Algoritmos de otimização e o problema inverso aplicados à identificação de danos estruturais com o uso do MEF

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015.

Electrical Impedance Tomography: strategie algoritmiche per il problema inverso

La tomografia ad impedenza elettrica è un metodo di imaging relativamente nuovo che ha suscitato interesse in un ampia gamma di discipline, la sua portabilità, sicurezza e basso costo suggeriscono che potrebbe risolvere diversi problemi clinici. Matematicamente il problema dell'EIT può essere suddiviso in un problema in avanti e uno inverso. Il problema forward, si basa su un'equazione differenziale parziale ellittica, e definisce l'insieme delle tensioni misurate a partire da una distribuzione nota di conducibilità. Il problema inverso è modellato come un problema dei minimi quadrati non lineare, in cui si cerca di ridurre al minimo la differenza tra le tensioni misurate e quelle generate dalla conducibilità ricostruita. Il problema inverso è mal posto e porta ad una soluzione che non dipende con continuità dai dati e quindi le tecniche di ricostruzione richiedono l'introduzione di un termine di regolarizzazione. L'elaborato si concentra sulle strategie algoritmiche per il problema inverso e sulla realizzazione di un'interfaccia grafica in grado di settare i parametri e confrontare velocemente i metodi proposti. Il progetto nella sua visione più ampia vorrebbe utilizzare le strategie algoritmiche proposte per dati ottenuti dal sistema prodotto dall'Università di Bologna nel laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare (ICM) di Cesena. I risultati dei test consentono di delineare quali siano gli strumenti migliori per poter arrivare ad una corretta ricostruzione dell'immagine nonché suggerire possibili miglioramenti della configurazione hardware al fine arrivare a risultati sperimentali completi.

Formulação analítica para solução do problema de ordenada discreta unidimensional

Nete trabalho é apresentada uma solução analílica para o problema de ordenada discreta unidimensional e multigrupo de transporle de neutrons em simetria planar. A idéia básica da formulação proposta consiste na aplicação da transformada de Laplace na equação de ordenada discreta. Para a solução do sistema linear resultante, uma solução explícila para a matriz lnversa é estabelecida. Dessa forma, o fluxo angular é obtido, por inversão analítica, em termos do fluxo angular em x=O. Essa formulação é aplicada a problemas de domínio finito e semi-infinito. No primeiro caso, os valores de fluxo angular desconhecidos na fronteira em x=O, são determinados a partir dos valores conhecidos do fluxo angular em x=a; no segundo caso é usada a condição de que o fluxo angular é limilado no infinito. Foram tratados problemas homogêneos e heterogêneos para a placa plana com um grupo de neutrons e multigrupo.O problema inverso, que consiste na determinação do fluxo incidente na fronteira a partir de valores do fluxo escalar no interior do domínio, também foi resolvido. Os resullados obtidos para os problemas acima descritos, apresentaram uma boa comparação com os resultados disponíveis na literatura.

Informação a priori na inversão de dados magnetotelúricos

Esta Tese apresenta dois estudos aplicados à inversão de dados magnetotelúricos. No primeiro deles, os parâmetros obtidos na inversão são as dimensões da malha de parametrização da subsuperfície, sendo conhecida, a priori, a resistividade de uma heterogeneidade e a do seu meio envolvente; no outro estudo, é abordado o uso de operadores de derivadas de ordem maior do que um com a finalidade de estabilizar o problema inverso. No primeiro estudo, os resultados podem ser considerados satisfatórios somente se a informação sobre as resistividades tem erro menor do que 20%. No segundo estudo, os resultados demonstram que o uso de operadores de ordem maior do que um podem ser mais eficazes do que o uso convencional do operador de primeira derivada, pois além de estabilizarem o problema inverso, esses operadores contribuem para melhorar a resolução das heterogeneidades de resistividade da subsuperfície. Ambos os estudos são inéditos, pois a prática de inversão de dados magnetotelúricos consiste de obter como resultado do problema inverso a resistividade dos prismas de uma malha de parametrização de dimensões fixas, usando como estabilizador o operador de primeira derivada. Os modelos usados nos estudos são bidimensionais e representam uma subsuperfície com uma e duas heterogeneidades de forma prismática envolvidas por ambiente homogêneo. O desempenho das técnicas foi testado com dados sintéticos com e sem ruído gaussiano, bem como dados reais do perfil COPROD2. Durante o trabalho, são, ainda, descritas as técnicas de inversão denominadas creeping e jumping e feita uma comparação e avaliação sobre elas. Mostra-se aqui que, ao contrário do que afirmam muitos pesquisadores, a inclusão de informação a priori sore os parâmetros pode ser feita na técnica do creeping com a mesma facilidade com que é feita na técnica do jumping.

