Submitted by KAROL DE ALMEIDA SANTOS null (karol3950@terra.com.br) on 2017-07-19T23:03:31Z No. of bitstreams: 1 KAROL SANTOS Versão Final - Dissertação.pdf: 2073101 bytes, checksum: 6858063cd1c39edc996f97557b1f5471 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-07-20T17:55:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 santos_ka_me_guara.pdf: 2073101 bytes, checksum: 6858063cd1c39edc996f97557b1f5471 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-20T17:55:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 santos_ka_me_guara.pdf: 2073101 bytes, checksum: 6858063cd1c39edc996f97557b1f5471 (MD5) Previous issue date: 2017-07-06 / A Engenharia apresenta como uma de suas características, a necessidade de investigação de sistemas, para se obter o máximo de resultado destes. E Planejamento de Experimento é um método, que pode suportar esta necessidade, porém a complexidade intrínseca ao método cria barreiras no entendimento, e consequentemente no uso, podendo se considerar a estatística um dos agentes mais significativos, portanto faz-se necessário utilizar abordagens mais eficientes, para o ensino deste método. As tradicionais abordagens pedagógicas não se mostram suficientes para favorecer a assimilação da essência do Planejamento de Experimento, pois ou seu foco se direciona quase que totalmente a estatística ou, quando se usa recursos tecnológicos, a ferramenta se torna protagonista, por se tratar de softwares complexos para análises, e adequado ao uso por especialistas. Assim essa dissertação vem com o objetivo de propor um software com características essencialmente didáticas, que venha a preencher esta lacuna, o qual foi denominado “The Cake”, metáfora que faz alusão à variabilidade total de um experimento, e que tem suas partes tomadas pelos efeitos controláveis e incontroláveis. Desta forma, este software foi desenvolvido, buscando interfaces amigáveis e similares aos livros texto, para ser de fácil uso e proporcionar interação com o usuário, e apresentar as análises de maneira gradativa. / The Engineering presents as one of its characteristics, the need of investigation of systems, in order to obtain the maximum result of these. Design of Experiments is a method that can support this need, but the intrinsic complexity of the method creates barriers in its understanding, and consequently on the use and statistic can be considered one of the most significant agents, therefore it is necessary to use more efficient approaches, for the teaching of this method. The traditional pedagogical approaches are not sufficient enough to favor the assimilation of the essence of Design of Experiments, since its focus is almost entirely on statistics or, when using technological resources, the tool becomes a protagonist because it is software complex for analysis, and suitable for use by specialists. So this dissertation comes with the objective of proposing software with characteristics essentially didactic that will fill this gap, which was denominated "The Cake", metaphor that alludes to the total variability of an experiment, and that has its parts taken by the controllable and uncontrollable effects. In this way, this software was developed, searching for friendly interfaces and similar to text books, to be easy to use and provide user interaction, and present the analyses in a gradual way.

Le confort et la sécurité de conduite sont les principaux critères de vente de l’industrie automobile actuelle. De nombreux projets de recherche sont mis en place afin de les améliorer et pour faire face aux mesures de législation et de contrôle mises en place pour réduire le nombre d’accidents routiers. Les mesures semblent efficaces : en France,par exemple, le nombre des accidents mortels diminue de 11% en moyenne chaque année.D’après de récentes études, 90% de ces accidents ont pour cause le facteur humain et il devient nécessaire de prendre en compte le conducteur pendant la phase de conception des systèmes de sécurité et d’aide à la conduite. Une assistance à la conduite basée sur le partage du contrôle du véhicule entre le conducteur et l’automate est un des axes de recherche privilégiés de l’industrie, notamment pour améliorer la sécurité.Il est maintenant devenu possible de récupérer une très grande quantité d’information sur l’environnement et de réaliser une interaction intelligente entre les différents acteurs du trafic. Les techniques existantes permettent même la conduite partagée entre le véhicule et le conducteur et, dans un horizon plus lointain, d’envisager un véhicule complètement autonome. Dans les situations de conduite automatisée, un algorithme adéquat est nécessaire pour remplacer le conducteur.L’intérêt principal de cette recherche se situe au niveau de l’interaction entre le conducteur et l’algorithme d’assistance ou de conduite automatisée. Il est indispensable de connaître et de comprendre le comportement du conducteur dans sa façon de conduire,de contrôler le véhicule et de prendre une décision. Par conséquent, un modèle adapté aux besoins est nécessaire. En plus de la nécessité de disposer d’un modèle suffisamment riche