Modelado de sistemas mediante redes neuronales

Tesis (Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, con especialidad en Control) U.A.N.L.

Design e gestão de sistemas, robótica, redes e médias interativos

Este relatório pretende ilustrar a experiência profissional obtida, principalmente após a conclusão, em 1998, da Licenciatura em Engenharia de Sistemas e Computadores na Universidade da Madeira. Esta experiência circunscreve-se à proficiência nas áreas de redes de comunicação de dados, automação e robótica e desenvolvimento de média interativos (tanto na vertente de CD-ROMs como orientado à Internet). Embora também disponha de experiência no ensino destas áreas citadas, foram privilegiados os projetos com uma relevância mais técnica atendendo à natureza deste mestrado. Sendo assim, são apresentadas nestas quatro áreas primeiro uma descrição dos projetos realizados no âmbito do percurso profissional, para depois descrever uma implementação (relativa a cada área) utilizando uma metodologia científica que fora alvo de estudo na componente letiva deste mestrado, salientando as virtudes e defeitos de ambas as abordagens e comparando os resultados obtidos. Em síntese, é analisado o projeto de gestão de sistemas de redes das Escolas Secundárias Francisco Franco e Jaime Moniz (no âmbito do desempenho das funções de Diretor das Instalações Informáticas em ambas as instituições) culminando numa proposta de implementação utilizando equipamentos da Cisco; é analisado o projeto de CD-ROM sobre a Reserva Natural das Ilhas Desertas para depois completar um jogo educativo utilizando uma metodologia científica de Game Design; são descritos os websites desenvolvidos (com especial ênfase nos realizados enquanto técnico superior de informática na Secretaria Regional do Ambiente e dos Recursos Naturais) para concluir com uma proposta de implementação de um sistema de marcação de reuniões orientado para a Cloud; finalmente, é descrito a utilização dos kits Lego Mindstorms para o ensino da programação, propondo uma implementação de baixo custo (alternativa) baseada num Raspberry Pi e componentes acessórios (tanto estandardizados como construídos com uma RepRap). Em suma, é contraposto o rigor e método do ensino académico com o pragmatismo e metas de produtividade exigidas no mercado de trabalho.

LWiSSy: uma linguagem específica de domínio para modelagem de sistemas de redes de sensores e atuadores sem fio

The field of Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) is fast increasing and has attracted the interest of both the research community and the industry because of several factors, such as the applicability of such networks in different application domains (aviation, civil engineering, medicine, and others). Moreover, advances in wireless communication and the reduction of hardware components size also contributed for a fast spread of these networks. However, there are still several challenges and open issues that need to be tackled in order to achieve the full potential of WSAN usage. The development of WSAN systems is one of the most relevant of these challenges considering the number of variables involved in this process. Currently, a broad range of WSAN platforms and low level programming languages are available to build WSAN systems. Thus, developers need to deal with details of different sensor platforms and low-level programming abstractions of sensor operational systems on one hand, and they also need to have specific (high level) knowledge about the distinct application domains, on the other hand. Therefore, in order to decouple the handling of these two different levels of knowledge, making easier the development process of WSAN systems, we propose LWiSSy (Domain Language for Wireless Sensor and Actuator Networks Systems), a domain specific language (DSL) for WSAN. The use of DSLs raises the abstraction level during the programming of systems and modularizes the system building in several steps. Thus, LWiSSy allows the domain experts to directly contribute in the development of WSANs without having knowledge on low level sensor platforms, and network experts to program sensor nodes to meet application requirements without having specific knowledge on the application domain. Additionally, LWiSSy enables the system decomposition in different levels of abstraction according to structural and behavioral features and granularities (network, node group and single node level programming)

Avaliação dos sistemas de redes viárias florestais em função dos custos e do risco de erosão

