[pt] Atualmente as Unidades de Saúde, em um grande número de países do mundo, apresentam demandas de serviços que superam suas capacidades reais. Por esta razão, o surgimento das listas de espera é inevitável. Preparar o planejamento das mesmas, de modo otimizado resulta, portanto, em um grande desafio, devido à quantidade de recursos que devem ser considerados. O caso particular dos procedimentos cirúrgicos é particularmente crítico pela quantidade de recursos que se precisam para a realização do mesmo. Poucos projetos têm sido desenvolvidos para a gestão completa dessas listas. O trabalho desenvolvido nesta Dissertação propõe o uso de um modelo, baseado em algoritmos genéticos com inspiração quântica, para a automatização e otimização do planejamento de procedimentos cirúrgicos eletivos. Este modelo, denominado Algoritmo Evolucionário com Inspiração Quântica para a Área de Saúde (AEIQ-AS), além de alocar os pacientes e os recursos necessários para que o processo cirúrgico seja exitoso, procura reduzir o tempo total para que todas as cirurgias sejam realizadas. Este trabalho apresenta também uma ferramenta que permite a modelagem, de modo simplificado, de uma Unidade Cirúrgica de Saúde. Esta ferramenta possibilita a realização de simulações com o objetivo de ver o efeito de diferentes configurações dos recursos nas Unidades de Saúde. Para a validação do modelo proposto foi criada, de modo artificial e fazendo uso da ferramenta de simulação, uma lista de espera de 2000 cirurgias. Caso as cirurgias fossem realizadas seguindo a ordem de chegada, seriam necessárias pouco mais de 37 semanas e teria 1066 operações fora do prazo. Foram feitos vários experimentos onde se buscava a otimização destes valores. Esta busca foi feita, primeiramente, tomando em consideração só um dos parâmetros e a continuação eles em conjunto. Na primeira abordagem o AEIQ-AS consegue a realização das mesmas cirurgias em aproximadamente 31 semanas. Assim, observa se que há uma redução de aproximadamente 16,25 porcento do tempo. O número de operações fora do prazo, por sua vez, foi reduzido pelo modelo para 927 (13,04 porcento). Na abordagem simultânea, o AEIQ-AS, consegue uma diminuição do tempo total de alocação em 16,22 porcento e o número de operações fora do prazo em 9,76 porcento. Foram feitas, também, várias simulações da Unidade de Saúde mantendo as caraterísticas da lista de cirurgias para ver seu efeito no tempo total de alocação de todos os processos cirúrgicos.

[en] Currently, Health Units in a large number of countries in the world present service demand that exceed their real capacities. For this reason, is inevitable the emergence of the waiting lists. To prepare the planning of this in an optimized manner results in a substantial challenge due to the number of resources that should be considered. The case of chirurgical procedures is particularly critical by the number of resources needed for their realization. A small quantity of projects has been developed to fully manage these lists. The work developed in this Dissertation…

[pt] A exploração e desenvolvimento de um campo de petróleo é permeada de incertezas de diferentes naturezas. A incerteza mais básica que o gestor de um portfolio exploratório enfrenta é aquela relativa à existência (ou não) de petróleo em determinado prospecto. Tipicamente, incertezas técnicas tendem a ser reduzidas com investimentos em aquisição de informação, que são exercícios de opções de aprendizagem. Decorrente da estrutura de correlações presentes nos prospectos de um portfolio exploratório, o resultado da perfuração de um poço pioneiro potencialmente irá revelar informações adicionais sobre a probabilidade de existência (ou não) de petróleo em outros prospectos deste mesmo portfolio. Cada poço a ser perfurado pode ser entendido como uma opção de aprendizagem a ser exercida (ou não) a depender da sua probabilidade de sucesso. Neste contexto, um dos fatores determinantes na otimização da campanha exploratória é a escolha da sequência ideal de perfuração de poços. Tal escolha é mais complexa, quão maior for a quantidade e diversidade de prospectos no portfolio. Diante dessa realidade, este trabalho propõe uma modelagem que busca, através de Algoritmos Genéticos, otimizar a sequência de perfurações dos poços e, portanto, o valor do portfolio. O modelo proposto considera as interdependências e as especificidades de cada prospecto e usa como função objetivo, a ser maximizada, o valor presente do líquido (VPL). Opções e aprendizagem são os aspectos-chave por trás do modelo de otimização. O modelo foi avaliado em dez diferentes portfolios exploratórios e, em todos os casos, foi capaz de propor pelo menos uma sequência que apresentasse expressivos ganhos de VPL em relação ao caso-base.

[en] An oil field exploration and development campaign is bounded with different kinds of uncertainty. The most basic one that an E and P portfolio manager deals with is the one related to the existence (or not) of oil in a given prospect. Typically, technical uncertainties are related to learning, and tend to be reduced with investments on information acquisition. From the correlation pattern on the prospects in a given exploratory portfolio, follows that the results from one initial wildcat drilling will, potentially, reveal, additional information about the oil existence (or not) in other prospects in the same geological play. This way, each prospect to be drilled might be understood as a learning option to be exercised (or not) depending on its respective success probability. In such case, one of the main factors on optimizing the exploratory campaign is choosing the ideal drilling sequence. Such choice is more complex, as the quantity and diversity of the prospects increases. Given such background, the present work proposes a model that intends, using Genetic Algorithms, to optimize the drilling sequence and, as a consequence, the total portfolio value. The proposed model considers the interdependencies and each prospect specific aspects and has as an objective function (to be maximizes) the portfolio net present value (NPV).…

[pt] Este trabalho tem por objetivo investigar um método para auxiliar na quantificação de características sísmicas do subsolo. O modelo sísmico bidimensional de reflexão usa a equação Normal Move Out (NMO), para calcular os tempos de trânsito das ondas sísmicas, tipo P, refletidas em camadas isotrópicas e inclinadas. Essa equação usa a velocidade raiz quadrática média RMS como valor representativo das velocidades intervalares das camadas unidas. No processo de inversão para múlltiplas camadas, as velocidades RMS representam o problema principal para estimar as velocidades intervalares. Conseqüentemente, o método proposto estima sequencialmente os parâmetros do modelo sísmico, para resolver esse problema a partir dos tempos de trânsito com Algoritmos Genéticos Híbridos (algoritmo genético e algoritmo Nelder Mead Simplex). Os tempos de trânsito são sintéticos e a estimação de parâmetros é tratada como um problema de minimização. Com o método proposto foi obtido um alto grau de exatidão, além de reduzir o tempo de computação em 98,4 % em comparação com um método de estimação simultânea de parâmetros. Para aliviar a complexidade e a demora na geração de um modelo em três dimensões se contrói um modelo sísmico em três dimensões formado com modelos bidimensionais, sob cada unidade retangular da malha de receptores do levantamento sísmico, para camadas isotrópicas curvadas, com variações suaves das pendentes e sem descontinuidades. Os modelos bidimensionais formam polígonos que representam as superfícies de interface que são projetadas sob os retângulos da malha. Dois conjuntos de superfícies poligonais são gerados para auxiliar na localização das camadas.

[en] The objective of the present work is to investigate a method to help in the quantification of seismic characteristics underground. The two-dimensional seismic model of reflection employs the equation Normal Move Out (NMO) to calculate the travel times of P waves reflected on inclined and isotropic layers. This equation uses the root mean square velocity as a representative value of the joined layers velocities. At the inversion process, for multiple layers, the root mean square velocities are the main problem to estimate the layer velocities. Consequently, to solve that problem, the proposed method estimates sequentially the parameters of the seismic model using travel times and the Hybrid Genetic Algorithms (Genetic algorithm and the Nelder Mead Simplex algorithm). The travel times are synthetic and the estimation of parameters is treated as a minimization problem. With proposed method was obtained high grade of accurate, and the reduction of 98.4 % of computing time when it was compared to a simultaneous parameters estimation method. For decreasing the complexity and the delay to generate the models in three dimensions is proposed the construction of a three-dimensional seismic model formed with two-dimensional models, under every rectangular cell of the mesh of receptors of the seismic survey, for curved isotropic layers with soft variations in the gradient…

A minimização de massa de estruturas metálicas unifilares (como treliças) é um problema comum em projetos estruturais. Neste caso as áreas das seções transversais das barras podem ser assumidas como as variáveis de projeto para o dimensionamento estrutural de uma treliça. As estruturas estão sujeitas a critérios de normas a serem verificados e as variáveis de projeto (seções das áreas transversais), que podem ser contínuas ou discretas, oferecem uma grande variedade de combinações na solução do projeto. O uso da otimização objetiva selecionar as variáveis de projeto de uso comercial para obter um projeto eficiente (dentro dos limites estabelecidos em Normas) e ao mesmo tempo com massa minimizada. Neste trabalho utilizou-se o método do Algoritmo Genético fazendo utilização e modificações nos parâmetros do toolbox de Algoritmo Genéticos do MATLAB para obter a otimização de treliças tanto planas como espaciais. Através da otimização obtém-se uma massa mínima, levando em consideração restrições e critérios baseados em dados da literatura, os quais foram demonstrados e desenvolvidos através de exemplos numéricos para validação da metodologia proposta. Estudos paramétricos são utilizados para traçar indicações de sugestão na escolha dos parâmetros do método que melhor irá se adequar à proposta de minimização da massa. Por fim é apresentado um exemplo mais realista de uma estrutura de treliça espacial a qual é otimizada em termos das restrições impostas pela nova norma NBR8800:2008 e os resultados são comparados com aqueles obtidos através de um software comercial.