pour décrire le comportement de différents conducteurs dans les situations routières les plus fréquentes, il est indispensable de disposer d’une méthode de synthèse des systèmes d’assistance sur la base de ces modèles. / Driving comfort and safety are the main points of interest for the automotive industry. Many research projects were realized in order to improve them and to reduce the number of road accidents. The measures seem to be effective : in France, for example, the number of fatal accidents decreases by 11% on average each year. According to recent studies, 90% of these accidents are caused by the human factor. As a consequence, it becomes necessary to take the driver into account during the design of driving assistance systems. An assistance based on the control sharing between the driver and the automatic pilot is one of the main topics of research and a way to improve safety. It has now become possible to recover a very large amount of information on the environment and to achieve intelligent interaction between the various actors in the traffic. Existing technologies even allow imagining a completely autonomous driving in a more distant horizon. In such a situation, an adequate algorithm is required to replace the human driver.The main interest of this research is the interaction between the driver and the driver assistance algorithm. It is essential to know and to understand the behavior of the humanin his / her way to control the vehicle and to make a decision. Therefore, his model is necessary. Moreover, it is essential to develop a design method for such assistance systems on the basis of these driver models.

[pt] O presente trabalho teve como objetivo apresentar diretrizes para a execução de experimentos fatoriais com restrições na aleatorização, mostrando a importância em identificar tais restrições, com base na visão de alguns autores e da aplicação de um estudo de caso. Este estudo foi cedido pela Companhia Siderúrgica Nacional - CSN, e exposto através da comparação entre dois modelos, cujas análises refletem as diferenças ao se considerar a restrição na aleatorização do experimento para obter uma resposta otimizada. Conforme identificado na literatura, poucos autores abordam a importância de reinicializar o nível dos fatores em um projeto de experimento industrial. Reinicializar o nível dos fatores, junto à necessidade de aleatorizar a ordem das corridas experimentais, torna válida a hipótese de que as observações obtidas no experimento serão variáveis aleatórias independentemente distribuídas. Quando a aleatorização completa do experimento não é possível de ser atingida, cabe ao experimentalista a decisão de projetar o experimento de tal forma que garanta a correta análise estatística e, conseqüentemente, a validação do modelo. Ao identificar se o experimento apresenta restrições em ser aleatorizado, classificando-o, identificando os fatores fáceis e difíceis de reinicializar, e analisando-se corretamente, evitam-se avaliações equivocadas ou incompletas, como se apresentou neste trabalho. Por fim, a análise, tendo em vista a existência da restrição em executar um experimento completamente aleatorizado e levando em consideração a presença de dois termos de erro no modelo permitiu a identificação das condições experimentais que garantem a minimização da resposta para o estudo de caso. / [en] This work presents some guidance for the execution of factorial experiments with restrictions in the randomization by showing the importance of restrictions identifying. The study is based on some author´s points of view and on a case study application. The original research information comes from Companhia Siderúrgica Nacional - CSN, in fact, the research is presented through two models comparisons. The analysis of these models reveals the differences in taking into account a restriction in the experiment randomization with the aim of getting an optimized response. As shown in the studied literature, just a few authors approach the importance of restarting the factors level in an experimental industrial project. Resetting the factor´s level added to the necessity of randomizing the order of the experimental runs, valid the hypothesis that sustains that the experiment observations will be random variables independently distributed. When the complete randomization of the experiment results in an impossible chore, it is expected that the one who is in charge decides to project the experiment in a way that assures the correct statistic analysis, and consequently, the model´s validation. By identifying if the experiment has restrictions to be randomized, classifying the experiment, identifying which ones are the easiest and hardest factors and doing a correct analyze; it is expected that incomplete or mistaken assessments, like those showed in this research, will be avoided. Finally, the analyses taking into account a restriction in the complete randomized experiment execution and the presence of two error terms in the model, allowed the identification of the experimental conditions that guarantee the case study´s response minimization.