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

O Futuro dos Centros de Dados

Atualmente, as Tecnologias de Informação (TI) são cada vez mais vitais dentro das organizações. As TI são o motor de suporte do negócio. Para grande parte das organizações, o funcionamento e desenvolvimento das TI têm como base infraestruturas dedicadas (internas ou externas) denominadas por Centro de Dados (CD). Nestas infraestruturas estão concentrados os equipamentos de processamento e armazenamento de dados de uma organização, por isso, são e serão cada vez mais desafiadas relativamente a diversos fatores tais como a escalabilidade, disponibilidade, tolerância à falha, desempenho, recursos disponíveis ou disponibilizados, segurança, eficiência energética e inevitavelmente os custos associados. Com o aparecimento das tecnologias baseadas em computação em nuvem e virtualização, abrese todo um leque de novas formas de endereçar os desafios anteriormente descritos. Perante este novo paradigma, surgem novas oportunidades de consolidação dos CD que podem representar novos desafios para os gestores de CD. Por isso, é no mínimo irrealista para as organizações simplesmente eliminarem os CD ou transforma-los segundo os mais altos padrões de qualidade. As organizações devem otimizar os seus CD, contudo um projeto eficiente desta natureza, com capacidade para suportar as necessidades impostas pelo mercado, necessidades dos negócios e a velocidade da evolução tecnológica, exigem soluções complexas e dispendiosas tanto para a sua implementação como a sua gestão. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar os CD inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, evolução histórica, a sua topologia, arquitetura e normas existentes que regem os mesmos. Posteriormente o estudo detalha algumas das principais tendências condicionadoras do futuro dos CD. Explorando o conhecimento teórico resultante do estudo anterior, desenvolve-se uma metodologia de avaliação dos CD baseado em critérios de decisão. O estudo culmina com uma análise sobre uma nova solução tecnológica e a avaliação de três possíveis cenários de implementação: a primeira baseada na manutenção do atual CD; a segunda baseada na implementação da nova solução em outro CD em regime de hosting externo; e finalmente a terceira baseada numa implementação em regime de IaaS.

Estratificação da interação com o utilizador em ambientes de Realidade Virtual

A evolução tecnológica tem sido de tal ordem que a realidade virtual deixou de ser um mero conceito que apenas é possível de implementar recorrendo a máquinas com um poder de processamento muito elevado. Tendo em conta o potencial da realidade virtual e a não existência de boas práticas na criação da interface de um sistema que use este conceito, pretende-se, nesta dissertação, fazer um estudo sobre como pode ser analisada e estruturada a componente de interação através da estratificação de níveis de interação para as diferentes operações do sistema pretendido. Por forma a ser possível, posteriormente, comparar cada um dos sistemas relativamente à interação, foram estipulados um conjunto de ações/operações que teriam de ser passíveis de executar em cada um, bem como, um tema base, uma aplicação de realidade virtual de simulação de espaço aplicada ao sector mobiliário. Depois de implementados os sistemas, estes foram apresentados a um conjunto de pessoas que foram inquiridas sobre os mesmos, por forma a avaliar a interação com cada um. Através dos resultados obtidos da avaliação dos inquéritos entregues, foi possível concluir que, para uma grande parte das operações implementadas, existe uma preferência para que a realização da operação seja o mais similar à sua execução num contexto real.

Implementation of an IoT-based Sensor Network Integrating IoT-based Sensor Networks with Large-Scale Message Distribution

As technology advances not only do new standards and programming styles appear but also some of the previously established ones gain relevance. In a new Internet paradigm where interconnection between small devices is key to the development of new businesses and scientific advancement there is the need to find simple solutions that anyone can implement in order to allow ideas to become more than that, ideas. Open-source software is still alive and well, especially in the area of the Internet of Things. This opens windows for many low capital entrepreneurs to experiment with their ideas and actually develop prototypes, which can help identify problems with a project or shine light on possible new features and interactions. As programming becomes more and more popular between people of fields not related to software there is the need for guidance in developing something other than basic algorithms, which is where this thesis comes in: A comprehensive document explaining the challenges and available choices of developing a sensor data and message delivery system, which scales well and implements the delivery of critical messages. Modularity and extensibility were also given much importance, making this an affordable tool for anyone that wants to build a sensor network of the kind.

Efeitos especiais mediados por Kinect em contexto de espetáculo de dança ao vivo

A dança e os espetáculos foram atividades desenvolvidas e praticadas pelo homem desde praticamente a sua existência. Ao longo de todo esse período de tempo e até aos dias atuais estas atividades foram sofrendo evoluções que as fizeram manterem-se relevantes e de grande importância na sociedade humana e na sua cultura. A evolução não se fez sentir apenas no estilo das danças e espetáculos mas também nos acessórios e efeitos que estas implementam de forma a torna-las mais atrativas para quem as vê. Apesar desta evolução, a maioria dos efeitos não permite um nível de interação com a dança ou espetáculo, fazendo com que exista uma clara separação entre a componente pura da dança e o cenário do espetáculo no que diz respeito á componente acessória de efeitos. Com o intuito de colmatar esta clara divisão de componentes, iniciamos um estudo no sentido de criar um sistema que permitisse derrubar essa barreira e juntar as duas componentes com o intuito de criar efeitos que interajam com a própria dança tornando o espetáculo mais interativo, e que não seja apenas mais um componente acessório, isto ao mesmo tempo torna todo o espetáculo mais apelativo para o público em geral. Para conseguir criar tal sistema, recorremos às tecnologias de sensores de movimento atuais para que a ponte de ligação entre o artista e os efeitos fosse conseguida. No mercado existem diversas ofertas de sensores de movimentos que serviriam para criar o sistema, mas apenas um poderia ser escolhido, então para tal numa primeira parte foi feito um estudo para determinar qual destes sensores seria o mais adequado para ser utilizado no sistema, tendo em conta uma diversidade de fatores. Após a escolha do sensor foi então desenvolvido o sistema MoveU e tendo no final sido feitos uma série de testes que permitiram validar o protótipo e verificar se os objetivos propostos foram atingidos. Por fim, o MoveU foi demonstrado a uma série de pessoas (dançarinos e espectadores), para que pudessem opinar sobre ele e indicar possíveis melhoramentos. Foram também criados uma série de questionários para que o público a quem foi demonstrado o protótipo, com a finalidade de realizar uma análise estatística para determinar se este sistema seria do agrado das pessoas e também permitir retirar conclusões sobre este trabalho.

Metodologia de localização de defeitos em redes subterrâneas integrando PSCAD/EMTDC e sistemas inteligentes

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Precificação e hedge dinâmico de opções de Telebrás utilizando redes neurais

As redes neurais podem ser uma alternativa aos modelos paramétricos tradicionais para a precificação de opções quando a dinâmica do ativo primário não for conhecida ou quando a equação associada à condição de não-arbitragem não puder ser resolvida analiticamente. Este trabalho compara a performance do modelo tradicional de Black-Scholes e as redes neurais. Os modelos foram utilizados para precificar e realizar a cobertura dinâmica das opções de compra das ações de Telebrás. Os resultados obtidos sugerem que as redes neurais deveriam ser consideradas pelos operadores de opções como uma alternativa aos modelos tradicionais.

Redes-em-chip de baixo custo

Com as recentes tecnologias de fabricação é possível integrar milhões de transistores em um único chip, permitindo a criação dos chamados System-on-Chip (SoCs), que integram em um único chip um grande número de componentes (tipicamente blocos reutilizáveis conhecidos por núcleos). Quanto mais complexos forem estes sistemas, melhores técnicas de projeto serão necessárias para também reduzir o tempo e custo do projeto. Uma destas técnicas, chamada de Network-on-Chip (NoC), permite melhorar a performance da comunicação entre os núcleos e, ao mesmo tempo, fornecer uma plataforma de comunicação escalável e que pode ser reutilizada para um grande número de sistemas. Uma NoC pode ser definida como uma estrutura de roteadores e canais ponto-a-ponto que interconectam os núcleos de um sistema, provendo o suporte de comunicação entre eles. Os dados são transmitidos pela rede na forma de mensagens, que podem ser divididas em unidades menores chamadas de pacote. Uma das desvantagens desta plataforma de comunicação é o impacto na área do sistema causado pelos roteadores. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma arquitetura de roteador de baixo custo, com o objetivo de permitir o uso de NoCs em sistemas onde a área do roteador representará um grande impacto no custo do sistema. A arquitetura deste roteador, chamado de Tonga, é baseada em um roteador chamado RASoC, um soft-core para SoCs. Nesta dissertação será apresentada também uma rede heterogênea, baseada na rede SoCIN, e composta por dois tipos de roteadores – RASoC e Tonga. Estes roteadores visam diferentes objetivos: Rasoc alcança uma maior performance comparada ao Tonga, mas ocupa área consideravelmente maior. Potencialmente, uma NoC heterogênea otimizada pode ser desenvolvida combinando estes roteadores, procurando o melhor compromisso entre área e latência. Os modelos desenvolvidos permitem a estimativa de área e do desempenho das arquiteturas de comunicação propostas e são apresentados resultados de performance para algumas aplicações.

Desenvolvimento de uma arquitetura em hardware prototipada em FPGA para aplicações genéricas utilizando redes neurais artificiais embarcadas

This work proposes hardware architecture, VHDL described, developed to embedded Artificial Neural Network (ANN), Multilayer Perceptron (MLP). The present work idealizes that, in this architecture, ANN applications could easily embed several different topologies of MLP network industrial field. The MLP topology in which the architecture can be configured is defined by a simple and specifically data input (instructions) that determines the layers and Perceptron quantity of the network. In order to set several MLP topologies, many components (datapath) and a controller were developed to execute these instructions. Thus, an user defines a group of previously known instructions which determine ANN characteristics. The system will guarantee the MLP execution through the neural processors (Perceptrons), the components of datapath and the controller that were developed. In other way, the biases and the weights must be static, the ANN that will be embedded must had been trained previously, in off-line way. The knowledge of system internal characteristics and the VHDL language by the user are not needed. The reconfigurable FPGA device was used to implement, simulate and test all the system, allowing application in several real daily problems

Análise e desempenho de redes de acesso sem fio

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Abordagens de sistemas inteligentes para a solução do problema de despacho econômico de geração

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudio y aplicación de redes neuronales artificiales al análisis y diseño de antenas reflectarrays

En los últimos años, estamos siendo testigos de la alta implantación en la sociedad de dispositivos de comunicación. Lo que hace años estaba reservado a un público reducido, con claras necesidades en comunicación, se ha trasladado al público general, dado la amplia variedad de servicios que sobre los nuevos medios de comunicación se han desarrollado. De hecho, el mayor tráfico de datos en la actualidad no se produce al hilo de necesidades de máxima importancia, sino como producto de nuevos hábitos cotidianos. En este contexto de renovación tecnológica constante en busca de la eficiencia, las antenas reflectoras reflectarray (o, simplemente, los reflectarrays, RAs, [1]) se presentan como una opción competitiva contra los reflectores parabólicos metálicos. En su versión más simple, una antena reflectarray se trata de una estructura compuesta de un elemento alimentador radiante, como puede ser una bocina, y de una superficie plana, consistente en multitud de elementos individuales dispuestos en una rejilla periódica. Sobre esta superficie plana, los frentes de onda provenientes del alimentador son reflejados formando frentes de ondas planas, de una manera análoga a como lo hace un reflector parabólico. A partir de la configuración inicial, y centrándose en el principio de funcionamiento, se ha ido modificando el tipo de elemento RA empleado, consiguiendo RA cada vez más operativos. Es, sobre todo, con el nacimiento de la tecnología impresa cuando las antenas RAs vuelven a cobrar interés. Aunque el uso de tecnología impresa supuso un gran impulso en los RAs, también abrió otros desafíos en lo que al diseño de ellos se refiere. Desde el punto de vista del análisis, es común suponer que el elemento RA se encuentra en un ambiente infinitamente periódico, de forma que se puedan aplicar las condiciones de contorno de Floquet (suposición de periodicidad local). Desde un punto de vista funcional, en general, los elementos RA de tecnología impresa presentan un ancho de banda reducido, que condiciona el ancho de banda del RA completo. Entre las soluciones aportadas, es comúnmente aceptado que las estructuras multicapa, con resonadores a distintas frecuencias cercanas, pueden mitigar en parte el problema del ancho de banda. Por ello, en la actualidad, los elementos RA más comunes están compuestos por varios elementos resonadores, cuyas dimensiones constituyen los parámetros de diseño libres. Es decir, en función de dichas dimensiones, el elemento RA tendrá un valor del coeficiente de reflexión u otro. Esto supone un aumento en la complejidad a la hora de analizar dicho elemento por los métodos numéricos conocidos, como el Método de los Momentos (MoM) o el Método de Elementos Finitos (FEM, por las siglas de su traducción inglesa Finite Element Method), que redundará en un mayor tiempo de cómputo en el análisis. Por otra parte, como se muestra en la Figura R.1, el diseño de un RA conlleva analizar multitud de veces el elemento RA considerado. En efecto, se trata de un método de diseño indirecto, en donde las dimensiones de los parámetros geométricos libres de cada elemento RA se obtienen de manera iterativa usando un optimizador. Se ve claro, entonces, que el aumento en tiempo de análisis del elemento RA repercute en gran medida en el tiempo de diseño total, por lo que una reducción en el tiempo de análisis del elemento RA podría ser muy beneficioso. Uno de los métodos para conseguir reducir el tiempo de diseño de un RA, que se puede encontrar en la literatura, es emplear un modelo de la respuesta del elemento RA en función de los parámetros libres. La cuestión que aflora es cuál es la herramienta idónea para modelar la respuesta del elemento RA. En los últimos años se han propuestos varias formas. La primera de ellas consistía en encontrar un equivalente circuital. Esta aproximación está bien extendida para otras estructuras EM, donde los equivalentes circuitales con componentes LC ofrecen respuestas muy precisas con respecto a las que ofrecen las estructuras EM en sí. A raíz del carácter no lineal de la respuesta, hay autores que han propuesto para el diseño de RAs la creación de tablas de datos (look up tables) que, para cada parámetro de diseño de interés (suele ser el desfase introducido por el elemento) guardan las dimensiones de los parámetros geométricos libres asociados. De esta forma, consiguen un diseño rápido, pero poco versátil, ya que la tabla ofrece un único valor para cada entrada, por lo que es difícil jugar con más de una restricción de diseño. Más recientemente, se está comenzando a utilizar, para la caracterización de estructuras EM, unos sistemas llamados Redes Neuronales Artificiales (ANN, por sus siglas en inglés Artificial Neural Network). El uso fundamental de los mismos en EM es el de servir como interpoladores no lineales. Se trata de sistemas que admiten múltiples parámetros de entradas y múltiples parámetros de salida. Antes de poder ser usados como interpoladores, deben ser entrenados. Para ello, necesitan de un conjunto de pares de los parámetros de entrada a la red, con los valores de las salidas asociados. Algunos usos en electromagnetismo de las ANNs que se pueden encontrar en la literatura son: el modelado de filtros; la caracterización de dispositivos activos; la obtención de modelos que aceleran los algoritmos que calculan la dirección de llegada en antenas de radar; o el diseño de arrays de antenas. Volviendo al modelado de elementos RA, en este trabajo haremos uso de las ANNs para caracterizar distintos tipos de elementos RA. A lo largo de estos últimos años, se ha considerado esta posibilidad como una de las más prometedoras. De hecho, podemos encontrar algunas pocas referencias al respecto, varias de las cuales han sido publicadas por distintos autores durante la elaboración del trabajo recogido en esta Tesis. Como veremos, los resultados que vamos a presentar aportan novedades con respecto a la citada literatura. Particularmente, en este trabajo se ha realizado la caracterización de un elemento RA de tres capas, considerando hasta 9 parámetros de entrada (seis parámetros geométricos, las dos coordenadas del ángulo de incidencia, y la frecuencia) y 4 parámetros de salida complejos (los coeficientes de reflexión para dos polarizaciones ortogonales lineales). Haciendo uso de esta caracterización en el flujo de diseño de RAs, se ha realizado el análisis y el diseño de varias antenas RA con restricciones de diseño de comunicaciones espaciales. Los resultados fueron exitosos comparados con los resultados obtenidos por los métodos tradicionales. De manera puntualizada, podríamos resumir las aportaciones que se verán en esta Tesis como: Caracterización de distintos elementos RA mediante ANNs basadas en el Perceptrón Multicapa (MLP). En concreto, se ha realizado con éxito la caracterización de un elemento RA de parche acoplado a línea de retardo a través de apertura; la caracterización de un elemento RA basado en dipolos sobre substratos de distintas características eléctricas en el rango de centenas de GHz; y la caracterización de un elemento RA basado en 3 parches apilados, con 9 parámetros libres en su caracterización. Uso del FEM, de la técnica de segmentación en subdominios y de la generación y manipulación de accesos MAM para el análisis y la caracterización de elementos RA mediante ANNs. Desarrollo de una nueva técnica de obtención de muestras, para el caso de estructura multicapa cuyo estudio EM se pueda dividir en dos pasos: estudio de cada capa y conexión de capas. De esta forma, se ha podido reducir en varios órdenes de magnitud el tiempo necesario para obtener el set de entrenamiento de las ANNs. Valoración del uso de distintos métodos de entrenamiento de segundo orden para el entrenamiento de redes ANN MLP, en la caracterización de elementos RA. Desarrollo de una nueva técnica para realizar el entrenamiento de redes ANNs basadas en el MLP, denominada como Entrenamiento en Cascada. Dado el alto número de parámetros a caracterizar, era difícil conseguir una red que, partiendo del número de entradas deseado, proporcionara convergencia con precisión suficiente. Con el algoritmo propuesto y probado en esta Tesis, se consiguió entrenar redes de 8 parámetros de entradas (el noveno parámetro, la frecuencia, correspondía a redes diferentes para cada valor) con gran precisión. Desarrollo de un método adaptativo para mejorar la precisión de las ANNs en el análisis de antenas RA. Este método, basado en re-entrenar las ANNs para sub rangos de los parámetros de entrada en donde el error es mayor, aporta una precisión mayor, al mejorar el entrenamiento global de las ANNs, en un tiempo aceptable, ya que solo se incluyen nuevas muestras en torno a los valores donde el error es mayor. Análisis de antena RA completa, con cobertura según especificaciones de la misión AMAZONAS (haz conformado, banda Ku), usando las caracterización el elemento RA obtenida mediante ANNs. La mejora en tiempo de análisis conseguida con respecto al uso del MoM está en un factor 102, con precisiones comparables. Diseño de antenas RA completas, con especificaciones de haz pincel y EuTELSAT (banda Ku). De nuevo, la mejora en tiempo de diseño conseguida están en torno a 102. De todos los puntos anteriores, son de destacar los dos últimos, que forman el objetivo principal de esta Tesis. Esto es, el uso de modelos rápidos de elementos RA mediante ANNs para el análisis y el diseño de antenas para comunicaciones por satélite.