[pt] Em clusterização baseada em modelos, o objetivo é separar amostras de dados em grupos significativos, otimizando a aderência dos dados observados a um modelo matemático. A recente adoção de clusterização baseada em modelos tem permitido a profissionais e usuários mapearem padrões complexos nos dados e explorarem uma ampla variedade de aplicações. Esta tese investiga abordagens orientadas a modelos para detecção de comunidades e para o estudo de clusterização semissupervisionada, adotando uma perspectiva baseada em máxima verossimilhança. Focamos primeiramente na exploração de técnicas de otimização com restrições para apresentar um novo modelo de detecção de comunidades por meio de modelos de blocos estocásticos (SBMs). Mostramos que a formulação com restrições revela comunidades estruturalmente diferentes daquelas obtidas com modelos clássicos. Em seguida, estudamos um cenário onde anotações imprecisas são fornecidas na forma de relações must-link e cannot-link, e propomos um modelo de clusterização semissupervisionado. Nossa análise experimental mostra que a incorporação de supervisão parcial e de conhecimento prévio melhoram significativamente os agrupamentos. Por fim, examinamos o problema de clusterização semissupervisionada na presença de rótulos de classe não confiáveis. Investigamos o caso em que grupos de anotadores deliberadamente classificam incorretamente as amostras de dados e propomos um modelo para lidar com tais anotações incorretas. / [en] In model-based clustering, we aim to separate data samples into meaningful groups by optimizing the fit of some observed data to a mathematical model. The recent adoption of model-based clustering has allowed practitioners to model complex patterns in data and explore a wide range of applications. This thesis investigates model-driven approaches for community detection and semisupervised clustering by adopting a maximum-likelihood perspective. We first focus on exploiting constrained optimization techniques to present a new model for community detection with stochastic block models (SBMs). We show that the proposed constrained formulation reveals communities structurally different from those obtained with classical community detection models. We then study a setting where inaccurate annotations are provided as must-link and cannot-link relations, and propose a novel semi-supervised clustering model. Our experimental analysis shows that incorporating partial supervision and appropriately encoding prior user knowledge significantly enhance clustering performance. Finally, we examine the problem of semi-supervised clustering in the presence of unreliable class labels. We focus on the case where groups of untrustworthy annotators deliberately misclassify data samples and propose a model to handle such incorrect statements.

[pt] Esta dissertação investiga a aplicação dos métodos de Reinforcement Learning na descoberta de rotas ótimas em uma rede de comunicação. Uma rede de comunicação real possui um comportamento dinâmico, mudando seu estado com o tempo. Os algoritmos de roteamento devem, portanto, oferecer rapidez na resposta às mudanças do estado da rede. O objetivo do trabalho é avaliar a aplicação de técnicas de Reinforcement Learning (RL) como base de algoritmos adaptativos de roteamento de pacotes. O problema de roteamento de pacotes sob a visão de RL consiste na definição de cada nó na rede como um agente RL, sendo que este agente deve definir ações de forma a minimizar uma função objetivo que pode ser o tempo de roteamento dos pacotes. Um dos objetivos do RL é precisamente aprender a tomar as ações que minimizem uma função. O trabalho consistiu de 4 etapas principais: um estudo sobre a área de Reinforcement Learning (RL); um estudo sobre a área de redes de comunicação e roteamento de pacotes; a modelagem do problema de roteamento como um sistema RL e implementação de diferentes métodos de RL para obter algoritmos de roteamento; e o estudo de casos. O estudo na área de Reinforcement Learning abrangeu desde as definições mais fundamentais: suas características, os elementos de um sistema RL e modelagem do ambiente como um Processo de Decisão de Markov, até os métodos básicos de solução: Programação Dinâmica, método de Monte Carlo, e o método de Diferenças Temporais. Neste último método, foram considerados dois algoritmos específicos: TD e Q-Learning. Em seguida, foi avaliado o parâmetro Eligibility Traces como uma alternativa para apressar o processo de aprendizado, obtendo o TD(lambda) e o Q(lambda) respectivamente. O estudo sobre Redes de Comunicação e Roteamento de pacotes envolveu os conceitos básicos de redes de comunicações, comutação por pacotes, a questão do roteamento de pacotes e os algoritmos existentes adaptativos e não adaptativos, que são utilizados na atualidade. Nas redes de comunicação, definidas como um conjunto de nós ligados através de enlaces de comunicação, para se enviar uma mensagem de um nó a outro, geralmente, a mensagem é quebrada em