The structural mass minimization of steel truss structures is a common task in the structural design. The beam cross sectional areas can be assumed as design variables which represent the final structural design of a truss. The structures are ruled by rigid standard criteria that must be attended and the design variables (such as cross sectional areas), which could be continuous or discrete, offer a large variety combination in the project’s choice. The optimization procedure aims at the design variable evaluation using available commercial cross sectional areas to attain an efficient project (bounded by Standard prescriptions) and at the same time with reduced mass. In this work it is used the Genetic Algorithm method, using and modifying parameters of the Matlab’s Genetic Algorithm toolbox to reach minimum mass for plane and spatial trusses. This optimization accounts for constraints and criteria based on literature, which were used to develop and analyze through numerical examples to validate the proposed methodology. Parametric studies are used to draw suggestions regarding the algorithm’s parameters choice that best fits to the proposed task. At last it is presented a realistic spatial truss which is optimized taking into account NBR8800:2008 standard constraints and the results are compared against commercial software.

[pt] Sinais bioelétricos fornecem informações importantes sobre a função fisiológica de muitos organismos vivos. Em magnetismo, denomina-se problema direto aquele em que se determina o campo magnético a partir do conhecimento da fonte de corrente que o gerou. Por outro lado, existem situações em que se deseja determinar a fonte de corrente a partir de valores de campo magnético medidos. Esse tipo de problema é usual em Biomagnetismo e é denominado problema inverso. Por exemplo, com base em medições do campo magnético cardíaco é possível inferir sobre a atividade elétrica, no tecido cardíaco, que foi responsável por sua geração. Este trabalho propõe, apresenta e discute uma nova técnica destinada a resolver o problema biomagnético inverso, por meio de algoritmos genéticos. Objetiva-se estimar a posição, a orientação e a magnitude dos dipolos de corrente equivalentes, responsáveis pela geração de mapas de campos biomagnéticos obtidos experimentalmente por meio de medições realizadas em corações isolados de coelho utilizando um sistema SQUID de 16 canais. O algoritmo busca identificar a distribuição de dipolos que melhor se ajusta aos dados experimentais, objetivando minimizar o erro entre o mapa de campo magnético medido e o obtido por meio das soluções estimadas. O conhecimento dos parâmetros dos dipolos de corrente, em diferentes instantes de tempo, permite a correta interpretação e análise da informação médica obtida a partir dos campos biomagnéticos medidos experimentalmente, auxiliando na definição de diagnósticos e orientação de abordagens terapêuticas.

[en] Bioelectric signals provide important information about the physiological function of many living organisms. In magnetism, the so-called direct problem deals with the determination of the magnetic field associated to well known current sources. On the other hand, there are situations where it is necessary to determine the current source responsible for the generation of a measured magnetic field. This type of problem is common in Biomagnetism and is called inverse problem. For example, based on cardiac magnetic field measurements it is possible to infer the electrical activity in the heart tissue, responsible for its generation. This work proposes, presents and discusses a new technique designed to solve the biomagnetic inverse problem by genetic algorithms. It is intended to estimate the position, orientation and magnitude of the equivalent current dipoles, responsible for the generation of biomagnetic field maps measured with a 16 channel SQUID system. The algorithm attempts to identify the distribution of dipoles that best fits the measured experimental data, aiming at minimizing the error between the experimental magnetic field maps and those obtained by the estimated solutions. The experimental data analyzed in this study were acquired by measurements in isolated rabbit hearts. The knowledge of parameters of current dipoles at different instants of time allows the correct interpretation and analysis of medical information obtained from the…

[pt] Os grandes agentes do mercado de energia dedicam muitos esforços na avaliação e decisão da alocação ótima de capital para a implementação de projetos, em decorrência do grande número de projetos candidatos em seus portfólios de investimentos. Essas decisões visam escolher o subconjunto de projetos a ser implementado, pois os recursos orçamentários são geralmente menores que o necessário para a implementação de todos eles. Muitos são os riscos apresentados, e quanto mais riscos e incertezas, maiores se tornam as dificuldades de avaliação e decisões de investimento de maneira otimizada. As metodologias clássicas para avaliação de portfólios de projetos de investimento são baseadas em maximizar os retornos (VPL, TIR, etc) e minimizar o risco (desvio-padrão do VPL, variância, etc). Muitas vezes, estes métodos tradicionais de avaliação podem não conseguir tratar adequadamente as flexibilidades gerenciais (Opções Reais) características dos projetos, assim como os riscos e incertezas, devido às possíveis dificuldades de solução e modelagem matemática (multi-variáveis) dos problemas. O desenvolvimento e aplicação de modelos alternativos, tais como os baseados na Teoria de Opções Reais, inclusive com a utilização de métodos de Inteligência Computacional, podem se mostrar mais adequados para estes problemas. Nesta tese é desenvolvida uma metodologia híbrida, apresentando um modelo de Opções Reais Fuzzy para a avaliação de projetos de Revamp por um agente do mercado de Geração Termelétrica de Energia, a partir de um Portfólio de Opções Reais em ambiente de incertezas. Para a seleção do subconjunto de projetos por faixa orçamentária, é aplicado um Algoritmo Genético para otimização multi-critério, através da utilização de um índice de ponderação retorno x risco (lâmbda).

[en] Large players in energy market dedicate many efforts in valuation and optimal capital allocation decision for their project implementation, due the large candidate projects number in their investment portfolios. These decisions aim to choose the projects subset to be implemented, because the monetary resources are generally smaller than necessary for all projects implementation. There are many risks, and with risks and uncertainties, greater become the difficulties in analysis and optimally investment decisions. The classical methods to investment portfolios are based on to maximize returns (NPV, IRR, among others) and to minimize risks (NPV standard deviation, variance, among others). Often, these traditional methods may not be able to handle properly the projects managerial flexibilities (Real Options), as well the risks and uncertainties, due to possible solution difficulties and mathematical modeling problems (multi variables). Alternative models development and implementation, such as those based on Real Options Theory, including the use of Computational Intelligence methods, may be more suitable for these problems. In this thesis, a hybrid methodology is developed, presenting a Fuzzy Real Options model for Revamp projects valuation by a…

[pt] A análise de agrupamento não supervisionado, o processo que consistem em agrupar conjuntos de pontos de acordo com um ou mais critérios de similaridade, tem desempenhado um papel essencial em vários campos. O dois algoritmos mais populares para esse processão são o k-means e o Gaussian Mixture Models (GMM). O primeiro atribui cada ponto a um único cluster e usa a distância Euclidiana como similaridade. O último determina uma matriz de probabilidade de pontos pertencentes a clusters, e usa distância de Mahalanobis como similaridade. Além da diferença no método de atribuição - a chamada atribuição hard para o primeiro e a atribuição soft para o último - os algoritmos também diferem em relação à estrutura do cluster, ou forma: o k-means considera estruturas esféricas no dados; enquanto o GMM considera elipsoidais através da estimação de matrizes de covariância. Neste trabalho, um problema de otimização matemática que combina a atribuição hard com a estrutura do cluster elipsoidal é detalhado e formulado. Uma vez que a estimativa da covariância desempenha um papel importante no comportamento de estruturas agrupamentos elipsoidais, técnicas de regularizações são exploradas. Neste contexto, dois métodos de meta-heurística, uma perturbação Random Swap e um algoritmo híbrido genético, são adaptados, e seu impacto na melhoria do desempenho dos métodos é estudado. O objetivo central dividido em três: compreender as condições em que as estruturas de agrupamento elipsoidais são mais benéficas que as esféricas; determinar o impacto da estimativa de covariância com os métodos de regularização; e analisar o efeito das meta-heurísticas de otimização global na análise de agrupamento não supervisionado. Finalmente, a fim de fornecer bases para a comparação das presentes descobertas com futuros trabalhos relacionados, foi gerada uma base de dados com um extenso benchmark contendo análise das variações de diferentes tamanhos, formas, número de grupos e separabilidade, e seu impacto nos resultados de diferentes algoritmos de agrupamento. Além disso, pacotes escritos na linguagem Julia foram disponibilizados com os algoritmos estudados ao longo deste trabalho.