[pt] A metodologia da superfície de resposta desempenha um papel importante no desenvolvimento, melhoria e otimização de processos e produtos mediante a aplicação de um conjunto de técnicas estatísticas e matemáticas. O foco principal desta pesquisa é a última etapa da metodologia que está relacionada ao estudo da superfície de resposta na região de interesse. Assim, a presente dissertação tem como objetivo apresentar de forma sintetizada a metodologia para realizar a Análise de Cumeeira nos modelos ajustados de superfícies de resposta de segunda ordem que têm como ponto estacionário um ponto de sela ou um ponto fora da região experimental. Nesta análise procuram-se as condições ótimas de processos e produtos através de experimentos planejados. A análise de cumeeira é particularmente importante quando for difícil visualizar a superfície de resposta devido à existência de quatro ou mais dimensões. Apresentam-se alguns exemplos oriundos da literatura e também é realizada a análise de um caso prático real. / [en] The response surface methodology plays an important role in the developing, improving and optimizing processes and products through the application of a collection of statistical and mathematical techniques. The main focus of this research is the last step of the methodology that is related to the study of the response surface in the region of interest. Thus, this dissertation aims to present a summarized methodology for ridge analysis in the fitted models of the second-order response surfaces that have a saddle point or a point out of the experimental region as a stationary point. This analysis looks for the optimum process and product conditions through planned experiments. Ridge analysis is particularly important when it is difficult to visualize the response surface due to the existence of four or more dimensions. In this work there are some examples that derive from literature, and an analysis of a real case study is also performed.

[pt] A estrutura de uma fibra de carbono de piche mesofásico é desenvolvida durante a extrusão e é aperfeiçoada nos processos de estabilização e carbonização. É extremamente importante ter um controle rígido dos parâmetros do processo de extrusão para formar fibras de carbono de qualidade. Planejamentos de experimentos foram aplicados em 17 condições de extrusão para investigar a influência de três variáveis do processo - velocidade do parafuso, temperatura e velocidade da bobina - no diâmetro de fibras de piche de petróleo. A velocidade do parafuso foi apontada como o fator de maior impacto na produção de fibras finas. Condições ótimas foram validadas em um experimento que produziu filamentos com um diâmetro médio de 14 micrômetros, mostrando que o planejamento de experimentos é uma ferramenta promissora para auxiliar a produção de fibras de carbono. Os dados coletados nos experimentos foram utilizados para modelar o escoamento extensional que ocorre durante a formação da fibra. Valores de tensão sob os quais o material pode ser submetido durante a extrusão sem rompimento foram avaliados. A relação entre o grau de orientação das moléculas de carbono e o diâmetro da fibra também foi analisada. Apesar de fibras mais grossas apresentarem maior alinhamento axial das moléculas, existe um valor de diâmetro a partir do qual a difusão de oxigênio, necessária para estabilização das fibras, não acontece. Apenas fibras com diâmetros menores que 45 micrômetros foram completamente estabilizadas em ar. Estabilizações incompletas das fibras mais grossas induziram defeitos nas estruturas delas e que refletiram em suas resistência a tração e módulo de Young. Enquanto fibras finas alcançaram resistências de 1000 MPa e módulos de 90 GPa, fibras grossas aguentaram somente 200 MPa com um módulo de 17 GPa. / [en] The structure of a mesophase pitch carbon fiber is largely developed during the fiber spinning process and is perfected in stabilization and carbonization steps. It is of critical importance to strictly control the extrusion parameters to form standard carbon fibers. Designs of experiments were employed in melt spinning under 17 conditions to investigate the influence of three process variables - screw velocity, spinning temperature and winding speed - on the diameter of petroleum-derived pitch filaments. Screw velocity was found to be the most significant factor to produce thinner fibers. Optimized conditions were validated in an experiment that produced a filament with average diameter of 14 micrometers, proving that design of experiments is a powerful tool to be used in carbon fibers production. The data collected on experiments were used to model the elongational flow that occurs during the fiber formation. Tensile strength at which the material can be subjected under extrusion without breaking was evaluated. The relation between the degree of orientation of the carbon layers parallel to the fiber axis and the diameter of the fibers was also analyzed. Despite the fact that the thickness of the fiber improved the axial alignment of molecules, there is a limiting diameter at which the diffusion of oxygen, needed to form stabilized fibers, do not occur. Only diameters smaller than 45 micrometers could be fully stabilised in air. Insufficient stabilization of the thicker filaments induced defects on their structure that reflected on their tensile strength and modulus. While thinner fibers reached strengths of 1000 MPa and 90 GPa modulus, thicker fibers have only supported 200 MPa with 17 GPa modulus.

