[pt] Esta dissertação estuda formulações, algoritmos e métodos exatos para resolver instâncias do Problema de Alocação Generalizada (PAG) com uma separação de desigualdades (3, 0.5)-SRC que viabilize a enumeração de colunas. Este trabalho é motivado pela perspectiva de alcançar o estado-da-arte com resultados competitivos comparáveis às melhores soluções encontradas na literatura por Avella (2010) e Michelon (2012). A pesquisa abrange métodos exatos e heurísticas, com ênfase no estudo que aborda a decomposição de Dantzig-Wolfe, o algoritmo de geração de colunas, a estabilização de colunas por meio da ponderação de duais proposto por Wentges (1997) e a enumeração de colunas habilitada pela minimização do gap decorrente do algoritmo de price-and-cut. O algoritmo de price-and-cut desenvolvido recorre à geração de colunas (pricing) aliada à separação de (3, 0.5)-SRCs para aumentar o lower bound gerado, assim minimizando o gap. A geração de colunas implementada é inspirada no algoritmo de Savelsbergh (1997); e a separação de (3, 0.5)-SRCs é motivada pelo trabalho de Jepsen (2008) e pelo algoritmo branch-cut-andprice proposto por Poggi e Uchoa (2016) para o CVRP. De acordo com os experimentos computacionais, as desigualdades adotadas são capazes de reduzir o gap suficientemente para viabilizar a enumeração de colunas em diversas instâncias do PAG com até 200 tarefas e 20 máquinas. O método utilizado obteve resultados compatíveis às melhores soluções conhecidas, enumerando todas as colunas necessárias para cobrir o gap determinado pelo price-and-cut. Esse resultado incentiva futuras pesquisas para estender a aplicação do algoritmo a instâncias maiores e mais difíceis. / [en] This dissertation deals with formulations, algorithms and exact methods for solving the well-known Generalized Assignment Problem (GAP) through a price-and-cut approach with the separation of (3, 0.5)-SRC inequalities in order to improve column enumeration feasibility and efficiency. This work is motivated by the perspective of reaching state-of-the-art performance, attaining competitive results which are comparable with the best known solutions found in the literature by Avella (2010) and Michelon (2012). This research was build on exact methods and some heuristics with emphasis on the Dantzig- Wolfe decomposition, the column generation algorithm, the stabilization through weighted Dantzig-Wolfe decomposition proposed byWentges (1997) and finally the column enumeration motivated by the gap minimization reached through the price-and-cut algorithm. The price-and-cut algorithm proposed here resort to column generation (pricing) combined with the separation of (3, 0.5)-SRC cuts in order to increase the generated lower bound, thus minimizing the attained gap. This column generation algorithm follows the work of Savelsbergh (1997); and the separation of (3, 0.5)-SRCs is formulated by Jepsen (2008) and motivated by the branch-cut-and-price algorithm proposed by Poggi and Uchoa (2016) for the CVRP. According to computational experiments, the adopted inequalities are capable of sufficiently reducing the gap, assuring the feasibility of column enumeration for several GAP instances with up to 200 tasks and 20 machines. This method achieved expressive results, compatible with the best known solutions, enumerating all the necessary columns to cover the gap found by the price-and-cut. Therefore, these results motivate future research towards the extension of the method s applicability to larger and more complex instances.