Mapeamento do relevo do embasamento de bacias sedimentares através da inversão gravimétrica vinculada

Apresentamos três novos métodos estáveis de inversão gravimétrica para estimar o relevo de uma interface arbitrária separando dois meios. Para a garantia da estabilidade da solução, introduzimos informações a priori sobre a interface a ser mapeada, através da minimização de um (ou mais) funcional estabilizante. Portanto, estes três métodos se diferenciam pelos tipos de informação físico-geológica incorporados. No primeiro método, denominado suavidade global, as profundidades da interface são estimadas em pontos discretos, presumindo-se o conhecimento a priori sobre o contraste de densidade entre os meios. Para a estabilização do problema inverso introduzimos dois vínculos: (a) proximidade entre as profundidades estimadas e verdadeiras da interface em alguns pontos fornecidas por furos de sondagem; e (b) proximidade entre as profundidades estimadas em pontos adjacentes. A combinação destes dois vínculos impõe uma suavidade uniforme a toda interface estimada, minimizando, simultaneamente em alguns pontos, os desajustes entre as profundidades conhecidas pelas sondagens e as estimadas nos mesmos pontos. O segundo método, denominado suavidade ponderada, estima as profundidades da interface em pontos discretos, admitindo o conhecimento a priori do contraste de densidade. Neste método, incorpora-se a informação geológica que a interface é suave, exceto em regiões de descontinuidades produzidas por falhas, ou seja, a interface é predominantemente suave porém localmente descontínua. Para a incorporação desta informação, desenvolvemos um processo iterativo em que três tipos de vínculos são impostos aos parâmetros: (a) ponderação da proximidade entre as profundidades estimadas em pontos adjacentes; (b) limites inferior e superior para as profundidades; e (c) proximidade entre todas as profundidades estimadas e um valor numérico conhecido. Inicializando com a solução estimada pelo método da suavidade global, este segundo método, iterativamente, acentua as feições geométricas presentes na solução inicial; ou seja, regiões suaves da interface tendem a tornar-se mais suaves e regiões abruptas tendem a tornar-se mais abruptas. Para tanto, este método atribui diferentes pesos ao vínculo de proximidade entre as profundidades adjacentes. Estes pesos são automaticamente atualizados de modo a acentuar as descontinuidades sutilmente detectadas pela solução da suavidade global. Os vínculos (b) e (c) são usados para compensar a perda da estabilidade, devida à introdução de pesos próximos a zero em alguns dos vínculos de proximidade entre parâmetros adjacentes, e incorporar a informação a priori que a região mais profunda da interface apresenta-se plana e horizontal. O vínculo (b) impõe, de modo estrito, que qualquer profundidade estimada é não negativa e menor que o valor de máxima profundidade da interface conhecido a priori; o vínculo (c) impõe que todas as profundidades estimadas são próximas a um valor que deliberadamente viola a profundidade máxima da interface. O compromisso entre os vínculos conflitantes (b) e (c) resulta na tendenciosidade da solução final em acentuar descontinuidades verticais e apresentar uma estimativa suave e achatada da região mais profunda. O terceiro método, denominado mínimo momento de inércia, estima os contrastes de densidade de uma região da subsuperfície discretizada em volumes elementares prismáticos. Este método incorpora a informação geológica que a interface a ser mapeada delimita uma fonte anômala que apresenta dimensões horizontais maiores que sua maior dimensão vertical, com bordas mergulhando verticalmente ou em direção ao centro de massa e que toda a massa (ou deficiência de massa) anômala está concentrada, de modo compacto, em torno de um nível de referência. Conceitualmente, estas informações são introduzidas pela minimização do momento de inércia das fontes em relação ao nível de referência conhecido a priori. Esta minimização é efetuada em um subespaço de parâmetros consistindo de fontes compactas e apresentando bordas mergulhando verticalmente ou em direção ao centro de massa. Efetivamente, estas informações são introduzidas através de um processo iterativo inicializando com uma solução cujo momento de inércia é próximo a zero, acrescentando, em cada iteração, uma contribuição com mínimo momento de inércia em relação ao nível de referência, de modo que a nova estimativa obedeça a limites mínimo e máximo do contraste de densidade, e minimize, simultaneamente, os desajustes entre os dados gravimétricos observados e ajustados. Adicionalmente, o processo iterativo tende a "congelar" as estimativas em um dos limites (mínimo ou máximo). O resultado final é uma fonte anômala compactada em torno do nível de referência cuja distribuição de constraste de densidade tende ao limite superior (em valor absoluto) estabelecido a priori. Estes três métodos foram aplicados a dados sintéticos e reais produzidos pelo relevo do embasamento de bacias sedimentares. A suavidade global produziu uma boa reconstrução do arcabouço de bacias que violam a condição de suavidade, tanto em dados sintéticos como em dados da Bacia do Recôncavo. Este método, apresenta a menor resolução quando comparado com os outros dois métodos. A suavidade ponderada produziu uma melhoria na resolução de relevos de embasamentos que apresentam falhamentos com grandes rejeitos e altos ângulos de mergulho, indicando uma grande potencialidade na interpretação do arcabouço de bacias extensionais, como mostramos em testes com dados sintéticos e dados do Steptoe Valley, Nevada, EUA, e da Bacia do Recôncavo. No método do mínimo momento de inércia, tomou-se como nível de referência o nível médio do terreno. As aplicações a dados sintéticos e às anomalias Bouguer do Graben de San Jacinto, California, EUA, e da Bacia do Recôncavo mostraram que, em comparação com os métodos da suavidade global e ponderada, este método estima com excelente resolução falhamentos com pequenos rejeitos sem impor a restrição da interface apresentar poucas descontinuidades locais, como no método da suavidade ponderada.