I present novel solutions to two different classes of computational problems that arise in the study of complex cellular processes. The first problem arises in the context of planning large-scale genetic cross experiments that can be used to validate predictions of multigenic perturbations made by mathematical models. (i) I present CrossPlan, a novel methodology for systematically planning genetic crosses to make a set of target mutants from a set of source mutants. CrossPlan is based on a generic experimental workflow used in performing genetic crosses in budding yeast. CrossPlan uses an integer-linear-program (ILP) to maximize the number of target mutants that we can make under certain experimental constraints. I apply it to a comprehensive mathematical model of the protein regulatory network controlling cell division in budding yeast. (ii) I formulate several natural problems related to efficient synthesis of a target mutant from source mutants. These formulations capture experimentally-useful notions of verifiability (e.g., the need to confirm that a mutant contains mutations in the desired genes) and permissibility (e.g., the requirement that no intermediate mutants in the synthesis be inviable). I present several polynomial time or fixed-parameter tractable algorithms for optimal synthesis of a target mutant for special cases of the problem that arise in practice. The second problem I address is inferring gene regulatory networks (GRNs) from single cell transcriptomic (scRNA-seq) data. These GRNs can serve as starting points to build mathematical models. (iii) I present BEELINE, a comprehensive evaluation of state-of-the-art algorithms for inferring gene regulatory networks (GRNs) from single-cell gene expression data. The evaluations from BEELINE suggest that the area under the precision-recall curve and early precision of these algorithms are moderate. Techniques that do not require pseudotime-ordered cells are generally more accurate. Based on these results, I present recommendations to end users of GRN inference methods. BEELINE will aid the development of gene regulatory network inference algorithms. (iv) Based on the insights gained from BEELINE, I propose a novel graph convolutional neural network (GCN) based supervised algorithm for GRN inference form single-cell gene expression data. This GCN-based model has a considerably better accuracy than existing supervised learning algorithms for GRN inference from scRNA-seq data and can infer cell-type specific regulatory networks. / Doctor of Philosophy / A small number of key molecules can completely change the cell's state, for example, a stem cell differentiating into distinct types of blood cells or a healthy cell turning cancerous. How can we uncover the important cellular events that govern complex biological behavior? One approach to answering the question has been to elucidate the mechanisms by which genes and proteins control each other in a cell. These mechanisms are typically represented in the form of a gene or protein regulatory network. The resulting networks can be modeled as a system of mathematical equations, also known as a mathematical model. The advantage of such a model is that we can computationally simulate the time courses of various molecules. Moreover, we can use the model simulations to predict the effect of perturbations such as deleting one or more genes. A biologist can perform experiments to test these predictions. Subsequently, the model can be iteratively refined by reconciling any differences between the prediction and the experiment. In this thesis I present two novel solutions aimed at dramatically reducing the time and effort required for this build-simulate-test cycle. The first solution I propose is in prioritizing and planning large-scale gene perturbation experiments that can be used for validating existing models. I then focus on taking advantage of the recent advances in experimental techniques that enable us to measure gene activity at a single-cell resolution, known as scRNA-seq. This scRNA-seq data can be used to infer the interactions in gene regulatory networks. I perform a systematic evaluation of existing computational methods for building gene regulatory networks from scRNA-seq data. Based on the insights gained from this comprehensive evaluation, I propose novel algorithms that can take advantage of prior knowledge in building these regulatory networks. The results underscore the promise of my approach in identifying cell-type specific interactions. These context-specific interactions play a key role in building mathematical models to study complex cellular processes such as a developmental process that drives transitions from one cell type to another