[pt] Nesta tese, propomos novas arquiteturas para redes neurais profundas utlizando métodos de atenção e álgebra multilinear para aumentar seu desempenho. Também exploramos convoluções em grafos e suas particularidades. Nos concentramos aqui em problemas relacionados à estimativa de pose em tempo real. A estimativa de pose é um problema desafiador em visão computacional com muitas aplicações reais em áreas como realidade aumentada, realidade virtual, animação por computador e reconstrução de cenas 3D. Normalmente, o problema a ser abordado envolve estimar a pose humana 2D ou 3D, ou seja, as partes do corpo de pessoas em imagens ou vídeos, bem como seu posicionamento e estrutura. Diveros trabalhos buscam atingir alta precisão usando arquiteturas baseadas em redes neurais de convolução convencionais; no entanto, erros causados por oclusão e motion blur não são incomuns, e ainda esses modelos são computacionalmente pesados para aplicações em tempo real. Exploramos diferentes arquiteturas para melhorar o tempo de processamento destas redes e, como resultado, propomos dois novos modelos de rede neural para estimativa de pose 2D e 3D. Também apresentamos uma nova arquitetura para redes de atenção em grafos chamada de atenção em grafos semânticos. / [en] This thesis proposes new architectures for deep neural networks with attention enhancement and multilinear algebra methods to increase their performance. We also explore graph convolutions and their particularities. We focus here on the problems related to real-time pose estimation. Pose estimation is a challenging problem in computer vision with many real applications in areas including augmented reality, virtual reality, computer animation, and 3D scene reconstruction. Usually, the problem to be addressed involves estimating the 2D and 3D human pose, i.e., the anatomical keypoints or body parts of persons in images or videos. Several papers propose approaches to achieve high accuracy using architectures based on conventional convolution neural networks; however, mistakes caused by occlusion and motion blur are not uncommon, and those models are computationally very intensive for real-time applications. We explore different architectures to improve processing time, and, as a result, we propose two novel neural network models for 2D and 3D pose estimation. We also introduce a new architecture for Graph attention networks called Semantic Graph Attention.

[pt] Este trabalho explora a estrutura de decomposição de um problema de planejamento da expansão da geração hidrotérmica, utilizando uma integração entre uma Decomposição de Benders modificada e um Progressive Hedging. Consideramos uma representação detalhada das restrições cronológicas de curto prazo, com resolução horária, baseando-se em dias típicos para cada etapa. Além disso, representamos a natureza estocástica de uma política operacional hidrotérmica multiestágio por meio de uma Regra de Decisão Linear otimizada, garantindo decisões de investimento compatíveis com uma política operacional não antecipativa. Para resolver este problema de otimização em grande escala, propomos um método de decomposição de Benders aprimorado com várias instâncias do problema mestre, onde cada uma delas é reforçada por cortes primários além dos cortes de Benders gerados a cada candidato a solução do mestre. Nossa nova abordagem permite o uso de termos de penalização de Progressive Hedging para fins de regularização. Mostramos que o algoritmo proposto é 60 porcento mais rápido que os tradicionais e que a consideração de uma política operacional não antecipativa pode economizar, em média, 8.27porcento do custo total em testes fora da amostra. / [en] This paper exploits the decomposition structure of the hydrothermal generation expansion planning problem with an integrated modified Benders Decomposition and Progressive Hedging approach. We consider a detailed representation of hourly chronological short-term constraints based on typical days per month and year. Also, we represent the multistage stochastic nature of the hydrothermal operational policy through an optimized linear decision rule, thereby ensuring investment decisions compatible with a nonanticipative implementable operational policy. To solve the resulting large-scale optimization problem, we propose an improved Benders Decomposition method with multiple instances of the master problem, each of which strengthened by primal cuts and new Benders cuts generated by each master s trial solution. Additionally, our new approach allows using Progressive Hedging penalization terms for regularization purposes. We show that our method is 60 percent faster than the traditional ones and also that the consideration of a nonanticipative operational policy can save, on average, 8.27 percent of the total cost in out-of-sample tests.

[pt] Os ciclos termoquímicos de decomposição de água relacionados ao enxofre são uma importante classe de processos químicos considerados para a produção de hidrogênio. Recentemente, a decomposição térmica do sulfato de magnésio e sulfato de amônio tem sido relatada como uma potencial operação unitária em um desses ciclos. Portanto, algum interesse tem sido observado no uso de catalisadores para diminuir a energia de ativação de sulfatos que se decompõem em altas temperaturas, como o magnésio e a adição de um agente modificador para facilitar a separação dos produtos no caso de sulfatos que se decompõem em baixas temperaturas como amônio. Neste contexto, a presente tese relata os resultados da modelagem termodinâmica e cinética associada a este sistema de reação na presença de Pd suportado sobre gama-Al(2)O(3). Para o sistema Mg a presença de tais espécies é responsável por deslocar a temperatura de decomposição para valores mais baixos em pelo menos 100 graus C. Observou-se que o teor de magnésio ainda está orientado para a formação de MgO. Os resultados obtidos indicam que o catalisador Pd/Al(2)O(3) pode ser uma boa alternativa na redução da temperatura de decomposição térmica, pois sua presença foi responsável por diminuir a energia de ativação do processo de 368,2 para 258,8 kJ.mol(-1). Para o sistema NH4 pode-se observar que ocorre em quatro etapas e a formação de sulfato de alumínio, sendo a última espécie portadora de sulfato, proporciona a separação do óxido de enxofre liberando-o em uma etapa diferente dos demais produtos gasosos. A presença de paládio pode atuar como redutor da energia de ativação desta etapa, deslocando a temperatura de decomposição para valores inferiores em pelo menos 90 graus C e a reduzindo os valores de energia de ativação entre 12 – 30 por cento abaixo do encontrado na literatura oriundos de modelos gráficos. / [en] The sulfur related thermochemical water-splitting cycles are an important class of chemical processes considered for hydrogen production. Recently, the magnesium and the ammonium sulfate thermal decomposition have been reported as a potential unit operation in one of these cycles. Therefore, some interest has been observed in the use of catalysts to lower the activation energy for sulfates that decompose in high temperatures, as such magnesium and the addition of a modifying agent to facilitate separation of the products in the case of sulfates that decompose into low temperatures as ammonium. In this context, the present thesis reports the thermodynamics and kinetics modeling results associated with this reactions systems in the presence of a Pd supported over gamma-Al(2)O(3). For Mg system the presence of such species is responsible for shifting the decomposition temperature to lower values in at least 100 degrees C. It was observed that the magnesium content is still oriented towards MgO formation. The obtained results indicate that the Pd/Al(2)O(3) catalyst could be a good alternative in reducing the thermal decomposition temperature as its presence was responsible for diminishing the process activation energy from 368.2 to 258.8 kJ.mol(-1). For NH(4) system it can be observed four steps for reactions and formation of aluminum sulfate, as the last sulfate bearing species, provided the separation of the sulfur oxide releasing it in a different step from the other gaseous products. The presence of palladium can act as an activation energy reducer, shifting the decomposition temperature to lower values in at least 90 degrees C and decreasing the activation energy by 12 – 30 percent than that found in the literature.

[pt] Sabe-se que a maioria das estruturas reais estão sujeitas à diferentes casos de carregamentos, relacionadas à diferentes solicitações estruturais e à ação de forças naturais, como ventos e ondas. Neste contexto, é importante levar em consideração o efeito da maior quantidade de cenários possíveis que possam atuar em uma estrutura ao realizar um estudo de otimização topológica. A maneira tradicional de solução deste tipo de probema envolve uma análise caso a caso dos cenários, o que no contexto de um algoritmo de otimização estrutural requer a solução de um problema de elementos finitos para cada cenário em cada passo do algoritmo, ficando limitada pelo elevado custo computacional associado. Esta limitação abre espaço para abordagens baseadas em redução de dimensões como a aproximação estocástica e a decomposição em valores singulares. Este trabalho verifica a viabilidade do uso destes dois métodos na solução de problemas de otimização topológica estrutural com muitos casos de carga. Duas aplicações são apresentadas, otimização robusta e o problema de cargas dinâmicas usando o método do carregamento estático equivalente. Com isso, situações envolvendo carregamentos mais complexos podem ser estudadas através de algoritmos eficientes de otimização topológica. Para ambos os casos, são mostrados resultados comparando os resultados obtidos através da metodologia desenvolvida neste trabalho com resultados da literatura. / [en] It is known that most real structures are subject to different loading scenarios, related to different structural solicitations and the action of natural forces, such as winds and sea waves. In this context, it is important to consider the effect of the largest number of possible scenarios that can act on a structure when performing a topology optimization study. The traditional way of solving this type of problem involves a case-by-case analysis of the scenarios, which in the context of a structural optimization algorithm requires the solution of one finite element problem for each scenario and at each step of the algorithm, being limited by the high associated computational cost. This limitation leave room for approaches based on dimenson reduction such as stochastic approximation and decomposition into singular values. This work verifies the feasibility of using these two approaches to solve structural topology optimization problems with many load cases. Two applications are presented, robust optimization and the problem of dynamic loads using the equivalent static loading method. Thus, situations involving more complex loads can be studied through efficient topology optimization algorithms. For both cases, comparisons are established between the results obtained through the methodology developed in this work and the ones from the literature.

[pt] Portfólios de fontes renováveis de energia elétrica são mecanismos de gerenciamento de risco interessantes para comercialização de energia em mercados de negociação bilateral. Quando formados por agentes que pertencem a diferentes companhias sua estabilidade depende da maneira com que os benefícios de mitigação de risco gerados pelo portfólio são alocados individualmente entre os participantes. O problema de se encontrar uma solução estável pode ser matematicamente formulado através da busca de um vetor de alocação de quotas que pertença ao núcleo do jogo cooperativo, que por sua vez pode ser formulado como um conjunto de restrições lineares que aumenta exponencialmente com o número de participantes. Adicionalmente, o lado direito de cada restrição que define o núcleo do jogo cooperativo define o valor de uma determinada coalisão que, no presente trabalho, é obtido através de um modelo de otimização estocástica de dois estágios. Este trabalho compara diferentes metodologias computacionalmente eficientes baseadas em programação linear inteira mista e na técnica de decomposição de Benders para encontrar vetores de alocação de quotas que pertençam ao núcleo de portfólios de larga escala de geradores de energia renovável. São apresentados estudos de casos que utilizam dados reais do sistema elétrico brasileiro. / [en] Portfolios of renewable electricity sources are interesting risk-management mechanisms for trading in electricity contract markets. When they are formed by players belonging to different companies, their stability relies on the way the riskmitigation benefit generated by the optimal portfolio is allocated through individual participants. The problem of reaching a stable allocation can be mathematically formulated in terms of finding a quota-sharing vector belonging to the Core of a cooperative game, which can be formulated as a set of linear constraints that exponentially grows with the number of participants. Moreover, the right-hand-side of each constraint defining the Core relies on a given coalition value which, in the present work, is obtained by a two-stage stochastic optimization model. This work presents and compares efficient methodologies mainly based on mixed integer linear programming and Benders decomposition to find quota allocation vectors that belongs to the Core of large-scale renewable energy portfolios. Case studies are presented with realistic data from the Brazilian power system.

[pt] Recentes apagões em todo o mundo fazem da confiabilidade de sistemas de potência, no tocante a contingências múltiplas, um tema de pesquisa mundial. Dentro desse contexo, se faz importante investigar métodos eficientes de proteger o sistema contra falhas de alguns de seus componentes, sejam elas dependentes e/ou independentes de outras falhas. Nesse sentido, se tornou crucial a incorporação de critérios de segurança mais rigorosos na operação e planejamento de sistemas de potência. Contingências múltiplas são mais comuns e desastrosas do que falhas naturais e independentes. A principal razão para isso reside na complexidade da estabilidade dinâmica de sistemas de potência. Além disso, o sistema de proteção que opera em paralelo ao sistema de distribuição não é livre de falhas. Portanto, interrupções naturais podem causar contingências em cascata em decorrência do mau funcionamento de mecanismos de proteção ou da instabilidade do sistema elétrico como um todo. Nesse contexto, se dá a motivação pela busca de critérios de segurança mais severos como, por exemplo, o n - K, onde K pode ser maior do que 2. Nesse trabalho, o principal objetivo é incorporar o crtitério de segurança geral n-K para geração e transmissão em modelos de operação e planejamento de sistemas de potência. Além de interrupções em geradores, restrições de rede, bem como falhas em linhas de transmiss˜ao também são modeladas. Esse avanço leva a novos desafios computacionais, para os quais formulamos metodologias de solução eficientes baseadas em decomposição de Benders. Considerando operação, duas abordagens são apresentadas. A primeira propõe um modelo de otimização trinível para decidir o despacho ótimo de energia e reservas sob um critério de segurançaa n - K. Nessa abordagem, a alta dimensionalidade do problema, por contemplar restrições de rede, bem como falhas de geradores e de linhas de transmissão, é contornada por meio da implícita consideração do conjunto de possíveis contingências. No mesmo contexto, a segunda abordagem leva em conta a incerteza da carga a ser suprida e a correlação entre demandas de diferentes barras. Considerando planejamento de expansão da transmissão, outro modelo de otimização trinível é apresentado no intuito de decidir quais linhas de transmissão, dentro de um conjunto de candidatas, devem ser construídas para atender a um critério de segurança n - K e, consequentemente, aumentar a confiabilidade do sistema como um todo. Portanto, as principais contribuições do presente trabalho são as seguintes: 1) modelos de otimização trinível para considerar o critério de segurança n - K em operação e planejamento de sistemas de potência, 2) consideração implícita de todo o conjunto de contingências por meio de uma abordagem de otimização robusta ajustável, 3) otimização conjunta de energia e reserva para operação de sistemas de potência, considerando restrições de rede e garantindo a entregabilidade das reservas em todos os estados pós-contingência considerados, 4) metodologias de solução eficientes baseadas em decomposição de Benders que convergem em passos finitos para o ótimo global e 5) desenvolvimento de restrições válidas que alavancam a eficiência computacional. Estudos de caso ressaltam a eficácia das metodologias propostas em capturar os efeitos econômicos de demanda nodal correlacionada sob um critério de segurançaa n - 1, em reduzir o esfor¸co computacional para considerar os critérios de seguran¸ca convencionais n-1 e n-2 e em considerar critérios de segurança mais rigorosos do que o n - 2, um problema intratável até então. / [en] Recent major blackouts all over the world have been a driving force to make power system reliability, regarding multiple contingencies, a subject of worldwide research. Within this context, it is important to investigate efficient methods of protecting the system against dependent and/or independent failures. In this sense, the incorporation of tighter security criteria in power systems operation and planning became crucial. Multiple contingencies are more common and dangerous than natural independent faults. The main reason for this lies in the complexity of the dynamic stability of power systems. In addition, the protection system, that operates in parallel to the supply system, is not free of failures. Thus, natural faults can cause subsequent contingencies (dependent on earlier contingencies) due to the malfunction of the protection mechanisms or the instability of the overall system. These facts drive the search for more stringent safety criteria, for example, n - K, where K can be greater than 2. In the present work, the main objective is to incorporate the joint generation and transmission general security criteria in power systems operation and planning models. Here, in addition to generators outages, network constraints and transmission lines failures are also accounted for. Such improvement leads to new computational challenges, for which we design efficient solution methodologies based on Benders decomposition. Regarding operation, two approaches are presented. The first one proposes a trilevel optimization model to decide the optimal scheduling of energy and reserve under an n - K security criterion. In such approach, the high dimensionality curse of considering network constraints as well as outages of generators and transmission assets is withstood by implicitly taking into account the set of possible contingencies. The second approach includes correlated nodal demand uncertainty in the same framework. Regarding transmission expansion planning, another trilevel optimization model is proposed to decide which transmission assets should be built within a set of candidates in order to meet an n - K security criterion, and, consequently, boost the power system reliability. Therefore, the main contributions of this work are the following: 1) trilevel models to consider general n - K security criteria in power systems operation and planning, 2) implicit consideration of the whole contingency set by means of an adjustable robust optimization approach, 3) co-optimization of energy and reserves for power systems operation, regarding network constraints and ensuring the deliverability of reserves in all considered post-contingency states, 4) efficient solution methodologies based on Benders decomposition that finitely converges to the global optimal solution, and 5) development of valid constraints to boost computational efficiency. Case studies highlight the effectiveness of the proposed methodologies in capturing the economic effect of nodal demand correlation on power system operation under an n - 1 security criterion, in reducing the computational effort to consider conventional n-1 and n-2 security criteria, and in considering security criteria tighter than n - 2, an intractable problem heretofore.

[pt] Iniciamos o trabalho com uma revisão da classificação de álgebras de Lie semi-simples sobre corposo algebraicamente fechados de caracteristica zero a traves dos Diagramas de Dyinkin. Posteriormente estudamos sigma - sistemas normais e classificamos eles a traves de diagramas de Satake. Finalmente estudamos a estrutura das formas reais de álgebras de Lie semi-simples complexas, explicitando a conexão com os diagramas de Satake e fornecenendo assim uma classificação das mesmas. / [en] We begin the work with a review of the classification of semisimple Lie algebras over an algebraically field of characteristic zero through the Dyinkin Diagrams. Subsequently we study sigma - normal systems and classify them through Satake diagrams. Finally we study the structure of the real forms of complex semi-simple Lie algebras, explaining the connection with the Satake diagrams and thus providing a classification of them.