pedaços, chamados pacotes, e enviados através de outros nós, até chegar ao destino. Deste modo surge o problema de escolher os nós que levem o pacote o mais rápido possível até o nó destino. Os algoritmos analisados foram: Shortest Path Routing que procura os caminhos com menor número de nós intermediários, não sendo sensível às mudanças na carga nem na topologia da rede; Weighted Shortest Path Routing, que oferece um melhor desempenho a partir de uma visão global do estado da rede, que nem sempre é fácil de obter em redes reais e o algoritmo de Bellman-Ford, baseado em decisões de roteamento locais e atualizações periódicas, com algumas limitações para obter políticas em altas cargas. Este último é um dos algoritmos mais utilizados na atualidade, sendo base de muitos protocolos de roteamento existentes. A modelagem do problema de roteamento como um sistema RL foi inspirada por uma característica na definição de um sistema RL: um agente que interage com o ambiente e aprende a atingir um objetivo. Assim, a modelagem dos algoritmos tem como objetivo aprender a descobrir as rotas que minimizem o tempo de roteamento de pacotes desde uma origem até um dado destino. A avaliação de uma rota escolhida não pode ser obtida antes que o pacote alcance o seu destino final. Este fato faz com que os processos de aprendizado supervisionado tenham dificuldade de se aplicar a esse problema. Por outro lado, o Reinforcement Learning não necessita de um par entrada-resposta para fazer o aprendizado, permitindo-lhe abordar o problema com relativa facilidade. Na modelagem efetuada, cada nó na rede se comporta como um agente de RL que age na própria rede, a qual é o ambiente. A informação das rotas é armazenada nas funções de valor existentes em todos os nós da rede para / [en] This dissertation investigates the application of Reinforcement Learning methods to the discovery of optimal routes in communication networks. Any current communication network displays dynamic behavior, changing its states over time. Therefore, the routing algorithms must react swiftly to changes in the network status. The objective of this work is to evaluate the application of some Reinforcement Learning techniques to define adaptive packet routing algorithms. The packet routing problem under the RL vision consists in the definition of each node on network as an RL agent. Thus, each agent must take actions in order to minimize an objective function such as end to end packet routing delay. One main objective of the RL is precisely learning to take the actions that minimize a given function. This thesis is consists of 4 main parts: first, a study of Reinforcement Learning (RL); a study of the communication networks and packet routing; the routing problem model as a RL system and the implementation of several RL methods in order to obtain some routing algorithms; e finally, the case study. The study of Reinforcement Learning extends from the more basic definitions, Reinforcement Learning features, elements of a RL system and environment modeling as a Markovian Decision Process, to the basic methods of solution: Dynamic Programming, Monte Carlo methods and Temporal Differences methods. In this last case, two specific algorithms have been considered: TD and Q-Learning, and, finally, the Eligibility Traces are evaluated as a useful tool that permits us to accelerate the learning process leading to the TD(lambda) and the Q(lambda) routing algorithms. The study on communication networks and packet routing involves the foundations of communication networks, packet switching, the packet routing problem, and adaptive and non- adaptive routing algorithms used at the present time. Communication networks are defined as a set of nodes connected through communication links. In order to send a message from a source node to a destination node usually the message is broken into segments called packets, and these are sent through other nodes until arriving at the destination. In this way the problem appears to choose the path which takes the shortest possible time for the packet to reach the destination node. The following algorithms have been analyzed: Shortest Path Routing that looks for paths with minimal hop number, not being sensible to the changes of load level and network topology; Weighted Shortest Path Routing that offers better performance from a global vision of the state of the network, which is not always easy to get in real networks; on the other hand, the Bellman- Ford routing algorithm was studied, this is based on local routing decisions and periodic updates, with some limitations to obtain policies in high load conditions. Bellman-Ford is one of the algorithms most used at the present time, being the basis for many existing routing protocols. The modeling of the routing problem as a RL system was inspired by one of the main features of the definition of an RL system: an agent who interacts with the environment and learns to reach an objective; therefore, the modeling of the routing