Calibração de redes de distribuição de água pelo método inverso aplicado a escoamento transiente

Desenvolve-se um método para estimar os parâmetros de uma rede hidráulica a partir de dados observados de cargas hidráulicas transientes. Os parâmetros físicos da rede como fatores de atrito, rugosidades absolutas, diâmetros e a identificação e quantificação de vazamentos são as grandezas desconhecidas. O problema transiente inverso é resolvido utilizando uma abordagem indireta que compara os dados disponíveis de carga hidráulica transiente observados com os calculados através de um método matemático. O Método Transiente Inverso (MTI) com um Algoritmo Genético (AG) emprega o Método das Características (MOC) na solução das equações do movimento para escoamento transiente em redes de tubos. As condições de regime permanente são desconhecidas. Para avaliar a confiabilidade do MTI-AG desenvolvido aqui, uma rede-exemplo é usada para os vários problemas de calibração propostos. O comportamento transiente é imposto por duas manobras distintas de uma válvula de controle localizada em um dos nós da rede. Analisam-se, ainda, o desempenho do método proposto mediante a variabilidade do tamanho do registro transiente e de possíveis erros de leitura nas cargas hidráulicas. Ensaios numéricos realizados mostram que o método é viável e aplicável à solução de problema inverso em redes hidráulicas, sobretudo recorrendo-se a poucos dados observados e ao desconhecimento das condições iniciais de estado permanente. Nos diversos problemas de identificação, as informações transientes obtidas da manobra mais brusca produziu estimações mais eficientes.

