Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Algoritmos inteligentes de baixa complexidade

A domótica é uma área com grande interesse e margem de exploração, que pretende alcançar a gestão automática e autónoma de recursos habitacionais, proporcionando um maior conforto aos utilizadores. Para além disso, cada vez mais se procuram incluir benefícios económicos e ambientais neste conceito, por forma a garantir um futuro sustentável. O aquecimento de água (por meios elétricos) é um dos fatores que mais contribui para o consumo de energia total de uma residência. Neste enquadramento surge o tema “algoritmos inteligentes de baixa complexidade”, com origem numa parceria entre o Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) da Universidade de Aveiro e a Bosch Termotecnologia SA, que visa o desenvolvimento de algoritmos ditos “inteligentes”, isto é, com alguma capacidade de aprendizagem e funcionamento autónomo. Os algoritmos devem ser adaptados a unidades de processamento de 8 bits para equipar pequenos aparelhos domésticos, mais propriamente tanques de aquecimento elétrico de água. Uma porção do desafio está, por isso, relacionada com as restrições computacionais de microcontroladores de 8 bits. No caso específico deste trabalho, foi determinada a existência de sensores de temperatura da água no tanque como a única fonte de informação externa aos algoritmos, juntamente com parâmetros pré-definidos pelo utilizador que estabelecem os limiares de temperatura máxima e mínima da água. Partindo deste princípio, os algoritmos desenvolvidos baseiam-se no perfil de consumo de água quente, observado ao longo de cada semana, para tentar prever futuras tiragens de água e, consequentemente, agir de forma adequada, adiantando ou adiando o aquecimento da água do tanque. O objetivo é alcançar uma gestão vantajosa entre a economia de energia e o conforto do utilizador (água quente), isto sem que exista necessidade de intervenção direta por parte do utilizador final. A solução prevista inclui também o desenvolvimento de um simulador que permite observar, avaliar e comparar o desempenho dos algoritmos desenvolvidos.

Embedded platform for ECG biometric recognition

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Sistema de visão para aterragem automática de UAV

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Scalable and Efficient Configuration of TimeDivision Multiplexed Resources

Consumer-electronics systems are becoming increasingly complex as the number of integrated applications is growing. Some of these applications have real-time requirements, while other non-real-time applications only require good average performance. For cost-efficient design, contemporary platforms feature an increasing number of cores that share resources, such as memories and interconnects. However, resource sharing causes contention that must be resolved by a resource arbiter, such as Time-Division Multiplexing. A key challenge is to configure this arbiter to satisfy the bandwidth and latency requirements of the real-time applications, while maximizing the slack capacity to improve performance of their non-real-time counterparts. As this configuration problem is NP-hard, a sophisticated automated configuration method is required to avoid negatively impacting design time. The main contributions of this article are: 1) An optimal approach that takes an existing integer linear programming (ILP) model addressing the problem and wraps it in a branch-and-price framework to improve scalability. 2) A faster heuristic algorithm that typically provides near-optimal solutions. 3) An experimental evaluation that quantitatively compares the branch-and-price approach to the previously formulated ILP model and the proposed heuristic. 4) A case study of an HD video and graphics processing system that demonstrates the practical applicability of the approach.

Calcul en n-dimensions sur GPU

Le code source de la libraire développée accompagne ce dépôt dans l'état où il était à ce moment. Il est possible de trouver une version plus à jour sur github (http://github.com/abergeron).