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[pt] Esta dissertação teve como objetivo desenvolver um modelo através da técnica de planejamento de experimentos aplicado ao processo de laminação a frio para fabricação de aços especiais utilizados no segmento de mercado de bebidas carbonatadas. O processo consiste na transformação através da redução da espessura de uma bobina de aço laminada a quente e depois decapada para remoção do óxido, em uma bobina com espessura final desejada pelo cliente. Este processo envolve variáveis controláveis e não controláveis, que interagem umas com as outras afetando a variável resposta que é a espessura final do produto. As questões fundamentais são entender como as variáveis controláveis afetam a variável resposta? Quais são as mais influentes? Existem interações entre estas variáveis? É possível elaborar um modelo adequado para o problema? A técnica do planejamento fatorial fracionado não só torna possível encontrar tais respostas para as questões levantadas, mas também, abre novas perspectivas de aplicação desta poderosa ferramenta nos processos de produção, onde é bastante comum encontrar situações semelhantes ao estudo proposto por este trabalho. A realização deste projeto compreendeu, uma descrição do problema, uma revisão bibliográfica com as etapas necessárias para execução de um planejamento de experimentos, escolha das variáveis controláveis que integraram o experimento, a execução do experimento, a análise dos resultados, uma abordagem dos Modelos Lineares Generalizados e validação do modelo através de ajuste dos parâmetros do processo conforme indicado através da análise dos resultados. A aplicação desta metodologia e a implementação das alterações propostas proporcionaram robustez ao processo de forma que mesmo quando ocorrem as perturbações das variáveis não controláveis, ainda assim a espessura permanece dentro das tolerâncias especificadas. Proporcionou ainda uma redução na variação de ± 1.5% para ± 1.0% , quando era de se esperar a necessidade de investimentos em tecnologia o que tornaria o produto mais caro e menos competitivo frente aos sucedâneos. Os resultados alcançados possibilitam a defesa de mercado através de uma maior competitividade obtida pelo menor custo dos produtos em aço. / [en] This dissertation aims to develop a model by using experiment planning techniques applied to cold-rolling process to manufacture special steels utilized in the carbonated beverage market segment. The process consists of downgauging hot-rolled coil, which is further pickled for oxide removal, into a coil with the final thickness required by customer. It involves controlled and uncontrolled variables, which interact with one another, thus affecting the response variable, i..e, product´s final thickness. Some of the fundamental questions to be asked include: How do controlled variables affect response variable? What are the most influential ones? Are there interactions among such variables? Is it possible to work out an appropriate model to address this problem? The fragmented factor planning technique provides answers to the questions raised, by breaking new grounds in terms of using this powerful tool in manufacturing processes , where situations similar to those suggested by this study are fairly common. It includes a description of the problem, a bibliography review with the required steps to conduct the experiment planning, choice of controlled variables which make up the experiment as well as its execution, result analysis, an approach to Generalized Linear Models, and validation of model by adjusting process analysis as shown in the result analysis. Applying this methodology and implementing the proposed changes bolstered the process in such a way that even when disturbances of uncontrolled variables occur the thickness remains within the specified tolerances. Additionally, a further reduction in variation ranging from ± 1.5% to ± 1.0% was achieved, where technology investment would be required, thereby making steel products more expensive and less competitive against other competing products, thus ensuring competitiveness.

Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2016-12-21T18:18:35Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-12-21T18:18:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Carregamentos transientes termo hidráulicos do tipo Steam Hammer são eventos comuns em sistemas de tubulações de vapor com grandes potenciais de catástrofes em plantas de geração de energia. Uma vez iniciado o evento, ondas de pressões são geradas com amplitudes, geralmente, de grande magnitude ocasionando altas pressões no sistema, ruídos, deformações, fadiga, com possibilidade de danos materiais e econômicos e em casos extremos fatalidades. Os procedimentos da indústria para análise deste tipo de sistema consistem realização de análises estáticas equivalentes ou análise de espectro de resposta com carregamentos caracterizados por meio de métodos analíticos baseados em hipóteses simplificadoras do fluido e fluxo. Neste trabalho é proposta a analise de sistema de tubulações por meio do método de integração numérica com superposição modal e carregamento caracterizado por método numérico com base no método das características. Comparações foram efetuadas entre os resultados obtidos pela metodologia proposta e os procedimentos da indústria, demonstrando que, dado ao alto grau de conservadorismo, os procedimentos da indústria acarretam em superdimensionamento de estruturas e tubulações ocasionando custos adicionais de projeto, sendo a otimização do projeto obtida aplicando-se a metodologia proposta no trabalho. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP