaliação do comportamento da prótese e zonas de maior desgaste ósseo.

Construyendo Perfiles Virtuales Mediante el Procesamiento de Eventos Complejos

A medida que se incrementa el nímero de dispositivos inteligentes, el esfuerzo requerido para adaptarlos a las necesidades de cada usuario también crece. Asimismo, el proceso de adaptación de un dispositivo al contexto de un usuario es todavía un proceso muy manual. A pesar de que en los últimos años han surgido algunas propuestas centradas en obtener la información contextual de los usuarios para crear sus perfiles virtuales, se necesitan soluciones novedosas que permitan crear perfiles más completos, que sean utilizados por los dispositivos inteligentes para adaptarse automáticamente a las necesidades de sus usuarios, redundando en una mayor exactitud de la adaptación. En este artículo se propone la integración del modelo computacional People as a Service (PeaaS) con el procesamiento de eventos complejos (CEP) para la creación en tiempo real de perfiles virtuales complejos desde el propio dispositivo móvil y la compartición de estos como servicios para el resto de sistemas y dispositivos. Además, se evalúa esta integración en un caso de estudio sobre Alzheimer. Los resultados confirman que el uso de la tecnología CEP para la identificación de información contextual compleja es posible.

Comportamiento termomecánico de una funda para eje motriz durante el proceso de soldadura por fricción rotativa directa

La industria automotriz requiere una alta calidad en la fabricación de sus productos, tales como las fundas para diferencial, por lo que es de suma importancia tener un control sobre el comportamiento mecánico de estos productos. Los procesos de unión en estado sólido, son conocidos como procesos de unión permanente, o procesos de soldadura. Estos procesos son utilizados debido a su diversa aplicación en distintos tipos de industrias así como también en la unión permanente de materiales ferrosos y no ferrosos. La razón esencial que impulsa esta investigación es el impacto que presentan ciertas anomalías mecánicas en piezas del giro automotriz, afectando no solo la producción de estas, sino también sus costos finales. Motivo por el que se buscó desarrollar una metodología que permitió el análisis numérico de las deformaciones y deflexiones presentes así como esfuerzos y cargas en el proceso de soldadura por fricción rotativa que se encuentra en la línea 2 de la planta de SISAMEX, S.A. de C.V. En este estudio se logró desarrollar un modelo computacional para estudiar el conjunto de elementos durante el proceso de soldadura por fricción rotativa directa. La geometria de la funda-husillo influyó considerablemente en el comportamiento mecanico durante el proceso de unión. De acuerdo a los resultados experimentales y el análisis numérico se observó que los desplzamientos mayores se generan durante la fase 2, siendo en la fase 3 mínimos o nulos. Se logró replicar con éxito el proceso de soldadura por fricción rotativa mediante un análisis numérico 2D mediante un paquete comercial CAE, así mismo se realizó la simulación del proceso en condiciones ideales y modificadas mediante un análisis 3D y se validó a través de pruebas experimentales en planta.