Identificación de tensiones iniciales en un macizo rocoso a partir de medidas de presión de agua en excavación de túneles

En las últimas décadas, dentro del mundo de la ingeniería civil, así como en otras disciplinas, se han desarrollado los métodos de identificación de parámetros. Esta técnica de estudio se basa en realizar un análisis inverso, el cual se lleva a cabo mediante técnicas probabilísticas normalmente, aunque existen otras técnicas para abordar el problema inverso. El objetivo final de la identificación de parámetros es a través de una serie de medidas realizar el análisis inverso y finalmente conocer que valor de un parámetro se ajusta mejor a las medidas realizadas.La mayoría de los trabajos asociados a la construcción de túneles han utilizado las medidas correspondientes a los desplazamientos para formular el problema de identificación. Dentro del presente trabajo se quiere profundizar en una vía de investigación poco desarrollada, la cual esta asociada a las medidas de presión de agua en la construcción de túneles. Las medidas de desplazamientos pueden presentar mayores desviaciones que las medidas de presión de agua, ya que las técnicas de auscultación causan una mayor distorsión de las condiciones iniciales en el caso de los

Análise da modelagem experimental da perda de injetividade

Injectivity decline, which can be caused by particle retention, generally occurs during water injection or reinjection in oil fields. Several mechanisms, including straining, are responsible for particle retention and pore blocking causing formation damage and injectivity decline. Predicting formation damage and injectivity decline is essential in waterflooding projects. The Classic Model (CM), which incorporates filtration coefficients and formation damage functions, has been widely used to predict injectivity decline. However, various authors have reported significant discrepancies between Classical Model and experimental results, motivating the development of deep bed filtration models considering multiple particle retention mechanisms (Santos & Barros, 2010; SBM). In this dissertation, inverse problem solution was studied and a software for experimental data treatment was developed. Finally, experimental data were fitted using both the CM and SBM. The results showed that, depending on the formation damage function, the predictions for injectivity decline using CM and SBM models can be significantly different

Incorporação do vínculo de suavidade no ajuste de histórico de reservatórios de petróleo

The history match procedure in an oil reservoir is of paramount importance in order to obtain a characterization of the reservoir parameters (statics and dynamics) that implicates in a predict production more perfected. Throughout this process one can find reservoir model parameters which are able to reproduce the behaviour of a real reservoir.Thus, this reservoir model may be used to predict production and can aid the oil file management. During the history match procedure the reservoir model parameters are modified and for every new set of reservoir model parameters found, a fluid flow simulation is performed so that it is possible to evaluate weather or not this new set of parameters reproduces the observations in the actual reservoir. The reservoir is said to be matched when the discrepancies between the model predictions and the observations of the real reservoir are below a certain tolerance. The determination of the model parameters via history matching requires the minimisation of an objective function (difference between the observed and simulated productions according to a chosen norm) in a parameter space populated by many local minima. In other words, more than one set of reservoir model parameters fits the observation. With respect to the non-uniqueness of the solution, the inverse problem associated to history match is ill-posed. In order to reduce this ambiguity, it is necessary to incorporate a priori information and constraints in the model reservoir parameters to be determined. In this dissertation, the regularization of the inverse problem associated to the history match was performed via the introduction of a smoothness constraint in the following parameter: permeability and porosity. This constraint has geological bias of asserting that these two properties smoothly vary in space. In this sense, it is necessary to find the right relative weight of this constrain in the objective function that stabilizes the inversion and yet, introduces minimum bias. A sequential search method called COMPLEX was used to find the reservoir model parameters that best reproduce the observations of a semi-synthetic model. This method does not require the usage of derivatives when searching for the minimum of the objective function. Here, it is shown that the judicious introduction of the smoothness constraint in the objective function formulation reduces the associated ambiguity and introduces minimum bias in the estimates of permeability and porosity of the semi-synthetic reservoir model

Detecção de falhas estruturais usando sensores e atuadores piezelétricos e algoritmos genéticos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Determinação das velocidades intervalares usando a teoria paraxial do raio: aproximação de segunda ordem dos tempos de trânsito

Neste trabalho foi desenvolvido um método de solução ao problema inverso para modelos sísmicos compostos por camadas homogêneas e isotrópicas separadas por superfícies suaves, que determina as velocidades intervalares em profundidade e calcula a geometria das interfaces. O tempo de trânsito é expresso como uma função de parâmetros referidos a um sistema de coordenadas fixo no raio central, que é determinada numericamente na superfície superior do modelo. Essa função é posteriormente calculada na interface anterior que limita a camada não conhecida, através de um processo que determina a função característica em profundidade. A partir da função avaliada na interface anterior se calculam sua velocidade intervalar e a geometria da superfície posterior onde tem lugar a reflexão do raio. O procedimento se repete de uma forma recursiva nas camadas mais profundas obtendo assim a solução completa do modelo, não precisando em nenhum passo informação diferente à das camadas superiores. O método foi expresso num algoritmo e se desenvolveram programas de computador, os quais foram testados com dados sintéticos de modelos que representam feições estruturais comuns nas seções geológicas, fornecendo as velocidades em profundidade e permitindo a reconstrução das interfaces. Uma análise de sensibilidade sobre os programas mostrou que a determinação da função característica e a estimação das velocidades intervalares e geometria das interfaces são feitos por métodos considerados estáveis. O intervalo empírico de aplicabilidade das correções dinâmicas hiperbólicas foi tomado como uma estimativa da ordem de magnitude do intervalo válido para a aplicação do método.

Tomografia eletromagnética para caracterização de reservatórios de hidrocarbonetos

Na produção de petróleo é importante o monitoramento dos parâmetros do reservatório (permeabilidade, porosidade, saturação, pressão, etc) para o seu posterior gerenciamento. A variação dos parâmetros dinâmicos do reservatório induz variações na dinâmica do fluxo no reservatório, como por exemplo, perdas na pressão, dificultando o processo de extração do óleo. A injeção de fluidos aumenta a energia interna do reservatório e incrementa a pressão, estimulando o movimento do óleo em direção aos poços de extração. A tomografia eletromagnética poço-a-poço pode se tomar em uma técnica bastante eficaz no monitoramento dos processos de injeção, considerando-se o fato de ser altamente detectável a percolação de fluidos condutivos através das rochas. Esta tese apresenta o resultado de um algoritmo de tomografia eletromagnética bastante eficaz aplicado a dados sintéticos. O esquema de imageamento assume uma simetria cilíndrica em torno de uma fonte constituída por um dipolo magnético. Durante o processo de imageamento foram usados 21 transmissores e 21 receptores distribuídos em dois poços distanciados de 100 metros. O problema direto foi resolvido pelo método dos elementos finitos aplicado à equação de Helmhotz do campo elétrico secundário. O algoritmo resultante é válido para qualquer situação, não estando sujeito às restrições impostas aos algoritmos baseados nas aproximações de Born e Rytov. Por isso, pode ser aplicado eficientemente em qualquer situação, como em meios com contrastes de condutividade elétrica variando de 2 a 100, freqüências de 0.1 a 1000.0 kHz e heterogeneidades de qualquer dimensão. O problema inverso foi resolvido por intermédio do algoritmo de Marquardt estabilizado. A solução é obtida iterativamente. Os dados invertidos, com ruído Gaussiano aditivo, são as componentes em fase e em quadratura do campo magnético vertical. Sem o uso de vínculos o problema é totalmente instável, resultando em imagens completamente borradas. Duas categorias de vínculos foram usadas: vínculos relativos, do tipo suavidade, e vínculos absolutos. Os resultados obtidos mostram a eficiência desses dois tipos de vínculos através de imagens nítidas de alta resolução. Os tomogramas mostram que a resolução é melhor na direção vertical do que na horizontal e que é também função da freqüência. A posição e a atitude da heterogeneidade é bem recuperada. Ficou também demonstrado que a baixa resolução horizontal pode ser atenuada ou até mesmo eliminada por intermédio dos vínculos.

Formulação e implementação de um pacote para interpretar mapas magnéticos utilizando os polinômios de Walsh

O presente trabalho consiste na formulação de uma metodologia para interpretação automática de dados de campo magnético. Desta forma, a sua utilização tornará possível a determinação das fronteiras e magnetização de cada corpo. Na base desta metodologia foram utilizadas as características de variações abruptas de magnetização dos corpos. Estas variações laterais abruptas serão representadas por polinômios descontínuos conhecidos como polinômios de Walsh. Neste trabalho, muitos conceitos novos foram desenvolvidos na aplicação dos polinômios de Walsh para resolver problemas de inversão de dados aeromagnéticos. Dentre os novos aspectos considerados, podemos citar. (i) - O desenvolvimento de um algoritmo ótimo para gerar um jôgo dos polinômios "quase-ortogonais" baseados na distribuição de magnetização de Walsh. (ii) - O uso da metodologia damped least squares para estabilizar a solução inversa. (iii) - Uma investigação dos problemas da não-invariância, inerentes quando se usa os polinômios de Walsh. (iv) - Uma investigação da escolha da ordem dos polinômios, tomando-se em conta as limitações de resolução e o comportamento dos autovalores. Utilizando estas características dos corpos magnetizados é possível formular o problema direto, ou seja, a magnetização dos corpos obedece a distribuição de Walsh. É também possível formular o problema inverso, na qual a magnetização geradora do campo observado obedece a série de Walsh. Antes da utilização do método é necessária uma primeira estimativa da localização das fontes magnéticas. Foi escolhida uma metodologia desenvolvida por LOURES (1991), que tem como base a equação homogênea de Euler e cujas exigências necessárias à sua utilização é o conhecimento do campo magnético e suas derivadas. Para testar a metodologia com dados reais foi escolhida uma região localizada na bacia sedimentar do Alto Amazonas. Os dados foram obtidos a partir do levantamento aeromagnético realizado pela PETROBRÁS.

Imageamento multifoco de refletores sísmicos

A simulação de uma seção sísmica de afastamento-nulo (ZO) a partir de dados de cobertura múltipla para um meio 2-D, através do empilhamento, é um método de imageamento de reflexão sísmica muito utilizado, que permite reduzir a quantidade de dados e melhorar a relação sinal/ruído. Segundo Berkovitch et al. (1999) o método Multifoco está baseado na Teoria do Imageamento Homeomórfico e consiste em empilhar dados de cobertura múltipla com distribuição fonte-receptor arbitrária de acordo com uma nova correção de sobretempo, chamada Multifoco. Esta correção de sobretempo esta baseada numa aproximação esférica local da frente de onda focalizante na vizinhança da superfície da terra. Este método permite construir uma seção sísmica no domínio do tempo de afastamento nulo aumentando a relação sinal/ruído. A técnica Multifoco não necessita do conhecimento a priori de um macro-modelo de velocidades. Três parâmetros são usados para descrever a aproximação de tempo de trânsito, Multifoco, os quais são: 1) o ângulo de emergência do raio de afastamento nulo ou raio de reflexão normal (β₀), 2) a curvatura da frente de onda no Ponto de Incidência Normal (R_NIP) e 3) curvatura da frente de Onda Normal (R_N). Sendo também necessário a velocidade próximo a superfície da terra. Neste trabalho de tese aplico esta técnica de empilhamento Multifoco para dados de cobertura múltipla referidos a modelos de velocidade constante e modelo heterogêneos, com o objetivo de simular seções sísmicas afastamento-nulo. Neste caso, como se trata da solução de um problema direto, o macro-modelo de velocidades é considerado conhecido a priori. No contexto do problema inverso tem-se que os parâmetros R_NIP, R_N e β₀ podem ser determinados a partir da análise de coerência aplicada aos dados sísmicos de múltipla cobertura. Na solução deste problema a função objetivo, a ser otimizada, é definida pelo cálculo da máxima coerência existente entre os dados na superfície de empilhamento sísmico. Neste trabalho de tese nos discutimos a sensibilidade da aproximação do tempo de trânsito usado no empilhamento Multifoco, como uma função dos parâmetros R_NIP, R_N e β₀. Esta análise de sensibilidade é feita de três diferentes modos: 1) a primeira derivada da função objetivo, 2) a medida de coerência, denominada semelhança, e 3) a sensibilidade no Empilhamento Multifoco.

Transferência de calor inversa do método convencional e do otimizado de lubri-refrigeração na retificação plana tangencial

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC