Atualmente um ambiente de Redes de Computadores é formado por uma variedade de recursos físicos e lógicos, fornecendo um número cada vez maior de serviços. Estes ambientes, muitas vezes, são constituídos com recursos de diferentes fabricantes, ou de um mesmo fabricante, mas, com diferentes modelos, versões ou evoluções. Torna-se, portanto, difícil administrar uma rede devido a uma série de problemas enfrentados em decorrência da variedade destes recursos. Existe uma série de ferramentas destinadas ao gerenciamento de redes que geram informações sobre sua funcionalidade visando, por exemplo, um diagnóstico de problemas, mas, a grande parte apresenta um bom detalhamento técnico das informações que mostradas de forma direta geram dificuldades para a sua interpretação. Dentro deste contexto, o trabalho apresenta um estudo das informações de funcionalidade de uma Rede de Comunicação de Dados e propõe um Modelo de Estrutura para o Gerenciamento de Falhas. Estra estrutura é composta e organizada de acordo com a ocorrência de problemas na rede que são caracterizados por Sintomas. Com o objetivo de simplificar esta estrutura, as informações são classificadas gerando a definição de Sintomas específicos. As informações são apresentadas em módulos e submódulos, com o objetivo de fazer com que um gerente, especializado ou não, na área de redes de computadores, possa chegar o mais próximo possível da causa do problema. O Modelo de Estrutura de Informações para o Gerenciamento de Falhas em Rede de Comunicação de Dados permite a tomada de ações corretivas, preventivas, uma análise histórica sobre o comportamento da rede em um período de tempo, e um planejamento estratégico visando a condição ideal de 100% de disponibilidade da rede para o usuário.

A qualidade do ar no estado de São Paulo é acompanhada pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) por meio de uma rede de monitoramento das concentrações de CO, SO2, NOx, O3 e material particulado, com o objetivo primordial de proteger a saúde humana. Falhas nesse acompanhamento podem reduzir a disponibilidade da rede e comprometer as estratégias da CETESB associadas à preservação da qualidade ambiental, entre elas a qualificação de municípios quanto ao grau de saturação da qualidade do ar. Este trabalho realiza um estudo analítico sobre a disponibilidade rede automática de monitoramento e seus reflexos no licenciamento ambiental realizado pela CETESB, bem como discute a possibilidade de melhoria da informação prestada à sociedade baseada no aumento dessa disponibilidade. Encontrou-se entre 1998 a 2008 valores de disponibilidade média próximos a 80%, sendo que esse nível possivelmente influiu na qualificação de alguns municípios, classificados como saturado quando o plausível seria em vias de saturação, ou classificados como em vias de saturação ao invés de não saturado. Os reflexos dessa qualificação poderão ser observados no licenciamento ambiental de fontes de poluentes atmosféricos pela necessidade da compensação das emissões em municípios qualificados como saturado ou em vias de saturação. A disponibilidade média encontrada decorre predominantemente de falhas dos monitores de SO2, NOx e MP10 e de falhas de infraestrutura da rede automática, razão pela qual aperfeiçoar o programa de manutenção dos monitores e implantar um programa para os equipamentos de infraestrutura são algumas das recomendações que objetivam aumentar a disponibilidade para cerca de 88% e minimizar sua interferência na qualificação dos municípios quanto ao grau de saturação da qualidade do ar.

Nos últimos cinquenta anos, compensadores do tipo proporcional integral (PI) vêm sendo extensivamente estudados, sendo o seu problema já bem entendido e amplamente aplicado na indústria. Este trabalho contribui com as pesquisas de desenvolvimento de sistemas de controle tolerante a falhas em sistemas com compensação PI, usando a técnica de alocação de controle. Uma das principais vantagens de se usar essa técnica é de que as restrições nos atuadores podem ser levadas em conta, além do que se um atuador falha em produzir seu controle efetivo, outro atuador pode ser usado para compensar e manter o sistema nas condições desejadas. São apresentadas diversas simulações em que variáveis da aeronave são rastreadas, e são simulados travamentos de superfícies do ADMIRE, um modelo de simulação de uma aeronave desenvolvido pela Agência de Pesquisa Aeroespacial Sueca (FOI). Os resultados mostram que a alocação de controle é capaz de redistribuir os comandos entre as superfícies remanescentes e manter a aeronave em condições estáveis de voo.

A estratégia conhecida como Controle Preditivo (MPC) se tornou uma opção bem disseminada em aplicações em sistemas multivariáveis complexos que contém restrições. Nessa estratégia, a cada instante de amostragem, um problema de otimização deve ser solucionado no intuito de se obter o valor ótimo de controle a ser aplicado na planta. Dependendo da complexidade do sistema a ser controlado, da dinâmica da planta e do tempo de amostragem escolhido, esse problema de otimização adjacente pode demandar elevado esforço computacional e aumento de custo no projeto do sistema de controle. Por esse motivo, o desenvolvimento de algoritmos de otimização mais eficientes ou reformulações do problema de controle que reduzam o esforço computacional associado são relevantes. Este trabalho tem como objetivo o estudo e a implementação da estratégia MPC utilizando programação multiparamétrica, mediante a reformulação do problema de controle de forma que a solução do problema de controle seje obtida a priori. Além disso, inclui-se uma abordagem com múltiplos modelos, permitindo ao sistema de controle acomodar falhas e manter a estabilidade do sistema mesmo na ocorrência de falhas. Ao final, a proposta é ilustrada por meio de implementação em tempo real em um helicóptero 3DOF de laboratório produzido pela empresa Quanser Consulting.

A investigação dos mecanismos de perdas ópticas no componente multi-camada, responsável pela geração primária de energia nos geradores solares de satélites artificiais, o Solar Cell Assembly - SCA, proporcionou a identificação de uma perda óptica adicional, causada por um tipo de defeito de fabricação até então ignorado, e o desenvolvimento de duas metodologias voltadas para a otimização do projeto e da fabricação de SCA's. A primeira delas possibilita analisar o desempenho de um SCA vizando minimizar as perdas óptica. A segunda, baseada na aplicação da técnica fototérmica da fotorefletância induzida por laser, está voltada para a detecção de defeitos em SCA's e para a análise das variações de parâmetros de interesse para a fabricação. A aplicação da primeira metodologia, ao SCA utilizado no Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres - CBERS, demonstrou a existência de perdas ópticas elevadas neste SCA e apontou soluções que poderiam levar a um aumento significativo da potência gerada em órbita. A aplicação da segunda metodologia, ao mesmo SCA, identificou a existência de perdas por interferência óptica destrutiva causada por defeito de fabricação. A segunda metodologia permite, também, a quantificação das perdas por interferência óptica e a caracterização do defeito de fabricação que provoca essas perdas. As metodologias desenvolvidas possuem um potencial de aplicação para investigação de outros tipos de defeitos e em outro tipos de sistema multi-camada, não considerados neste trabalho de tese, sendo o horizonte de aplicações de natureza acadêmica muito mais amplo que o explorado no exemplo de aplicação prática utilizado neste trabalho. Essa é a primeira vez que se detecta e se quantificam perdas por interferência óptica em SCA e se disponibiliza uma metodologia para inspeção dessas perdas.

Esta dissertação baseia-se em e estende os resultados contidos na dissertação "Reconfigurable Control Design for VLS (Brazilian Launcher)" apresentada na Universidade de Glasgow (Reino Unido) em 24/08/2000, sob a supervisão dos professores Colin Goodchild e Euan McGookin (Universidade de Glasgow) e Waldemar de Castro Leite Filho (CTA - ITA). Falhas em dispositivos, equipamentos ou sistemas podem degradar ou inutilizar os mesmos para a aplicação a que são destinadas. Se a falha for detectada e isolada de forma que uma ação corretiva seja tomada, então talvez o desempenho resultante ainda possa ser aceito. Mesmo assim, os desdobramentos resultantes da ocorrência de uma falha podem afetar dinamicamente o comportamento do sistema, levando em certos casos à perda de sua estabilidade. O caso em questão (lançador VLS) é definido pela presença de sensores sem redundância fisica. Falhas destes sensores podem ocasionar transitórios nos dispositivos de atuação (tubeiras móveis) suficientes para instabilizar o lançador. Considerações a respeito do projeto do controlador são feitas baseadas nestas implicações. Adicionalmente, um esquema FDIR (Fault Detection, Isolation and Control Reconfiguration) é adotado durante a fase de simulação de forma a ilustrar-se as idéias descritas neste trabalho. O controlador reconfigurável usado no esquema FDIR está sujeito às restrições físicas do lançador (software embarcado e velocidade de processamento do computador de bordo) e também aos requisitos de confiabilidade. A concepção mais simples para o controlador é baseada no conceito de redundância analítica, ou seja, na presença de uma falha corretamente detectada e isolada, descarta-se o sensor com falha e usa-se o respectivo valor estimado, obtido a partir do sensor remanescente. Dois sistemas de controle - um convencional e outro tolerante a falha - foram avaliados em relação à estabilidade, índices de desempenho e amplitude da perturbação devido a falha de sensor sobre o sinal de atuação. Em seguida, foram feitas simulações com o modelo detalhado do sistema de controle considerando as mesmas falhas e condições. A partir daí são sugeridas modificações na metodologia de projeto baseadas nesta aplicação crítica - o veículo lançador VLS, cuja planta exibe dinâmica instável durante o vôo. A nova metodologia é atrativa pois reduz as chances de instabilização do veículo e permite a recuperação de parte dos índices de desempenho mesmo para panes de sensor, considerando-se falhas ou panes corretamente detectadas e isoladas.

Neste trabalho uma metodologia é proposta para a implementação de um ambiente computacional para detecção e diagnose de falhas (DDF) em sensores de manipuladores robóticos. Esse ambiente computacional é formado por um subsistem de simulação de manipuladores robóticos e por um subsistema de detecção e diagnose de falhas. O subsistema de simulação de manipuladores robóticos é composto por blocos básicos de simulação e controle de manipuladores robóticos, como o bloco da planta do manipulador que se deseja simular, o bloco do sistema de controle composto por controladores do tipo PID e torque computado (que podem ser selecionados e configurados pelo usuário), o bloco do planejador de tarefas e o bloco de sensores. O subsitema de detecção e diagnose de falhas usa um método de redundância de sensores baseado na integração dos valores medidos combinado com as equações estáticas do manipulador robótico. Um sistema especialista é usado como apoio ao subsistema de detecção e diagnose de falhas, onde são implementadas regras para melhorar a capacidade de diagnóstico e produzir uma possível compensação de falhas. Um exemplo aplicativo ilustra a metodologia proposta, o qual pode ser facilmente implementada e possui baixo custo de equipamento, pois utiliza sensores comuns disponíveis em muitos manipuladores robóticos. Entretanto, este método pode exigir um esforço computacional significante e indesejado, principalmente com a utilização de manipuladores robóticos com vários graus de liberdade. Porém, caso o esforço computacional seja considerado grande em determinadas aplicações, pode-se fazer uso de controladores e processadores dedicados (por exemplo, DSPs), rápidos e de baixo custo (atualmente muito comuns no mercado).

Este trabalho revisita um método de detecção de falhas baseado em wavelets e propõe uma melhoria na técnica utilizando wavelets adaptativas, implementadas através de bancos de filtros. A dificuldade associada às restrições não-lineares de reconstrução perfeita dos filtros é contornada adotando uma abordagem descrita na literatura, que permite caracterizar os filtros utilizando um conjunto de parâmetros angulares livres de restrições. Esta parametrização é discutida no trabalho e algumas de suas características de relevância para a técnica proposta são demonstradas. A abordagem adotada para a parametrização dos filtros possibilita a utilização de algoritmos simples de busca para otimização sem restrições. Escolheu-se o algoritmo dos poliedros flexíveis, que minimiza localmente uma função de custo, partindo de uma condição inicial conveniente. Para definir tal ponto de partida, propõe-se nesse trabalho um algoritmo que permite a obtenção de um conjunto de parâmetros angulares que caracterize uma wavelet mãe tradicional. Para validação da técnica proposta, foi desenvolvido um esquema de computação analógica para simular a ocorrência de falhas abruptas em um servomecanismo. Três técnicas de detecção de falhas são utilizadas no processamento dos sinais experimentais: wavelets adaptativas, wavelets fixas e observadores de estados. Os resultados mostram que as técnicas baseadas em wavelets são menos susceptíveis a falsos alarmes, a falhas não detectadas e à diminuição na relação sinal/ruído, necessitando, contudo, de um tempo maior para detectar a ocorrência de uma falha que a técnica baseada em observadores de estados. Observa-se ainda que a introdução de wavelets adaptativas melhora o desempenho do sistema de detecção wavelet sem aumentar o seu atraso de resposta.

O contínuo crescimento da frota da aviação demanda a necessidade de novos métodos preventivos de análise de fatores de risco de falhas, a fim de reduzir o número de acidentes. Neste contexto, uma possível solução para evitar condições inseguras é a instalação de novos sistemas aeronáuticos. Esta Tese apresenta um método de análise das instalações de sistemas aeronáuticos baseado em um modelo conceitual de fatores humanos e uma aplicação de rede neural artificial, expondo uma visão geral dessas instalações e analisando os fatores de risco envolvidos. Esta é uma nova abordagem preventiva que estabelece uma relação entre as características inseguras observadas durante a instalação desses sistemas e um banco de dados operacional de acidentes, a fim de apresentar um novo método para o desenvolvimento de uma aviação mais segura. Por fim, é exemplificada a aplicação dos parâmetros obtidos pelo método, a fim de evitar condições inseguras durante a operação de um sistema em estudo.

A evolução da tecnologia tem permitido o desenvolvimento de sistemas cada vez mais complexos. Normalmente, estes sistemas são formados por subsistemas conectados entre si. Quando a operação do sistema é crítica em termos de segurança e desempenho o desafio é garantir a dependabilidade deste sistema na ocorrência de uma falha. Dependabilidade é um conceito emergente relacionado à habilidade do sistema em manter sua operação pretendida por um período prolongado de tempo, sob uma variedade de condições de estresse. Deste modo, a proposta apresentada nesta tese consiste em uma metologia de projeto de redes de controladores colaborativas que tenham por objetivo tentar garantir a dependabilidade do sistema como um todo. Os sistemas aqui considerados são compostos por susbsistemas conectados entre si por meio de variáveis relacionadas aos seus estados. O sistema de controle é formado por um subsistema e seu controlador local. Para que haja a possibilidade colaboração ou cooperação entre os nós da rede é proposto o uso de um gerenciador local. Este gerenciador tem a função de se comunicar com os demais e trocar informações na foram de pedidos de ajuda, caso algum índice relacionado a dependabilidade do sistema esteja comprometido. O gerenciador deve responder a estes pedidos por meio do ajuste de valores dos parâmetros do seu controlador local mitigando o dano ocorrido. São considerados apenas sistemas formados por subsistemas em cascata ou paralelo. Alguns estudos de casos são utilizados para ilustrar a metologia proposta.