Molecular breakdown of different forms of natural rubber and its influence on properties of their mixes and vulcanizates

The forms of natural rubber studied were sheet [RSS 4 and RSS 5], ISNR 20 and EBC. In the case of the latter two forms samples from estate and nonestate sectors were included. The samples were collected from different locations at specified intervals, for a particular period. The effect of the extent of mastication on raw rubber properties as well as the properties of the compounds and vulcanizates also studied. The consistency in raw rubber properties and breakdown behavior of skim rubber were studied by collecting samples periodically from selected processing units. The effect of incorporation of skim with ISNR 20 has also been investigated

A comparative study of multilayered and single layered neural network based predictive controllers

The authors compare the performance of two types of controllers one based on the multilayered network and the other based on the single layered CMAC network (cerebellar model articulator controller). The neurons (information processing units) in the multi-layered network use Gaussian activation functions. The control scheme which is considered is a predictive control algorithm, along the lines used by Willis et al. (1991), Kambhampati and Warwick (1991). The process selected as a test bed is a continuous stirred tank reactor. The reaction taking place is an irreversible exothermic reaction in a constant volume reactor cooled by a single coolant stream. This reactor is a simplified version of the first tank in the two tank system given by Henson and Seborg (1989).

Emergence of a small-world functional network in cultured neurons

The functional networks of cultured neurons exhibit complex network properties similar to those found in vivo. Starting from random seeding, cultures undergo significant reorganization during the initial period in vitro, yet despite providing an ideal platform for observing developmental changes in neuronal connectivity, little is known about how a complex functional network evolves from isolated neurons. In the present study, evolution of functional connectivity was estimated from correlations of spontaneous activity. Network properties were quantified using complex measures from graph theory and used to compare cultures at different stages of development during the first 5 weeks in vitro. Networks obtained from young cultures (14 days in vitro) exhibited a random topology, which evolved to a small-world topology during maturation. The topology change was accompanied by an increased presence of highly connected areas (hubs) and network efficiency increased with age. The small-world topology balances integration of network areas with segregation of specialized processing units. The emergence of such network structure in cultured neurons, despite a lack of external input, points to complex intrinsic biological mechanisms. Moreover, the functional network of cultures at mature ages is efficient and highly suited to complex processing tasks.

EMD performance comparison: single vs double floating points

Empirical mode decomposition (EMD) is a data-driven method used to decompose data into oscillatory components. This paper examines to what extent the defined algorithm for EMD might be susceptible to data format. Two key issues with EMD are its stability and computational speed. This paper shows that for a given signal there is no significant difference between results obtained with single (binary32) and double (binary64) floating points precision. This implies that there is no benefit in increasing floating point precision when performing EMD on devices optimised for single floating point format, such as graphical processing units (GPUs).

A multi-GPU algorithm for large-scale neuronal networks

Large-scale simulations of parts of the brain using detailed neuronal models to improve our understanding of brain functions are becoming a reality with the usage of supercomputers and large clusters. However, the high acquisition and maintenance cost of these computers, including the physical space, air conditioning, and electrical power, limits the number of simulations of this kind that scientists can perform. Modern commodity graphical cards, based on the CUDA platform, contain graphical processing units (GPUs) composed of hundreds of processors that can simultaneously execute thousands of threads and thus constitute a low-cost solution for many high-performance computing applications. In this work, we present a CUDA algorithm that enables the execution, on multiple GPUs, of simulations of large-scale networks composed of biologically realistic Hodgkin-Huxley neurons. The algorithm represents each neuron as a CUDA thread, which solves the set of coupled differential equations that model each neuron. Communication among neurons located in different GPUs is coordinated by the CPU. We obtained speedups of 40 for the simulation of 200k neurons that received random external input and speedups of 9 for a network with 200k neurons and 20M neuronal connections, in a single computer with two graphic boards with two GPUs each, when compared with a modern quad-core CPU. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Emergent effects in massive agent swarms in real-time game environments

 Computational efficiency and hence the scale of agent-based swarm simulations is bound by the nearest neighbour computation for each agent. This article proposes the use of GPU texture memory to implement lookup tables for a spatial partitioning based k-Nearest Neighbours algorithm. These improvements allow simulation of swarms of 220 agents at higher rates than the current best alternative algorithms. This approach is incorporated into an existing framework for simulating steering behaviours allowing for a complete implementation of massive agent swarm simulations, with per agent behaviour preferences, on a Graphics Processing Unit. These simulations have enabled an investigation of the emergent dynamics that occur when massive swarms interact with a choke point in their environment. Various modes of sustained dynamics with temporal and spatial coherence are identified when a critical mass of agents is simulated and some elementary properties are presented. The algorithms presented in this article enable researchers and content designers in games and movies to implement truly massive agent swarms in real time and thus provide a basis for further identification and analysis of the emergent dynamics in these swarms. This will improve not only the scale of swarms used in commercial games and movies but will also improve the reliability of swarm behaviour with respect to content design goals.