algorithms has as its objective to learn to discover the paths that minimize packet routing time from an origin to an destination. The evaluation of a chosen route cannot be completed before the package reaches its final destination. This fact implies that supervised learning cannot be applied to the routing problem. On the other hand, Reinforcement Learning does not need a input-output pair for the learning process, allowing it to approach the problem with relative ease. In the modeling, each network node is viewed as a RL agent that acts in the same network; the network is the environment. The routing information is stored in the existing value functions in all nodes in the network, for each node and all another destination node / [es] Esta disertación investiga la aplicación de los métodos de Reinforcement Learning en la determinación de rutas óptimas en una red de comunicación. Una red de comunicación real posee un comportamiento dinámico, donde su estado varia en el tiempo. Los algoritmos de ruta óptima deben, por lo tanto, ofrecer rapidez en la respuesta a las variaciones del estado de la red. El objetivo de este trabajo es evaluar la aplicación de técnicas de Reinforcement Learning (RL) como base de algoritmos adaptativos de problemas de ruteamiento en redes. Este problema consiste en la definición de cada nodo de la red como un agente RL. Este agente debe definir acciones de modo a minimizar una función objetivo que puede ser el tiempo de ruteamiento. El trabajo consta de 4 etapas principais: un estudio sobre el área de Reinforcement Learning (RL); un estudio sobre redes de comunicación y problema de ruteamiento; el modelo de ruta óptima como un sistema RL y la implementación de diferentes métodos de RL para obtener algoritmos de ruta óptima; y un estudio de casos. El estudio en el área de Reinforcement Learning va desde las definiciones fundamentales: características, elementos de un sistema RL y modelaje del ambiente como un Proceso de Decisión de Markov, hasta los métodos básicos de solución: Programación Dinámica, método de Monte Carlo, y método de Diferencias Temporales. En este último método, fueron considerados dos algoritmos específicos: TD e Q-Learning. A seguir, fue evaluado el parámetro Eligibility Traces como una alternativa para agilizar el proceso de aprendizaje, obteniendo el TD(lambda) y el Q(lambda) respectivamente. El estudio sobre Redes de Comunicación y Problema de Transporte incluye los conceptos básicos de redes de comunicaciones, la cuestión de la ruta óptima y los algoritmos adaptativos y no adaptativos existentes, que se utilizan actualmente. Los algoritmos analizados fueron: Shortest Path Routing, que busca los caminos con menor número de nodos intermedios, no siendo sensible a variaciones en la carga ni en la topología de la red; Weighted Shortest Path Routing, que ofrece un mejor desempeño a partir de una visión global del estado de la red, que no siempre es fácil de obtener en redes reales; y el algoritmo de Bellman-Ford, que tiene como base decisiones de rutas locales y actualizaciones periódicas, con algunas limitaciones para obtener políticas en altas cargas. Este último es uno de los algoritmos más utilizados en la actualidad, siendo base de muchos protocolos de trazado de ruta existentes. La solución para modelar el problema de ruteamiento como un sistema RL fue inspirada por una característica en la definición de un sistema RL: un agente que interactúa con el ambiente y aprende a alcanzar un objetivo. Así, el modelo tiene como objetivo aprender a determinar las rutas que minimizen el timpo desde el origen hasta un destino dado. La evaluación de uma ruta seleccionada no puede ser obtenida antes que el paquete alcance su destino final. Esto hace que los procesos de aprendizaje supervisionado tengan dificultades para ser aplicados a este problema. Por otro lado, Reinforcement Learning no necesita de un par entrada-salida para el aprendizaje, permitiendo así, abordar el problema con relativa facilidad. En el modelo establecido, cada nodo en la red se comporta como un agente de RL que actúa en la propria red. La información de las rutas se almacena en las funciones de valor existentes en todos los nodos de la red para cada nodo destino diferente. Esta información contiene un valor estimado del tiempo requerido para un paquete para llegar hasta el nodo destino. La actualización de esos valores se realiza durante la transición del paquete hasta el vecino seleccionado. En este trabajo se implementaron varios algoritmos de ruta óptima. Cada uno de los algoritmos aplica características de las técnicas en Reinforcement Learning: o Q(lambda)-Routing, y el TD-Routing. En el estudio d

[pt] A otimização combinatória (OC) está presente em inúmeras aplicações práticas (por exemplo, planejamento de produção, logística, etc.). Ao longo dos anos, OC e aprendizado de máquina (AM) surgiram, juntas, como uma área prospectiva de pesquisa para melhorar processos de tomada de decisão. Nesse contexto, há interesse em utilizar algoritmos de AM para melhorar métodos de OC. Por outro lado, como muitas tarefas de AM podem ser reformuladas como problemas de otimização, há um amplo interesse em utilizar métodos de OC para resolver esses problemas. Nesta tese, três estudos que conectam OC e AM em torno de duas aplicações importantes são conduzidos: o problema de roteamento de veículos capacitado (PRVC) e máquinas de vetores de suporte com perda em margem rígida (SVM-HML – do inglês support vector machines with hard-margin loss). No primeiro estudo, uma estratégia para explorar vizinhanças de busca local de alta ordem por mineração de padrões em duas meta-heurísticas estado da arte para o PRVC é proposta. Em um segundo estudo, também no contexto do PRVC, critérios de relacionamento para nós de clientes baseados em saídas de redes neurais em grafos são explorados. Com base nessas saídas, medidas de relação podem ser exploradas para orientar a busca local e estender operadores de cruzamento em um algoritmo genético estado da arte. Por fim, no terceiro estudo, uma abordagem eficiente de programação inteira mista baseada em cortes combinatórios de Benders e estratégias de amostragem são utilizadas para treinar modelos de SVM-HML de maneira mais eficiente. / [en] Combinatorial optimization (CO) is ubiquitous in myriad practical applications (e.g., production planning, scheduling, logistics, etc.). Over the years, CO and machine learning (ML) have emerged, together, as a prospective area of research for improving decision-making processes. There is interest to harness ML algorithms to improve existing CO methods. Conversely, since many ML tasks can be reformulated as optimization problems, there is broad interest in leveraging state-of-the-art CO methods for them. In this thesis, we conduct three studies that connect CO and ML around two important applications: the capacitated vehicle routing problem (CVRP) and support vector machines with hard-margin loss (SVM-HML). Our first study proposes a strategy to explore high-order local-search neighborhoods by pattern mining into two state-of-the-art metaheuristics for the CVRP. In a second study, also in the context of the CVRP, we exploit relatedness criteria for customer nodes using predictions from graph neural networks. We show that relatedness measures can be exploited to steer local search and extend crossover operators in a stateof- the-art genetic algorithm. Lastly, in a third study, we propose an efficient mixed-integer programming approach based on Combinatorial Benders cuts and sampling strategies for optimally training the SVM-HML.

[pt] A eletrocoagulação é um método emergente de tratamento de efluentes que combina os benefícios da coagulação, flotação e eletroquímica. Devido à complexidade inerente às operações de uma estação de tratamento de efluentes, é um desafio reagir com rapidez e precisão às condições dinâmicas necessárias para manter a qualidade do efluente. Portanto, esta tese tem como objetivo identificar a condição operacional de uma estação de tratamento de efluentes que adotou a eletrocoagulação para o tratamento de efluentes de panificação. Três condições operacionais baseadas em clarificação do efluente e lodo da reação foram as variáveis-alvo. A tese está dividida em dois ensaios. O primeiro usou sete métodos de seleção de atributos para selecionar as variáveis mais importantes em um determinado conjunto de dados. O desempenho dos modelos de classificação de redes neurais treinados no conjunto de atributos original foi comparado ao desempenho daqueles que foram treinados em um subconjunto curado usando técnicas de seleção de atributos. O modelo que utilizou a seleção de atributos apresentou o melhor desempenho (F1-score = 0,92) e uma melhoria de mais de 30 por cento na prevenção de falsos positivos. A segunda contribuição trouxe um modelo que poderia detectar o comportamento anômalo do processo usando apenas imagens coloridas da superfície do efluente obtidas através de dois módulos de câmera de tamanho pequeno. O desempenho de vários métodos, incluindo MLP, LSTM, SVM e XGBoost foi avaliado. O modelo LSTM superou os outros em termos de Precisão (84,620 por cento), Recall (84,531 por cento) e F1-score (84,499 por cento), mas o modelo XGBoost vem em segundo lugar com Precisão (83,922 por cento), Recall (82,272 por cento) e F1-score (83,005 por cento). / [en] Electrocoagulation is an emerging wastewater treatment method that combines the benefits of coagulation, flotation, and electrochemistry. As a result of the inherent complexity of processes associated with wastewater treatment plants, it is difficult to respond swiftly and correctly to the dynamic circumstances that are necessary to ensure effluent quality. Therefore, this thesis aims to identify the operational condition of a wastewater treatment plant that has adopted electrocoagulation for treating bakery wastewater. Three operational conditions based on effluent clarification and reaction sludge were the target variables. The thesis is divided into two essays. The first endeavor used seven feature selection methods to select the most important features in a given dataset. The performance of neural network classification models trained on the original feature set was compared to the performance of those that were trained on a subset of features that had been curated using feature selection techniques. The model that utilised feature selection was found to have the best performance (F1-score = 0.92) and an improvement of more than 30 percent in preventing false positives. The second contribution brought a model that could detect anomalous process behavior using only wastewater surface color images from two small-size camera modules. The performance of various methods, including MLP, LSTM, SVM, and XGBoost was assessed. The LSTM model outperformed the others in terms of macro average Precision (84.620 percent), Recall (84.531 percent), and F1-score (84.499 percent), but the XGBoost model comes closely in second with Precision (83.922 percent), Recall (82.272 percent), and F1-score (83.005 percent).

[pt] A dificuldade de se prever movimento de ativos financeiros é objeto de estudo de diversos autores. A fim de se obter ganhos, se faz necessário estimar a direção (subida ou descida) e a magnitude do retorno do ativo no qual pretende-se comprar ou vender. A proposta desse trabalho consiste em desenvolver um modelo de otimização matemática com variáveis binárias capaz de prever movimentos de subidas e descidas de ativos financeiros e utilizar um modelo de otimização de portfólio para avaliar os resultados obtidos. O modelo de previsão será baseado no Support Vector Machine (SVM), no qual faremos modificações na regularização do modelo tradicional. Para o gerenciamento de portfólio será utilizada otimização robusta. As técnicas de otimização estão sendo cada vez mais aplicadas no gerenciamento de portfólio, pois são capazes de lidar com os problemas das incertezas introduzidas na estimativa dos parâmetros. Vale ressaltar que o modelo desenvolvido é data-driven, i.e, as previsões são feitas utilizando sinais não-lineares baseados em dados de retorno/preço histórico passado sem ter nenhum tipo de intervenção humana. Como os preços dependem de muitos fatores é de se esperar que um conjunto de parâmetros só consiga descrever a dinâmica dos preços dos ativos financeiros por um pequeno intervalo de dias. Para capturar de forma mais precisa essa mudança na dinâmica, a estimação dos parâmetros dos modelos é feita em janela móvel. Para testar a acurácia dos modelos e os ganhos obtidos foi feito um estudo de caso utilizando 6 ativos financeiros das classes de moedas, renda fixa, renda variável e commodities. Os dados abrangem o período de 01/01/2004 até 30/05/2018 totalizando um total de 3623 cotações diárias. Considerando os custos de transações e os resultados out-of-sample obtidos no período analisado percebe-se que a carteira de investimentos desenvolvida neste trabalho exibe resultados superiores aos dos índices tradicionais com risco limitado. / [en] The difficulty of predicting the movement of financial assets is the subject of study by several authors. In order to obtain gains, it is necessary to estimate the direction (rise or fall) and the magnitude of the return on the asset in which it is intended to be bought or sold. The purpose of this work is to develop a mathematical optimization model with binary variables capable of predicting up and down movements of financial assets and using a portfolio optimization model to evaluate the results obtained. The prediction model will be based on the textit Support Vector Machine (SVM), in which we will make modifications in the regularization of the traditional model. For the portfolio management will be used robust optimization. The robust optimization techniques are being increasingly applied in portfolio management, since they are able to deal with the problems of the uncertainties introduced in the estimation of the parameters. It is noteworthy that the developed model is data-driven, i.e., the predictions are made using nonlinear signals based on past historical price / return data without any human intervention. As prices depend on many factors it is to be expected that a set of parameters can only describe the dynamics of the prices of financial assets for a small interval of days. In order to more accurately capture this change in dynamics, the estimation of model parameters is done in a moving window To test the accuracy of the models and the gains obtained, a case study was made using 6 financial assets of the currencies, fixed income, variable income and commodities classes. The data cover the period from 01/01/2004 until 05/30/2018 totaling a total of 3623 daily quotations. Considering the transaction costs and out-of-sample results obtained in the analyzed period, it can be seen that the investment portfolio developed in this work shows higher results than the traditional indexes with limited risk.

[pt] À medida que os modelos de aprendizado de máquina penetram áreas críticas como medicina, sistema de justiça criminal e mercados financeiros, sua opacidade, que impede que as pessoas interpretem a maioria deles, se tornou um problema a ser resolvido. Neste trabalho, apresentamos uma nova taxonomia para classificar qualquer método, abordagem ou estratégia para lidar com o problema da interpretabilidade de modelos de aprendizado de máquina. A taxonomia proposta que preenche uma lacuna existente nas estruturas de taxonomia atuais em relação à percepção subjetiva de diferentes intérpretes sobre um mesmo modelo. Para avaliar a taxonomia proposta, classificamos as contribuições de artigos científicos relevantes da área. / [en] As machine learning models penetrate critical areas like medicine, the criminal justice system, and financial markets, their opacity, which hampers humans ability to interpret most of them, has become a problem to be solved. In this work, we present a new taxonomy to classify any method, approach or strategy to deal with the problem of interpretability of machine learning models. The proposed taxonomy fills a gap in the current taxonomy frameworks regarding the subjective perception of different interpreters about the same model. To evaluate the proposed taxonomy, we have classified the contributions of some relevant scientific articles in the area.

[pt] No contexto de comércio eletrônico, descrições de produtos exercem grande influência na experiência de compra. Descrições bem feitas devem idealmente informar um potencial consumidor sobre detalhes relevantes do produto, esclarecendo potenciais dúvidas e facilitando a compra. Gerar boas descrições, entretanto, é uma atividade custosa, que tradicionalmente exige esforço humano. Ao mesmo tempo, existe uma grande quantidade de produtos sendo lançados a cada dia. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma nova metodologia para a geração automatizada de descrições de produtos, usando as avaliações deixadas por usuários como fonte de informações. O método proposto é composto por três etapas: (i) a extração de sentenças adequadas para uma descrição a partir das avaliações (ii) a seleção de sentenças dentre as candidatas (iii) a geração da descrição de produto a partir das sentenças selecionadas usando um Large Language Model (LLM) de forma zero-shot. Avaliamos a qualidade das descrições geradas pelo nosso método comparando-as com descrições de produto reais postadas pelos próprios anunciantes. Nessa avaliação, contamos com a colaboração de 30 avaliadores, e verificamos que nossas descrições são preferidas mais vezes do que as descrições originais, sendo consideradas mais informativas, legíveis e relevantes. Além disso, nessa mesma avaliação replicamos um método da literatura recente e executamos um teste estatístico comparando seus resultados com o nosso método, e dessa comparação verificamos que nosso método gera descrições mais informativas e preferidas no geral. / [en] In the context of e-commerce, product descriptions have a great influence on the shopping experience. Well-made descriptions should ideally inform a potential consumer about relevant product details, clarifying potential doubt sand facilitating the purchase. Generating good descriptions, however, is a costly activity, which traditionally requires human effort. At the same time, there are a large number of products being launched every day. In this context, this work presents a new methodology for the automated generation of product descriptions, using reviews left by users as a source of information. The proposed method consists of three steps: (i) the extraction of suitable sentences for a description from the reviews (ii) the selection of sentences among the candidates (iii) the generation of the product description from the selected sentences using a Large Language Model (LLM) in a zero-shot way. We evaluate the quality of descriptions generated by our method by comparing them to real product descriptions posted by sellers themselves. In this evaluation, we had the collaboration of 30 evaluators, and we verified that our descriptions are preferred more often than the original descriptions, being considered more informative, readable and relevant. Furthermore, in this same evaluation we replicated a method from recent literature and performed a statistical test comparing its results with our method, and from this comparison we verified that our method generates more informative and preferred descriptions overall.

[pt] Devido ao efeito acoustoelástico, as Ondas guiadas ultrassônicas (UGWs) têm sido usadas para estimar a tensão mecânica com baixo custo de forma não destrutiva. O Aprendizado de maquina (ML) tem sido aplicado para mapear formas complexas de ondas para estimar a tensão mecânica, embora aspectos importantes como precisão e consumo computacional não tenham sido explorados. Na literatura também não há muito trabalho sobre o uso do aprendizado não supervisionado para a rotulagem automática de amostras com diferentes estados de tensão. Portanto, esta tese apresenta duas abordagens: i) a abordagem supervisionada propõe uma metodologia de modelagem de dados que otimiza a precisão e a implementação computacional, para a estimação da tensão baseada em UGWs em tempo real e ii) a abordagem não supervisionada compara estruturas não supervisionadas para rotular um pequeno conjunto de dados de acordo com o estado de tensão. Para o primeiro, foram avaliados modelos de aprendizagem superficial e profunda com redução de dimensionalidade, estes modelos são criados e testados usando um procedimento de hold-out Monte-Carlo para avaliar sua robustez. Os resultados mostram que, utilizando modelos superficiais e Análise de componentes principais (PCA), foi obtida uma melhoria de precisão e no consumo de hardware em comparação com o estado da arte com modelos de redes neurais profundas. Para o segundo, métodos de redução de dimensionalidade: PCA e t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE), são usados para extrair características de sinais UGWs. As características são usadas para agrupar as amostras em estados de baixa, média e alta tensão. Uma análise qualitativa e quantitativa dos resultados foi realizada, considerando a análise de métricas para agrupamento, o PCA realizou o melhor agrupamento, qualitativamente, mostrando menos sobreposição en grupos do que t-SNE. As duas abordagens utilizadas nesta tese, conseguiram extrair características significativas que ajudam tanto na estimativa quanto tanto na rotulagem de dados, contribuindo para a criação de modelos de ML mais eficientes e no problema de interpretação de UGWs. / [en] Due to the acoustoelastic effect, Ultrasonic Guided Waves (UGWs) have been used to estimate mechanical stress in a non-expensive and nondestructively fashion. Machine Learning (ML) has been applied to map complex waveforms to stress estimates, though important aspects, such as accuracy and hardware consumption, have not been explored. Previously in the literature, there are also not many works on the use of unsupervised learning for automatic labeling of samples with different stress states. Therefore, this thesis presents two approaches, (i) the supervised approach aims to propose a data modeling methodology that optimizes accuracy and computational implementation, for real-time ultrasonic based stress estimation and (ii) the unsupervised approach aims at comparing unsupervised frameworks to label a small dataset according to the stress state. For the former, shallow and deep learning models with dimensionality reduction were evaluated, these models are created and tested using a Monte-Carlo holdout procedure to evaluate their robustness under different stress conditions. The results show that, using shallow models and Principal Component Analysis (PCA), an accuracy improvement and hardware consumption as compared to the state of the art reported with deep neural network models were obtained. For the latter, dimensionality reduction methods: PCA and t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE), are used to extract features from UGWs signals with different stress levels. The features are used to group the samples into low, medium and high stress states. A qualitative and quantitative analysis of the results was performed. Considering the analysis of metrics for clustering, PCA performed the best clustering, qualitatively, showing less overlapping of clusters than t-SNE. The two approaches used in this thesis, managed to extract meaningful features which helped in both estimation and stress labeling, contributing to the creation of more efficient ML models and in the problem of interpreting UGWs.

[pt] Este trabalho apresenta um projeto mecânico de um robô lagartixa pneumática, capaz de se locomover em superfícies inclinadas em relação ao solo, através apenas de atuadores lineares que utilizam o ar comprimido como fonte de energia. Como parte fundamental do projeto mecânico neste trabalho, um sistema de garra é desenvolvido gerando vácuo mecanicamente, para haver uma economia de consumo energético no robô em comparação com os acessórios comerciais geralmente utilizados para esta tarefa de fixação. Com o protótipo de conceito fabricado e montado, o mesmo é submetido a uma bateria de testes com o intuito de posteriormente aplicar os dados obtidos em uma rede neural artificial, visando o aprendizado computacional dos movimentos do robô e, assim, sua otimização de velocidade em determinada sequência de movimentação. Após o treinamento desta rede neural, o protótipo é submetido a novos experimentos para verificar a eficiência do treinamento realizado e qual o impacto real obtido no robô. Finalmente, com a utilização de um sistema de câmeras, os deslocamentos do robô em diversas situações distintas são rastreados, visando gerar gráficos comparativos e analisar a repetibilidade e confiabilidade do sistema. / [en] This work presents the mechanical design of a pneumatic gecko robot, capable of moving on inclined surfaces with respect to the ground, using only linear actuators with compressed air as a source of energy. As a fundamental part of the mechanical design in this work, a claw system is developed by generating vacuum mechanically, significantly reducing the energy consumption of the robot when compared to commercial accessories generally used for this clamping task. With the concept prototype manufactured and assembled, a series of tests are conducted to later apply the collected data in an artificial neural network. This network allows the computational learning of the robot movements, and thus its speed optimization for a certain defined gait. After training this neural network, the prototype is submitted to new experiments to verify the efficiency of the training performed and the real impact obtained on the robot. Furthermore, with the use of a camera system, the movements of the robot along several different situations are tracked, generating comparative graphs to analyze the repeatability and reliability of the system.

[pt] A perda de percurso (PL) é um parâmetro essencial em modelos de propagação e crucial na determinação da área de cobertura de sistemas móveis. Osmétodos de aprendizado de máquina (ML) tornaram-se ferramentas promissoras para a previsão de propagação de rádio. No entanto, ainda existem algunsdesafios para sua implantação completa, relacionados à seleção das entradasmais significativas do modelo, à compreensão de suas contribuições para asprevisões do modelo e à avaliação adicional da capacidade de generalizaçãopara amostras desconhecidas. Esta tese tem como objetivo projetar modelosde PL baseados em ML otimizados para diferentes aplicações das tecnologias5G e além. Essas aplicações abrangem links de ondas milimétricas (mmWave)para ambientes indoor e outdoor na faixa de frequência de 26,5 a 40 GHz,cobertura de macrocélulas no espectro sub-6 GHz e comunicações veicularesusando campanhas de medições desenvolvidas em CETUC, Rio de Janeiro,Brazil. Vários algoritmos de ML são explorados, como redes neurais artificiais(ANN), regressão de vetor de suporte (SVR), floresta aleatória (RF) e aumentode árvore de gradiente (GTB). Além disso, estendemos dois modelos empíricospara mmWave com previsão de PL melhorada. Propomos uma metodologiapara seleção robusta de modelos de ML e uma metodologia para selecionar ospreditores mais adequados para as máquinas consideradas com base na melhoria de desempenho e na interpretabilidade do modelo. Além disso, para o canalveículo-veículo (V2V), uma técnica de rede neural convolucional (CNN) também é proposta usando uma abordagem de aprendizado por transferência paralidar com conjuntos de dados pequenos. Os testes de generalização propostosmostram a capacidade dos modelos de ML de aprender o padrão entre as entradas do modelo e a PL, mesmo em ambientes e cenários mais desafiadoresde amostras desconhecidas. / [en] Path loss (PL) is an essential parameter in propagation models and critical in determining mobile systems coverage area. Machine learning (ML) methods have become promising tools for radio propagation prediction. However, there are still some challenges for its full deployment, concerning to selection of the most significant model s inputs, understanding their contributions to the model s predictions, and a further evaluation of the generalization capacity for unknown samples. This thesis aims to design optimized ML-based PL models for different applications for the 5G and beyond technologies. These applications encompass millimeter wave (mmWave) links for indoor and outdoor environments in the frequency band from 26.5 to 40 GHz, macrocell coverage in the sub-6 GHz spectrum, and vehicular communications using measurements campaign carried out by the Laboratory of Radio-propagation, CETUC, in Rio de Janeiro, Brazil. Several ML algorithms are exploited, such as artificial neural network (ANN), support vector regression (SVR), random forest (RF), and gradient tree boosting (GTB). Furthermore, we have extended two empirical models for mmWave with improved PL prediction. We proposes a methodology for robust ML model selection and a methodology to select the most suitable predictors for the machines considered based on performance improvement and the model s interpretability. In adittion, for the vehicle-to-vehicle (V2V) channel, a convolutional neural network (CNN) technique is also proposed using a transfer learning approach to deal with small datasets. The generalization tests proposed shows the ability of the ML models to learn the pattern between the model’s inputs and PL, even in more challenging environments and scenarios of unknown samples.