[en] Unsupervised cluster analysis, the process of grouping sets of points according to one or more similarity criteria, plays an essential role in various fields. The two most popular algorithms for this process are the k-means and the Gaussian Mixture Models (GMM). The former assigns each point to a single cluster and uses Euclidean distance as similarity. The latter determines a probability matrix of points to belong to clusters, and the Mahalanobis distance is the underlying similarity. Apart from the difference in the assignment method - the so-called hard assignment for the former and soft assignment for the latter - the algorithms also differ concerning the cluster structure, or shape: the k-means considers spherical structures in the data; while the GMM considers ellipsoidal ones through the estimation of covariance matrices. In this work, a mathematical optimization…

[pt] Altas resistências elétricas em série e baixas resistências em paralelo são fontes de perdas em dispositivos Fotovoltaicos (PV). Em dispositivos que operam sob concentração, esses costumam ser os principais fatores limitantes para o aumento da eficiência de conversão. Excluindo fatores externos associados a falhas no processo de produção, a resistência elétrica em série depende de fatores intrínsecos aos materiais e à estrutura de camadas do dispositivo fotovoltaico. Dessa forma, para minimizar o seu valor é extremamente importante planejar adequadamente esses parâmetros construtivos antes da produção dos dispositivos. Um dos fatores mais impactantes na resistência em série é o desenho da malha de dedos coletores do contato elétrico frontal. Por outro lado, minimizar a resistência em série do contato elétrico requer o aumento da área metálica da superfície frontal, que serve de janela para a radiação solar. Portanto, deve haver um compromisso na redução das perdas elétricas e ópticas. Nesse trabalho, apresentamos os resultados da otimização do desenho da malha de dedos coletores para o contato elétrico frontal para três diferentes geometrias obtidas por algoritmos genéticos. As geometrias escolhidas foram a retangular, tradicional para a produção desse tipo de dispositivo, a hexagonal e a diamante. Além disso, comparamos os resultados obtidos com os de um dispositivo produzido com uma malha otimizada por um método de cálculo analítico. Ao final, discutimos as melhorias introduzidas pelas novas geometrias e apresentamos a configuração otimizada, que foi obtido para uma célula solar de tamanho 5x5 mm com uma estrutura retangular de fingers, com uma redução de perdas de 54,42 por cento que leva a um aumento aproximado de 1,40 por cento em eficiência.

[en] High electrical resistances in series and low resistances in parallel are sources of losses in Photovoltaic (PV) devices. In devices that operate under concentration, these are often the main limiting factors for increasing conversion efficiency. Excluding external factors associated with failures in the production process, the series electrical resistance depends on factors intrinsic to the materials and the layer structure of the photovoltaic device. Thus, to minimize their value it is extremely important to properly plan these constructive parameters prior to the production of the devices. One of the most striking factors in the series resistance is the design of the mesh of collecting fingers of the frontal electrical contact. On the other hand, minimizing the series resistance of the electrical contact requires the increase of the metallic area of the frontal surface, which serves as a window for solar radiation. Therefore, there must be a commitment to reduce electrical and optical losses. In this work, we present the results of the optimization of the design of the mesh of collecting fingers for the frontal electrical contact for three different geometries obtained by genetic algorithms. The geometries chosen were the rectangular, traditional for the…

[pt] A simulação da estrutura eletrônica de átomos e moléculas, desde do início da década de 90, tem se mostrado uma ferramenta imprescindível para o desenvolvimento de áreas estratégicas, ainda emergentes, mas fundamentais, como por exemplo, a área de Nanotecnologia. No entanto, esse tipo de simulação, ainda hoje é de grande complexidade e exige alto poder computacional. Dessa forma, torna-se fundamental a criação de métodos de simulação mais precisos e computacionalmente menos custosos. Este trabalho utiliza Algoritmos Evolutivos e métodos de Inteligência Computacional junto de algumas ferramentas desenvolvidas e estudadas tradicionalmente pela Matemática Aplicada em cálculos de estrutura eletrônica. Em particular, são construídas novas formas de aproximação de soluções para equação de Schrodinger, que contemplem os requisitos físicos necessários. Essas soluções serão nomeadas de funções de ondas evolucionárias, que neste trabalho serão tratadas como pontos em um espaço de Hilbert formado pelo fecho em L (2) da interseção das funções definidas na semi-reta, contínuas e de derivadas contínuas, simétricas ou antissimétricas com relação à permutação de suas coordenadas. São demonstrados alguns resultados, requisitos para utilização de Algoritmos Evolucionários e Séries de Fourier Generalizadas, baseadas em polinômios de Laguerre modificados e Wavelets. Esta pesquisa é desenvolvida inicialmente para sistemas de dois elétrons, e mais tarde é estendida para sistemas mais complexos, a fim de criar uma abordagem alternativa as tradicionais.

[en] The simulation of the electronic structure of atoms and molecules has been shown to be, from the beginning of 90 s, an indispensable tool for the development of strategic areas, that are still emergent, but fundamental, like nanotechnology. However, this type of simulation is still of great complexity today and demands high computational power. Thus, the creation of more precise and less costly methods becomes fundamental. With the elaboration of this research, the intention is to create alternatives basis that can be used into the traditional methods of simulation of electronic structure, such as the Hartree-Fock method, GVB, among others. This essay intends to investigate part of the mathematical tools used in the calculations of electronic structure, in order to create disruptive approaches, related to the precision or velocity of the obtainment of relevant results. The new methods are based in Computational Intelligence and concepts of Functional Analysis like Wavelets.

[pt] Na área de Exploração e Produção (EeP) de petróleo, uma das tarefas mais importantes é o estudo minucioso das características do reservatório para a criação de modelos de simulação que representem adequadamente as suas características. Durante a vida produtiva de um reservatório, o seu modelo de simulação correspondente precisa ser ajustado periodicamente, pois a disponibilidade de um modelo adequado é fundamental para a obtenção de previsões acertadas acerca da produção, e isto impacta diretamente a tomada de decisões gerenciais. O ajuste das propriedades do modelo se traduz em um problema de otimização complexo, onde a quantidade de variáveis envolvidas cresce com o aumento do número de blocos que compõem a malha do modelo de simulação, exigindo muito esforço por parte do especialista. A disponibilidade de uma ferramenta computacional, que possa auxiliar o especialista em parte deste processo, pode ser de grande utilidade tanto para a obtenção de respostas mais rápidas, quanto para a tomada de decisões mais acertadas. Diante disto, este trabalho combina inteligência computacional através de Algoritmo Genético Co-Evolutivo com Geoestatística de Múltiplos Pontos, propondo e implementando uma arquitetura de otimização aplicada ao ajuste de propriedades de modelos de reservatórios. Esta arquitetura diferencia-se das tradicionais abordagens por ser capaz de otimizar, simultaneamente, mais de uma propriedade do modelo de simulação de reservatório. Utilizou-se também, processamento distribuído para explorar o poder computacional paralelo dos algoritmos genéticos. A arquitetura mostrou-se capaz de gerar modelos que ajustam adequadamente as curvas de produção, preservando a consistência e a continuidade geológica do reservatório obtendo, respectivamente, 98 por cento e 97 por cento de redução no erro de ajuste aos dados históricos e de previsão. Para os mapas de porosidade e de permeabilidade, as reduções nos erros foram de 79 por cento e 84 por cento, respectivamente.

[en] In the Exploration and Production (EeP) of oil, one of the most important tasks is the detailed study of the characteristics of the reservoir for the creation of simulation models that adequately represent their characteristics. During the productive life of a reservoir, its corresponding simulation model needs to be adjusted periodically because the availability of an appropriate model is crucial to obtain accurate predictions about the production, and this directly impacts the management decisions. The adjustment of the properties of the model is translated into a complex optimization problem, where the number of variables involved increases with the increase of the number of blocks that make up the mesh of the simulation model, requiring too much effort on the part of a specialist. The availability of a computational tool that can assist the specialist on part of this process can be very useful both for obtaining quicker responses, as for making better decisions. Thus, this work combines computational intelligence through Coevolutionary…

Este trabalho demonstra a utilização da Otimização Paramétrica através da técnica de Algoritmos Genéticos. O método proposto é testado no modelo de uma estrutura utilizada para o carregamento de granéis sólidos em porões de navios graneleiros. A otimização tem dois objetivos principais: a redução de massa total e a redução das máximas tensões absolutas atuantes no modelo, utilizando restrições de flambagem e de deslocamento. A otimização paramétrica modifica as propriedades da seção transversal de cada elemento que compõe o modelo, baseada em uma lista discreta de perfis disponíveis definida pelo usuário. A otimização inicia com um modelo solucionado através do Método dos Elementos Finitos (MEF), utilizando a formulação de elementos de viga. As variáveis de saída do modelo numérico, entre elas as tensões máximas devido à tração, compressão, flexão e torção são calculadas, bem como os deslocamentos e fatores de flambagem da estrutura. Os dados de saída selecionados para representar este modelo inicial são direcionados para o algoritmo genético. As melhores opções da população inicial são combinadas para criar uma nova geração, utilizando o Algoritmo Genético NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithms). Todo o processo é repetido até que o algoritmo atinja o número máximo de geração proposto pelo usuário. Uma vez que os dois objetivos da otimização são contraditórios (minimização de massa e tensão), uma fronteira de Pareto, também conhecida como curva de eficiência, é encontrada com os resultados obtidos, permitindo que o usuário possa escolher nesta fronteira a opção que mais lhe convêm. Ao final do trabalho, os resultados mostram que a otimização estrutural foi bem sucedida e a comparação com o modelo original ilustra as modificações propostas pelo algoritmo de otimização.

The proposed work is a Parametric Optimization study carried out by means of a Genetic Algorithm and applied to a structural problem. The method is tested over a common type of structure used in equipments that load bulk materials into the ship’s hold. The optimization process has two main objectives: reduce the whole structural mass and reduce the model maximum absolute stresses, using buckling and displacement constrains. The parametric optimization changes the cross section properties of each structural element in the frame model, based on a discrete list of available profiles defined by the user. The optimization starts with an initial configuration, which are solved by Finite Element Method (FEM) using beam elements. Output variables, including the maximum stresses due to traction, compression, bending and torsion are computed, as well as structure displacements and buckling factors. The outputs of this first population are sent back to the Genetic Algorithm. The best results are combined to create a new generation, using the NSGA II (Nondominated Sorting Genetic Algorithms). The entire process repeats until the algorithm achieved the maximum number of generations proposed by the user. Since the two optimization objectives (mass and…

[pt] Esta dissertação introduz um estudo sobre os algoritmos de inteligência computacional para o controle autônomo dos robôs móveis, Nesta pesquisa, são desenvolvidos e implementados sistemas inteligentes de controle de um robô móvel construído no Laboratório de Robótica da PUC-Rio, baseado numa modificação do robô ER1. Os experimentos realizados consistem em duas etapas: a primeira etapa de simulação usando o software Player-Stage de simulação do robô em 2-D onde foram desenvolvidos os algoritmos de navegação usando as técnicas de inteligência computacional; e a segunda etapa a implementação dos algoritmos no robô real. As técnicas implementadas para a navegação do robô móvel estão baseadas em algoritmos de inteligência computacional como são redes neurais, lógica difusa e support vector machine (SVM) e para dar suporte visual ao robô móvel foi implementado uma técnica de visão computacional chamado Scale Invariant Future Transform (SIFT), estes algoritmos em conjunto fazem um sistema embebido para dotar de controle autônomo ao robô móvel. As simulações destes algoritmos conseguiram o objetivo, mas na implementação surgiram diferenças muito claras respeito à simulação pelo tempo que demora em processar o microprocessador.

[en] This theses introduces a study on the computational intelligence algorithms for autonomous control of mobile robots, In this research, intelligent systems are developed and implemented for a robot in the Robotics Laboratory of PUC-Rio, based on a modiÞcation of the robot ER1. The verification consist of two stages: the first stage includes simulation using Player-Stage software for simulation of the robot in 2-D with the developed of artiÞcial intelligence; an the second stage, including the implementation of the algorithms in the real robot. The techniques implemented for the navigation of the mobile robot are based on algorithms of computational intelligence as neural networks, fuzzy logic and support vector machine (SVM); and to give visual support to the mobile robot was implemented the visual algorithm called Scale Invariant Future Transform (SIFT), these algorithms in set makes an absorbed system to endow with independent control the mobile robot. The simulations of these algorithms had obtained the objective but in the implementation clear differences had appeared respect to the simulation, it just for the time that delays in processing the microprocessor.

[pt] Nosso trabalho apresenta uma técnica capaz de gerar animações para personagens virtuais. A inspiração desta técnica vem de vários princípios encontrados na biologia, em particular os conceitos de evolução e seleção natural. Os personagens virtuais, por sua vez, são modelados como criaturas semelhantes a animais, com um sistema locomotor capaz de movimentar seus corpos através de princípios simples da física, tais como forças e torques. Como nossa técnica não depende de nenhum pressuposto sobre a estrutura do personagem, é possível gerar animações para qualquer tipo de criatura virtual.

[en] We present a technique for automatically generating animations for virtual characters. The technique is inspired by several biological principles, especially evolution and natural selection. The virtual characters themselves are modeled as animal-like creatures, with a musculoskeletal system that is capable of moving their bodies through simple physics principles, such as forces and torques. Because our technique does not make any assumptions about the structure of the character, it is capable of generating animations for any kind of virtual creature.

[pt] Sensores capazes de detectar campos magnéticos são largamente aplicados nas mais variadas áreas da engenharia. Um magnetômetro é um dispositivo que, baseado na utilização de um sensor magnético, é capaz de medir a magnitude e/ou direção de um campo magnético. Magnetômetros GMI são transdutores magnéticos cujos elementos sensores se baseiam no efeito da Magnetoimpedância Gigante (Giant Magnetoimpedance - GMI) que se caracteriza pela grande variação da impedância (módulo e fase) de uma amostra de material ferromagnético quando submetida a um campo magnético externo. A sensibilidade dos transdutores magnéticos está diretamente associada à sensibilidade de seus elementos sensores. No caso de amostras GMI, a sensibilidade é afetada por diversos parâmetros, e essa dependência ainda não é bem modelada quantitativamente. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado em Redes Neurais MLP e em Algoritmos Genéticos que determina a sensibilidade ótima da fase da impedância do efeito GMI em função do campo magnético externo, para ligas ferromagnéticas amorfas de composição Co70 Fe5 Si15 B10, a partir dos seguintes parâmetros que as afetam: comprimento das amostras, nível CC e frequência da corrente de excitação além do campo magnético externo.

[en] Sensors capable of detecting magnetic fields are widely applied in many areas of engineering. A magnetometer is a device that based on the use of a magnetic sensor is capable of measuring the magnitude and direction of a magnetic field. Magnetometers GMI are magnetic transducers which sensors elements are based on the Giant Magnetoimpedance effect (Giant Magnetoimpedance - GMI) that is characterized by large variation of the impedance (magnitude and phase) of a sample of ferromagnetic material when subjected to an external magnetic field. The magnetic transducers sensitivity is directly affected by the sensitivity of its sensor elements. In the case of GMI samples, the sensitivity is affected by several parameters, and this dependence is not well modeled quantitatively. This dissertation presents a computational model based on feedforward Multilayer Perceptron Neural Networks and Genetic Algorithms that determines the optimal impedance phase sensitivity of the GMI effect, as functions of the magnetic field, for Co70 Fe5 Si15 B10 ferromagnetic amorphous alloys, The proposed model is based on some of the main parameters that affect it: length of the samples, DC level and frequency of the excitation current and the external magnetic field.

[pt] Elementos sensores baseados no efeito GMI são uma nova família de sensores magnéticos que apresentam grande quando submetidos a campos magnéticos externos. Estes sensores têm sido utilizados no desenvolvimento de magnetômetros de alta sensibilidade, destinados à medição de campos ultra fracos. Por sua vez, a sensibilidade de um magnetômetro está diretamente associada à sensibilidade de seus elementos sensores. No caso de amostras GMI, esta sensibilidade é otimizada buscando-se a maximização da variação do módulo ou da fase da impedância em função do campo magnético ao qual a amostra é submetida. Estudos recentes mostram que transdutores GMI baseados na variação de fase podem exibir sensibilidades até 100 vezes superiores às apresentadas por transdutores baseados na leitura do módulo do elemento sensor, o que fez com que os trabalhos conduzidos nesta dissertação focassem na maximização da sensibilidade de fase, a qual é majoritariamente dependente de quatro fatores: o comprimento da amostra, o campo magnético externo, o nível DC e a frequência da corrente de excitação. Contudo, a busca do conjunto de parâmetros que otimiza a sensibilidade das amostras é geralmente empírica e muito demorada. Esta dissertação propõe uma nova técnica de otimização da sensibilidade, baseada no uso de algoritmos genéticos evoluindo em hardware, a fim de se definir qual o conjunto de parâmetros responsável pela maximização da sensibilidade das amostras. Ressalta-se que, além dos parâmetros de otimização anteriormente explicitados, também foram realizados testes considerando a amplitude da corrente de excitação como uma variável livre, sendo que os resultados obtidos são apresentados e discutidos. Foi implementada uma bancada de testes e desenvolvida uma interface gráfica em LabVIEW, para monitorar e medir o comportamento da impedância de amostras GMI em função de variações nos parâmetros de interesse. Por sua vez, implementou-se um módulo de otimização em Matlab, baseado em algoritmos genéticos, responsável por encontrar a combinação de parâmetros que maximiza a sensibilidade dos sensores GMI avaliados (ponto ótimo de operação).

[en] GMI sensors are a new family of magnetic sensors that exhibit a huge variation of their impedance when subjected to external magnetic fields. These sensors have been used in the development of high sensitivity magnetometers, aimed at measuring ultra-weak magnetic fields. In turn, the sensitivity of a magnetometer is directly associated with the sensitivity of their sensor elements. In the case of GMI samples, this sensitivity is optimized by maximizing the variation of the impedance magnitude or phase as a function of the magnetic field applied to the sample. Recent studies show that GMI transducers based on phase variation can exhibit sensitivities up to 100 times higher than those presented by transducers based on impedance magnitude readings. The results obtained in these previous studies made the current work focusing on the maximization of phase sensitivity, which is mostly dependent on four…

[pt] Esta dissertação trata da investigação, simulação e otimização da estrutura de Diodos Orgânicos Emissores de Luz Multicamadas (ML-OLEDs) através da utilização de técnicas da Inteligência Computacional. Além disso, um desses métodos, chamado Otimização por Colônia de Formigas (ACO), foi implementado com base em um modelo proposto na literatura e aplicado pela primeira vez na otimização de diodos orgânicos. OLEDs são dispositivos optoeletrônicos nanométricos fabricados a partir de materiais semicondutores orgânicos. Ao contrário das tecnologias tradicionais, eles conjugam elevada luminescência e baixo consumo energético. Na fabricação de um OLED, o número configurações possíveis é quase ilimitado, em função da quantidade de parâmetros que se pode variar. Isso faz com que determinação da arquitetura ótima torne-se uma tarefa não trivial. Para simular os OLEDs foram empregados dois modelos distintos de simulação. Assim, as Redes Neurais Artificiais (RNA) foram empregadas com o objetivo de emular um dos simuladores e acelerar o cálculo da densidade de corrente. Os Algoritmos Genéticos (AG) foram aplicados na determinação dos valores ótimos de espessura das camadas, mobilidades dos portadores de carga e concentração dos materiais orgânicos em OLEDs com duas camadas, enquanto o ACO foi aplicado para encontrar os valores de concentração em OLEDs com duas e cinco camadas, constituindo assim três estudos de caso. Os resultados encontrados foram promissores, sobretudo no caso das espessuras, onde houve uma confirmação experimental do dispositivo com duas camadas.

[en] This dissertation deals with the research, simulation and optimization of the structure of Multilayer Organic Light Emitting Diodes (ML-OLEDs) by using Computational Intelligence techniques. In addition, one of these methods, called Ant Colony Optimization (ACO), was implemented based on a model proposed in the literature and applied for the first time in the optimization of organic diodes. OLEDs are nanometric optoelectronic devices fabricated from organic semiconducting materials. Unlike traditional technologies, they combine high luminance and low power consumption. In the manufacturing of an OLED, the number of possible configurations is almost unlimited due to the number of parameters that can modified. Because of this the determination of the optimal architecture becomes a non-trivial task. Two different simulation models were used to simulate the OLEDs. Thus, the Artificial Neural Networks (ANN) were employed in order to work as the proxy of the commercial simulator and to accelerate the calculation of the current density. The Genetic Algorithms (GA) were applied to determine the optimal values of thickness of the layers, the charge carrier mobility and the concentration of the organic materials in OLEDs with two layers, while the ACO was applied to find the values of concentration in OLEDs with two and five layers, thus establishing three case studies. The employed strategy has proved to be promising, since it has show good results for two case…

[pt] Esta dissertação investiga o uso da Programação Genética para otimização estrutural de aglomerados de carbono. O objetivo primordial do estudo de cálculos que descrevam as interações de um aglomerado é encontrar o arranjo de átomos que corresponde à menor energia, ou àqueles que possuem energias próximas, já que estes são os candidatos mais prováveis de serem formados. Recentemente, na área da Inteligência Computacional, estudos apresentaram um novo método de otimização, chamado de Otimização por Programação Genética (OPG), com resultados promissores, avaliados em diversos casos de referência. A partir destes resultados, esta pesquisa aplica, de forma inédita, a abordagem OPG em problemas de otimização estrutural de aglomerados. Para fins de comparação, foram realizadas otimizações independentes utilizando o modelo tradicional de Algoritmos Genéticos (AGs). Neste trabalho, foram realizados vários ensaios computacionais utilizando os métodos OPG e AG para otimizar a geometria, ou seja, encontrar a estrutura de menor energia, de aglomerados de carbono de 5 a 25 átomos. Para o cálculo da energia, foi utilizado o potencial de Morse. Os valores das energias encontrados e as geometrias de cada aglomerado foram comparados com casos já publicados na literatura. Os resultados mostraram que, para os aglomerados menores, os dois métodos foram capazes de encontrar os mínimos globais, mas com o aumento do número de átomos, o OPG apresenta resultados superiores ao AG. Quanto ao tempo de execução por avaliação, o AG se mostrou significativamente mais rápido do que o do OPG, devido à sua representação direta das posições dos átomos, de um aglomerado, em um cromossomo. Porém a superioridade dos resultados OPG em relação ao AG indicou que a melhoria na sua implementação poderá ser de grande utilidade na área de simulação de aglomerados atômicos ou moleculares.

[en] This dissertation investigates the use of Genetic Programming for the structural optimization of carbon clusters. The main objective concerning computations that describe the interactions of a cluster is to find the arrangements of atoms corresponding to the lowest energy, since these are the most likely candidates to be formed. It has been recently introduced in the area of Computational Intelligence a new optimization method, called Optimization by Genetic Programming (OGP), showing promising results for several benchmark cases. Based on these results, the present work aimed at the application of OGP for the geometry optimization of carbon clusters. For comparison purposes, independent optimizations using the standard genetic algorithm (GA) approach were carried out. Several optimization trials were performed using both GA and OGP in order to find the best geometries of carbon clusters with size ranging from 5 to 25 atoms. The energy was calculated using the Morse potential. Resulting energies and geometries were compared to previously published results. Both GA and OGP were able to find the global minimum for the smaller clusters. However, upon increasing the…

[pt] Para simular, prever e controlar os sistemas de energia elétrica, engenheiros precisam de ferramentas computacionais para modelar os componentes dessa rede interconectada altamente complexa. Muitos esforços ao longo do século passado foram dedicados a desenvolver modelos matemáticos para geradores, linhas de transmissão, compensadores de potência reativa, transformadores e assim por diante. Os principais componentes dos sistemas de potência são representados precisamente através de modelos matemáticos, mas as cargas ainda são uma fonte de incerteza nas simulações, devido à sua característica de aleatoriedade. Modelos de carga conservadores superestimam a resposta de potência a desvios de tensão, enquanto modelos de carga excessivamente otimistas podem subestimar as margens de estabilidade, deixando o sistema muito próximo do seu limite operacional. É preciso estabelecer representações de cargas tão próximas da realidade quanto possível, a fim de explorar os recursos de rede de modo mais eficiente. Este trabalho fornece uma metodologia para modelagem de carga, investigando e resumindo as etapas do processo, que podem ser implementadas de diversas maneiras. O tratamento de dados, a escolha de uma representação matemática do modelo de carga e sua estimação de parâmetros são apresentados através de estudos de caso reais, tanto para uma aplicação focada na dinâmica do sistema elétrica, quanto para uma aplicação em regime permanente. Discute-se como otimização e conceitos de inferência estatística podem ser ferramentas efetivas para alcançar melhores aproximações sobre como a carga responderá a perturbações causadas por variações de tensão, sejam estas variações espontâneas, ou devido a ações de controle, ou causadas por curtos-circuitos.

[en] To simulate, predict and control Electric Power Systems (EPS), engineers need tools to model the components of this highly complex interconnected network. Many efforts over the past century were dedicated to develop mathematical models for generators, transmission lines, reactive power compensators, transformers and so on. The main components of the power systems are precisely represented by mathematical models, but the loads are still a source of uncertainty in the simulations, due to their random characteristics. It is well known that conservative load models super estimate power response to voltage deviations, and, on the other hand, over-optimistic load models may underestimate stability margins, leading a system to operate too close to its limit. It is necessary to stablish load representations as close to reality as possible, in order to fully exploit grid resources. This work provides a methodology for load modeling, investigating and summarizing the steps of the process, whose can be implemented in a wide variety of ways. Data treatment, the choice of a load model representation and their parameters estimation are presented through real case studies, both for dynamic simulation and a steady state application. It is discussed how optimization and statistical inference…

[pt] O problema da predição das estruturas de proteínas (Protein Structure Prediction (PSP)) é um dos desafios mais importantes na biologia molecular. Pelo fato deste problema ser muito difícil, têm sido propostos diferentes modelos simplificados para resolvê-lo. Um dos mais estudados é o modelo, Hidrofóbico-Polar (HP), o modelo HP fornece uma estimativa da energia da proteína com base na soma de interações entre pares de aminoácidos hidrofóbicos (contatos H-H). Entretanto, apesar das simplificações feitas no modelo HP, o problema permanece complexo, pertencendo à classe NP-Difícil. Muitas técnicas têm sido propostas para resolver este problema entre elas, técnicas baseadas em algoritmos genéticos. Em muitos casos, as técnicas baseadas em AG foram usadas com sucesso, mas, no entanto, abordagens utilizando AG muitas vezes não tratam adequadamente as soluções geradas, prejudicando o desempenho da busca. Além disso, mesmo que eles, em alguns casos, consigam atingir o mínimo de energia conhecido para uma conformação, estes modelos não levam em conta a forma da proteína um fator muito importante na hora de obter proteínas mais compactas. Foi desenvolvido um algoritmo genético multiobjetivo para PSP no modelo HP, de modo de avaliar de forma mais eficiente, as conformações produzidas. O modelo utiliza como avaliação uma combinação baseada no número de colisões, número de contatos hidrofóbicos, compactação dos aminoácidos hidrofóbicos e hidrofílicos, obtendo, desta forma estruturas mais naturais e de mínima energia. Os resultados obtidos demonstram a eficiência desse algoritmo na obtenção de estruturas proteicas compactas providenciando indicadores da compactação dos aminoácidos hidrofóbicos e hidrofílicos da proteína.

[en] The problem of protein structured prediction (PSP) is one of the most important challenges in molecular biology. Because this problem is very difficult, different simplified models have been proposed to solve it. One of the most studied is the Hydrophobic-Polar model HP this model provides an estimate of the protein energy based on the sum of hydrophobic contacts. However, despite the simplifications made in the HP model, the problem remains complex, belonging to the class of NP-Hard problems. Many techniques have been proposed to solve this problem as genetic algorithms. In many cases the GA techniques have been used successfully, but, however, with GA approaches often do not adequately address the generated solutions, impairing the performance of the search. Furthermore, in some cases would attain the minimum energy for a known conformation, these models do not take care the protein shape, a very important factor to obtain more compact proteins. This work developed a multiobjective genetic algorithm to PSP in HP model evaluating more efficiently, the conformations produced. This model is a combination of assessment based on the collisions numbers, hydrophobic contacts, hydrophobic and hydrophilic core compression, obtaining thus more natural structures with minimum energy. The results demonstrate…

[pt] Interfaces Cérebro Computador (BCIs) são sistemas artificiais que permitem a interação entre a pessoa e seu ambiente empregando a tradução de sinais elétricos cerebrais como controle para qualquer dispositivo externo. Um Sistema de neuroreabilitação baseado em EEG pode combinar portabilidade e baixo custo com boa resolução temporal e nenhum risco para a vida do usuário. Este sistema pode estimular a plasticidade cerebral, desde que ofereça confiabilidade no reconhecimento das tarefas de imaginação motora realizadas pelo usuário. Portanto, o objetivo deste trabalho é o projeto de um sistema de aprendizado de máquinas que, baseado no sinal de EEG de somente dois eletrodos, C3 e C4, consiga classificar tarefas de imaginação motora com alta acurácia, robustez às variações do sinal entre experimentos e entre sujeitos, e tempo de processamento razoável. O sistema de aprendizado de máquina proposto é composto de quatro etapas principais: pré-processamento, extração de atributos, seleção de atributos, e classificação. O pré-processamento e extração de atributos são implementados mediante a extração de atributos estatísticos, de potência e de fase das sub-bandas de frequência obtidas utilizando a Wavelet Packet Decomposition. Já a seleção de atributos é efetuada por um Algoritmo Genético e o modelo de classificação é constituído por um Sistema de Múltiplos Classificadores, composto por diferentes classificadores, e combinados por uma rede neural Multi-Layer Perceptron. O sistema foi testado em seis sujeitos de bases de dados obtidas das Competições de BCIs e comparados com trabalhos benchmark da literatura, superando os resultados dos outros métodos. Adicionalmente, um sistema real de BCI para neurorehabilitação foi projetado, desenvolvido e testado, produzindo também bons resultados.

[en] Brain Computer Interfaces (BCIs) are artificial systems that allow the interaction between a person and their environment using the translated brain electrical signals to control any external device. An EEG neurorehabilitation system can combine portability and affordability with good temporal resolution and no health risks to the user. This system can stimulate the brain plasticity, provided that the system offers reliability on the recognition of the motor imagery (MI) tasks performed by the user. Therefore, the aim of this work is the design of a machine learning system that, based on the EEG signal from only C3 and C4 electrodes, can classify MI tasks with high accuracy, robustness to trial and inter-subject signal variations, and reasonable processing time. The proposed machine learning system has four main stages: preprocessing, feature extraction, feature selection, and classification. The preprocessing and feature extraction are implemented by the extraction of statistical, power and phase features of the frequency sub-bands obtained by the Wavelet Packet Decomposition. The feature selection process is effectuated by a Genetic Algorithm and the classifier model is constituted by a Multiple Classifier System composed by…

[pt] Em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, o projeto adequado dos circuitos para o refrigerante nos trocadores de calor pode ter um impacto significativo no seu coeficiente de performance (COP). O projeto otimizado dos circuitos de refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor do tipo tubo-aletado não é trivial, devido à complexidade de sua representação assim como o elevado número de possíveis combinações, mesmo quando metodologias inteligentes de otimização são empregadas. No presente trabalho propõe-se uma nova metodologia para a otimização simultânea (condensador e evaporador) dos circuitos do refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor de tipo tubo-aletado. Esta metodologia, aqui denominada como GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), mostra-se mais eficiente que as metodologias até então descritas na literatura. Foi aplicado o método GAFIS, em conjunto com um simulador completo para o sistema de refrigeração, Genesym, na otimização de unidades comerciais de condicionamento de ar de alto desempenho. Estudaram-se casos onde o sistema atingiu aumentos de até 15,3 por cento no coeficiente de performance. Em outros estudos, obtiveram-se casos onde o custo de produção foi reduzido em 3,85 por cento (do custo total da unidade), mantendo-se um similar desempenho (capacidade e COP). Testes de otimização, considerando-se diferentes diâmetros dos tubos, na construção dos trocadores de calor, e sistemas com distribuição não uniforme de velocidade de ar, também foram realizados com o GAFIS. Igualmente foram estudados condensadores de microcanais, devido ao interesse atual da indústria com estes trocadores de calor. A otimização do circuito para o refrigerante, neste caso, é relativamente simples, devido ao baixo custo computacional das simulações. Entretanto, modelos de simulação adequados para estes tipos de trocadores de calor só recentemente começaram a surgir, e não têm sido explorados de maneira adequada até a presente data. Explorou-se no presente trabalho, a influência, no desempenho térmico do condensador, dos parâmetros que definem o circuito do refrigerante. Para tal efeito, desenvolveu-se um modelo de simulação baseado em análise local, validado com dados experimentais disponíveis, de condensadores de microcanais de uso automotivo com diâmetro hidráulico (lado do refrigerante) de 0,9 e 1,0mm, para refrigerantes R-134a, Fluid-H e R-1234yf. Foram encontradas relações diretas entre os parâmetros geométricos que definem os circuitos de refrigerante no condensador e seu desempenho térmico. Tal fato pode ser utilizado como orientação expedita para o projeto do circuito ótimo do condensador.

[en] Refrigerant circuiting in condensers and evaporators has a significant effect in the performance of refrigeration systems. The optimized project of the refrigerant circuits in refrigeration systems with plate-fin heat exchangers is not trivial, due to the complexity of their representation as well as the high number of possible combinations, even when…

[pt] Os custos de instalação e as taxas de produção ao longo da vida de um reservatório de óleo e gás são influenciados diretamente pela localização, quantidade e capacidade das Unidades Estacionárias de Produção (UEPs). A distância entre um poço e a UEP a qual foi alocado é um fator impactante na perda de carga a que os fluídos são submetidos. A dissipação de energia aumenta quando essa distância é maior e todo o sistema de produção recebe a interferência negativa desta perda, o que compromete as taxas de recuperação. A necessidade de respeitar as restrições de capacidade das UEPs faz com que outras decisões precisem ser tomadas no mesmo momento em que se decide a localização de cada uma. Este trabalho descreve um modelo baseado em Algoritmos Genéticos para a otimização simultânea da quantidade, localização e dimensionamento de Unidades Estacionárias de Produção (UEPs). Para lidar com as restrições lineares e não lineares do problema utiliza-se a técnica chamada de GENOCOP III - Genetic Algorithm for Numerical Optimization of Constrained Problems e funções de penalidade. O objetivo da otimização é maximizar o Valor Presente Líquido (VPL) que depende da curva de produção de cada configuração obtida como possível solução. Para obter a curva de produção são realizadas simulações de reservatório que utilizam tabelas de escoamento multifásico para representar o sistema de produção externo ao reservatório. O modelo de solução foi testado em um modelo de reservatório baseado em um caso real. Os resultados encontrados indicam que a utilização deste modelo de solução como ferramenta pode auxiliar a tomada de decisão dos especialistas responsáveis pelo desenvolvimento de campos de petróleo.

[en] Installation costs and production rates over the life of an oil and gas reservoir are directly influenced by the location, number and capacity of the Production Units. The distance between a well and the Production Unit to which it has been allocated is an important factor in the loss of fluids pressure. The power dissipation increases when the distance is bigger and the entire production system receives the negative interference of this loss, compromising recovery rates. There is a need to take into account restrictions that apply to the capacity of Production Unit at the same time as there localization are decided. This paper describes a model with genetic algorithms for the simultaneous optimization of the quantity, location and sizing of Production Units. To deal with the constraints of the problem we use a technique called GENOCOP III - Genetic Algorithm for Numerical Optimization of Constrained Problems. The goal of the optimization is to maximize the Net Present Value (NPV) which depends on the production curve of each configuration obtained as a possible solution. The production curves are obtained by reservoir simulations with multiphase flow tables that represent the system external to the reservoir. The solution model was tested in a reservoir model based on a real case. The results indicate that using this solution…

[pt] Nas instalações elétricas de baixa tensão de uma planta industrial está concentrado grande parte do custo necessário para sua construção. Nesse contexto, os cabos elétricos são o item mais relevante e poucas iniciativas visando sua redução têm sido notadas. Apesar dos limites impostos pelas normativas vigentes e pelos próprios usuários dessas plantas, existem medidas que podem levar a redução do custo dos cabos elétricos, entre elas, a alocação inteligente dos quadros de distribuição na baixa tensão. O objetivo desse trabalho é definir uma metodologia para o posicionamento ótimo desses quadros de distribuição, minimizando o custo dos cabos elétricos dentro de uma área onde as cargas a serem alimentadas estão posicionadas de modo fixo. São definidas algumas restrições ao posicionamento dos quadros e também é preparada uma interface gráfica que facilita a interpretação dos resultados. Faz-se então uma comparação dos resultados obtidos com dados reais de uma instalação industrial cujo projeto básico fora realizado da forma tradicional, sem uso de qualquer técnica inteligente para a alocação dos quadros de distribuição. Dessa comparação nota-se que o potencial de redução pode alcançar mais de 40 porcento do custo dos cabos elétricos previsto pelo projeto básico. A redução na quantidade de cabos elétricos trás vários efeitos colaterais positivos, entre eles a redução das perdas por efeito Joule e a redução nas emissões de CO2 cujos impactos são mensurados também. Por fim, são lançadas ideias para a evolução da metodologia de modo que sua aplicação seja mais abrangente e simples, preparando-a para o uso em qualquer situação, como uma nova ferramenta dos projetos elétricos.

[en] In electrical installations of low voltage of an industrial plant is concentrated much of the cost required for its construction. In this context, the electrical wires are the most important item and few initiatives aimed at their reduction has been noted. Despite the limitations imposed by current regulations and by the users of these plants, there are steps that can lead to reducing the cost of electric cables, among them the intelligent allocation of switchboards at low voltage. The aim of this study is to define a methodology for the optimal positioning of these distribution boards, minimizing the cost of electrical cables within an area where the loads to be fed are positioned permanently. A graphical interface that facilitates the interpretation of results are set some restrictions on placement of tables and is also prepared. Then it makes a comparison of the results with real data of an industrial installation whose basic design was done the traditional way, without using any smart technique for allocation of the switchboard. This comparison we note that the reduction potential can reach more than 40 percent of the cost of electric cables provided by the basic design. The reduction in the amount of electrical cables behind several positive side effects, including reducing losses by Joule effect and the reduction in CO2 emissions whose…

A utilização de perfis de aço formados a frio tem grande aplicação na atualidade, ora sendo empregados na construção civil convencional (prédios residenciais e industriais) ora em estruturas mecânicas, tais como estruturas de veículos (caminhões, ônibus, vagões, etc.). As atuais exigências econômicas fazem com que estes perfis tenham, cada vez mais, alto desempenho estrutural. Neste sentido propõe-se, na presente tese, explorar as possibilidades de otimização paramétrica da seção transversal de perfis U com e sem enrijecedores de borda formados a frio quando submetidos à compressão. As ferramentas utilizadas para cumprir tal objetivo são o Método das Faixas Finitas Restringidas (MFFr) para análise da estabilidade elástica e o Método da Resistência Direta (MRD) para determinação da resistência do perfil como uma alternativa ao Método das Larguras Efetivas. O MFFr é aqui utilizado por ser capaz de realizar a decomposição e a identificação modal. Incorpora-se a esta forma de análise uma metodologia de otimização baseada em algoritmos genéticos que se fundamenta no processo de seleção natural proposto por Charles Darwin. Exemplos considerando esta forma de trabalho mostram os ganhos que poderiam ser obtidos. Para verificar os resultados obtidos na otimização, um modelo em elementos finitos considerando a não-linearidade física e geométrica foi utilizado, o qual foi calibrado com resultados experimentais encontrados na literatura. Conclusões sobre a potencialidade da metodologia utilizada são finalmente apresentadas.

The use of cold-formed steel members has great application at the present time, such as in standard civil buildings (residential and industrial buildings) and in mechanical structures (structures of vehicles as trucks, bus, wagons, etc.). A high structural performance for profiles is a required economic demand in present days. In this sense, the present theory intends to explore the possibilities of parametric optimization of cold-formed steel channel and lipped channel members when submitted to compression. The tools used to accomplish such objective are the method of the Constrained Finite Strip method (cFSM) for analysis of the elastic stability and the Direct Strenght Method (DSM) for determination of the resistance of the profile as an alternative to the Effective Width Method. The constrained finite strip method (cFSM) is used because it is capable to accomplish the modal decomposition and identification. An optimization methodology based in genetic algorithms that is based in the process of natural selection proposed by Charles Darwin is incorporated in this form of analysis. Examples considering this methodology show the improvement that could be obtained. To verify the results obtained in the optimization, a model in finite elements considering the non-linearities, material and geometric, was used, which was calibrated with experimental results found in the literature. Conclusions about the potentiality of the used methodology are finally presented.

O uso de perfis de aço formados a frio tem como objetivo a obtenção de estruturas leves. O emprego de chapas de pequena espessura na fabricação desses perfis implica facilidade de obtenção de seções de diferentes geometrias, encorajando a otimização. Porém, isso resulta, muitas vezes, numa grande esbeltez dos elementos que compõem a seção, o que os torna suscetíveis ao fenômeno da flambagem local quando submetidos a esforços de compressão. No contexto dos perfis de aço formados a frio, esse trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento estrutural de telhas de aço formadas a frio de perfil trapezoidal, analisando-se vários aspectos, entre eles métodos de determinação de carga crítica de flambagem elástica e de carga de colapso, influência das condições de contorno na performance estrutural e a otimização da forma da seção transversal. A carga crítica e a carga de colapso de telhas trapezoidais de perfil comercial, com diferentes condições de vinculação das bordas longitudinais, foram obtidas experimentalmente e comparadas com resultados teóricos. Para a determinação da carga crítica teórica, foram utilizados modelos de elementos finitos e de faixas finitas e, para a obtenção da carga de colapso teórica, foram empregados o Método da Resistência Direta e o procedimento da Norma Brasileira NBR 14762:2001. A otimização de forma da seção transversal das telhas foi realizada utilizando-se Algoritmos Genéticos. Foram propostas diferentes funções objetivo, relacionadas com a minimização da flecha no meio do vão, a maximização da carga crítica de flambagem elástica e a maximização da área de cobertura. Em relação a todos os aspectos citados, os resultados obtidos pelos diversos métodos de análise foram discutidos, com as limitações de cada um devidamente destacadas. As principais conclusões tiradas ao longo desse estudo estão apresentadas no final do trabalho.

The cold-formed steel members application aims at the obtaining of light gauge structures. The use of thin sheets in these members fabrication implies the facility of obtaining different cross sections, encouraging the optimization. However, several times, it results in slender section elements. These elements, when submitted to compressive stresses, have a high tendency to undergo the local buckling phenomenon. The main aim of this work is to research the structural behavior of cold-formed trapezoidal steel roofing sheets, investigating different aspects: critical elastic buckling load and collapse load evaluation methods, boundary conditions influence on the structural performance and cross section optimization. The critical buckling load and the collapse load of trapezoidal sheets with a commercialshaped cross section, with different boundary conditions of the longitudinal edges, were experimentally determined and compared with theoretical results. In order to evaluate the theoretical critical buckling load, finite element and finite strip models were used. For the collapse load determination, the Direct Strength Method and the design specification from…

A cada ano que passa cresce a preocupação quanto à segurança de passageiros em veículos, isso pode ser concluído analisando a crescente exigência através de normas que determinam a resistência estrutural mínima de veículos frente a diferentes carregamentos extremos. Por outro lado, um mercado automobilístico cada vez mais competitivo exige projetos mais leves, econômicos e baratos. A preocupação ambiental também está em evidência. Com essa diversidade de objetivos, muitas vezes contraditórios, que o engenheiro deve levar em consideração ao projetar um veículo, tornou-se árdua tarefa relacionar todos esses conceitos de maneira harmoniosa. Neste contexto, se apresenta nesse trabalho uma proposta de metodologia para a otimização estrutural, utilizando Algoritmo Genético, de um ônibus sob condições de tombamento. O modelo simplificado de elementos finitos do ônibus é construído com elementos de viga e, nos locais com grande deformação plástica localizada, são acrescentadas rótulas plásticas à estrutura. Para caracterizar as rótulas plásticas são utilizados métodos experimentais e numéricos. Desse modelo numérico do ônibus sob tombamento são extraídos parâmetros que compõe as diferentes funções objetivo propostas e, assim, diversos projetos otimizados são analisados, visando encontrar o melhor projeto para cada estudo realizado. Por fim, conclui-se que a metodologia de otimização proposta representa uma ferramenta muito útil e pode ser empregada durante o desenvolvimento de projetos, agilizando o processo e facilitando a tomada de decisões importantes.

The concern about vehicle passengers’ safety increases along the years, this can be concluded analyzing the constant evolution of requirements through standards, defining minimum structural rigidity of vehicles under different extreme loads. Otherwise, highly competitive automotive market demands lighter, economic and cheaper projects. The ambient concern is also in evidence. This diversity of objectives, many times contradictory, that an engineer must handle during a vehicle development, became an arduous task to relate all these concepts in a harmonious way. In this context, is presented in this paper a proposal of methodology for a structural optimization, applying Genetic Algorithm, of a bus rollover. The simplified finite elements model of the bus is constructed with beam elements and, in places with localized large plastic deformation, plastic hinges are added to the structure. Experimental and numerical methods are used to determine the plastic hinge properties. With this numerical model of the bus rollover, parameters are extracted to compose the different proposals of objective functions and, thus, diverse optimized projects are analyzed, aiming to find the optimum project for each study. Finally, is concluded that the optimization methodology proposal represents a useful tool and can be applied during projects’ development, shortening the process and helping on important decisions.

A ciência é, por vezes, dogmática. Mesmo o cientista questionador às vezes é obrigado a tomar como verdade algo que se acredita na comunidade de forma a realizar suas pesquisas em busca do conhecimento. Na área da genômica, alguns dogmas estão ainda arraigados à cultura científica e o objetivo principal da presente tese foi tentar, na medida do possível, questionar e testar alguns desses dogmas com a intenção de trazer à luz da razão um conhecimento mais sólido sobre alguns limitados aspectos relacionados, principalmente, ao processo de nomeação das bases (base-calling). Para avaliar, portanto, a utilização do algoritmo PHRED, o principal nomeador de bases utilizado em projetos genoma, desenvolvemos primeiro uma metodologia sólida de análise. Tal metodologia tentou diminuir o número de variáveis a se analisar em uma corrida de seqüenciamento para que nossas análises não levassem em consideração peculiaridades específicas de uma ou outra reação produzida. Dessa forma, realizamos o seqüenciamento de um vetor de clonagem bastante conhecido (pUC18) em um único conjunto, homogeneizando as amostras de forma que a única variável possível fosse a separação eletroforética e o padrão de nomeação de bases. Produzimos, portanto, 846 seqüências do vetor pUC18 que foram comparadas, através de alinhamentos locais, com um controle positivo: a seqüência já publicada para esta molécula. Dessa forma, pudemos identificar os erros do seqüenciamento / nomeação de bases e avaliar diferentes parâmetros de utilização do algoritmo PHRED. Verificamos que o padrão de erros observado era relativamente igual ao esperado, que as bases incorretas não podiam ser previstas através da observação dos valores de qualidade de sua vizinhança e que as trocas (mismatches) são mais comuns quando associadas a valores baixos de qualidade, enquanto se nota a presença de erros relacionados a indels de alta qualidade. Percebemos também uma aplicação desta abordagem para o processo de desenho de iniciadores de seqüenciamento e realizamos um estudo avaliando este tópico, o qual mostra que a leitura de boa qualidade é iniciada a uma distância mensurável à jusante do iniciador de seqüenciamento. Com o objetivo de tentar mascarar as bases incorretas em letras minúsculas, observamos que o valor de qualidade 7 parece ser o mais adequado para utilizar nesses casos, em boa parte das situações. Além disso, calibramos o programa PHRED para funcionar de forma a apresentar apenas a informação não-ruidosa, biologicamente relevante. Por último, analisamos ainda a formação de consensos a partir dessas seqüências e mostramos a surpreendente ineficiência do re-seqüenciamento de forma a produzir seqüências fiéis à molécula molde.

Science is sometimes dogmatic. Even the very thinker scientists are sometimes forced to accept as true something believed by the community in order to advance their research. In the genomic research field, some dogmas are still attached to scientific culture and the main goal of this thesis is the tentative to question some of these dogmas and bring to…

O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma formulação para a otimização estrutural de treliças planas e espaciais submetidas a restrições de tensão e deslocamento, combinando técnicas que consideram o espaço de busca contínuo e discreto. É implementado um algoritmo cuja finalidade é incorporar a simplicidade, eficiência e velocidade dos métodos determinísticos com a capacidade de produzir resultados mais realísticos dos métodos estocásticos. O programa desenvolvido possui módulos de elementos finitos, análise de sensibilidade e otimização. Os problemas são resolvidos em duas etapas: A primeira etapa é baseada em Programação Linear Seqüencial (PLS). Este método de programação matemática necessita que a função objetivo e as restrições sejam sucessivamente linearizadas por expansão em séries de Taylor e a análise de sensibilidade é resolvida utilizando o método analítico. A segunda etapa usa Algoritmos Genéticos (AG) e emprega o método das funções penalizadas, no qual o problema restrito é transformado em irrestrito, associando uma penalidade às restrições violadas. Os resultados encontrados na primeira etapa são utilizados para melhorar a convergência da segunda etapa. Para ilustrar o desempenho do algoritmo proposto são apresentados exemplos numéricos de problemas clássicos comparando-os com outros métodos encontrados na literatura.

The present work has as objective the presentation a formulation for structural optimization of plane or space truss with local stress and displacement constraints, combining techniques that consider the search space continuous and discrete. An algorithm was implemented with the purpose to incorporate the simplicity, efficiency and rapidity of the deterministic methods with the ability to produce more realistic results of stochastic methods. The software developed has modules for finite element, sensitivity analysis and optimization. Problems are solved in two steps: The first is based on Sequential Linear Programming (SLP). This method of mathematical programming requires that the objective function and constraints are successively linearized applying a Taylor series expansion and sensitivity analysis is solved using the analytical method. The second step uses genetic algorithms (GA) and Penalty function methods for transform the constrained problem into an unconstrained problem, associating a penalty if a constraint is violated. The results in the first stage are used to improve the convergence of the second stage. Numerical examples are presented to illustrate the performance of the proposed algorithm comparing with other methods found in literature.

Nos modernos sistemas produtivos exige-se crescente aumento na eficiência global, o que implica em otimização nas etapas de processo. Neste contexto, o arranjo de um layout industrial é um conceito fundamental para a eficácia de um sistema, que deve ser considerada na sua concepção. Em um ambiente industrial podem-se conceber diversos tipos de layout, de acordo com a diversidade de itens e do modo de produção adotado, da demanda de mercado. O presente trabalho aborda o projeto de layout do tipo celular, uma modalidade de arranjo utilizado na engenharia industrial que permite atender diversidade de produção compatível com certa flexibilidade operacional. Dentre as diversas técnicas e abordagens aplicadas para a formação de células de manufatura, adota-se especificamente uma aplicação de Algoritmo Genético, implementada através de uma interface em Matlab, onde são abordados tópicos como: a geração da população inicial, a codificação do cromossomo,a função objetivo, as restrições do problema, os operadores de cruzamento e mutação e a confiabilidade do algoritmo proposto. Dos resultados obtidos, constata-se que os Algoritmos Genéticos são ferramentas confiáveis para a otimização de sistemas de fabricação, obtendo-se respostas que cumprem os requisitos básicos de projeto de uma célula, além de apresentar valores de convergência na geração de grupos de máquinas e famílias de peças.

In modern production systems it requires increasing the overall efficiency, which results in the optimization process steps. In this context, the arrangement of an industrial layout is a fundamental concept to the effectiveness of a system that must be considered in its design. An industrial environment can be designed with layouts of several types, according to the diversity of items, adopted production mode and market demand. This paper discusses the design layout of the cellular type, an arrangement used in industrial engineering that allows diversity to meet production compatible with operational flexibility. Among the various techniques and approaches applied to the formation of manufacturing cells, specifically here it is adopted an application of genetic algorithm, implemented using an interface in Matlab, where several topics are covered, namely: the generation of the initial population, the chromosome coding, operators of Crossover, mutation and reliability of the proposed algorithm. The obtained results show that the Genetic Algorithms are reliable tools for the optimization of manufacturing systems, obtaining responses that meet the basic requirements of a cell design, and presenting convergence values in the generation of machine groups and family of parts.