Mudança do sistema informatizado de orçamentação prévia utilizado na Unidade de Negócios Refinaria Duque de Caxias para a contratação dos serviços de caldeiraria nas paradas de manutenção das unidades de processamento

Este trabalho tem por objetivo analisar as mudanças no sistema informatizado de orçamentação prévia dos serviços de caldeiraria que são realizados nas paradas de manutenção das unidades de processamento da Refinaria Duque de Caxias da PETROBRAS. Para tal fim, apresenta-se, inicialmente, um breve histórico da legislação que orientou as contratações de serviços na PETROBRAS sob a óptica da exigência de uma orçamentação prévia e a contextualização desta orçamentação no processo de contratação da Refinaria Duque de Caxias. Em seguida, são estudadas as variáveis que influenciam o orçamento dos serviços em análise, inclusive àquelas referentes a tributos e impostos, bem como os sistemas informatizados (atual e anterior) que calculam os preços finais dos serviços. Concluiu-se que o novo sistema informatizado trouxe mmor confiabilidade aos valores encontrados, mas ainda há muito que ser feito nesta área, desde a determinação de índices de produtividade da mão-de-obra até o estudo mais detalhado dos insumos ligados à legislação trabalhista e tributária.

Implementação e avaliação de máquinas de comitê em um ambiente com múltiplos processadores embarcados em um único chip

The number of applications based on embedded systems grows significantly every year, even with the fact that embedded systems have restrictions, and simple processing units, the performance of these has improved every day. However the complexity of applications also increase, a better performance will always be necessary. So even such advances, there are cases, which an embedded system with a single unit of processing is not sufficient to achieve the information processing in real time. To improve the performance of these systems, an implementation with parallel processing can be used in more complex applications that require high performance. The idea is to move beyond applications that already use embedded systems, exploring the use of a set of units processing working together to implement an intelligent algorithm. The number of existing works in the areas of parallel processing, systems intelligent and embedded systems is wide. However works that link these three areas to solve any problem are reduced. In this context, this work aimed to use tools available for FPGA architectures, to develop a platform with multiple processors to use in pattern classification with artificial neural networks

Queda de pressão estática por meio de uma coluna de noz macadâmia

As unidades de beneficiamento de macadâmia adotam silos secadores distintos, para cada etapa de secagem, a fim de garantir a manutenção da qualidade do produto pela redução da umidade a níveis desejáveis. Diante da necessidade de quantificar a resistência apresentada pelas nozes, submetidas a diferentes fluxos de ar durante a secagem, bem como avaliar a possibilidade de utilização de modelos empíricos, que estimem o gradiente de pressão a partir da vazão de ar, conduziram-se vários testes em laboratório para obtenção de dados experimentais e ajuste de modelos. Frutos de macadâmia (M. integrifolia), com umidade de 0,11 b.s., após limpeza e classificação, foram colocados no interior de um protótipo constituído por uma coluna de chapa galvanizada (com tomadas para medição da pressão estática), plenum e ventilador, sendo submetidos a diferentes fluxos de ar. Os testes consistiram de três medidas por profundidade, para cada um dos três lotes de nozes, perfazendo um total de nove medidas de pressão estática por profundidade na coluna. Os resultados obtidos permitiram concluir que os fluxos de ar testados apresentaram efeito significativo sobre a queda de pressão estática na coluna de macadâmia, a qual aumentou linearmente com a profundidade. Os dados experimentais ajustaram-se muito bem aos modelos de Shedd e Hunter, sugerindo sua boa aplicabilidade para a macadâmia.