Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGiusti2009.pdf: 5842084 bytes, checksum: f5eb69a245d72e4b645f97f28f880fe3 (MD5) Previous issue date: 2009-05-27 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / The purpose of the present work is to carry out a topological sensitivity analysis in constitutive multi-scale models. By making use of the Hill-Mandel Principle of Macro-Homogeneity and the concept of volume average, a variational formulation was established to derive a clearly structured axiomatic framework for constitutive multi-scale models of the present type, allowing the equilibrium equations at the micro-scale to be rigorously written through the clear identification of the functional spaces involved. This formulation lead to a structure that is particularly well-suited for the development of topological sensitivity analyses of constitutive multi-scale models of the present type. As a fundamental result of the topological sensitivity analyses carried out, tensorial fields were identified that represent the topological derivative of the macroscopic constitutive tensor when a singular perturbation is introduced at the micro-scale. The components of such tensorial fields depend on the solution of the canonical variational problems associated to the original unperturbed domain. It is worth emphasising that this result allows the topological asymptotic expansion of the macroscopic constitutive operator to be written explicitly which, in turn, makes it possible to get promptly the topological derivative for a vast class of shape functionals. In particular, in this thesis, two classical computational modeling problems are addressed within the proposed framework: stationary heat conduction and linear elasticity. Multi-scale constitutive models for both problems are firstly derived. Then, the corresponding topological derivatives are obtained by considering the micro-structure to suffer a singular perturbation characterised by the nucleation of a circular inclusion made of a material with physical properties different from those of the medium. Finally, several numerical experiments are performed which show some of the different possible manners of using the topological sensitivity tensor in the project/optimization of specialised micro-structures. These demonstrate the fundamental nature of the results obtained in this work for use in the computational modelling context. / O presente trabalho tem como propósito principal desenvolver a análise de sensibilidade topológica em modelos constitutivos multi-escala. Neste sentido, utilizando o Princípio de Macro-Homogeneidade de Hill-Mandel e o conceito de média volumétrica, foi estabelecida uma formulação variacional para derivar uma elegante estrutura axiomática de modelos constitutivos multi-escala deste tipo, permitindo escrever as equações de equilíbrio na micro-escala de maneira rigorosa através de uma clara identificação dos espaços envolvidos. Com essa formulação, obteve-se uma estrutura adequada para o desenvolvimento da análise de sensibilidade topológica de modelos constitutivos multi-escala. De fato, como resultado fundamental dessa análise, foi identificado um campo tensorial que representa a derivada topológica do tensor constitutivo macroscópico quando é introduzida uma perturbação singular na micro-escala. As componentes do mencionado campo tensorial dependem apenas das soluções dos problemas variacionais canônicos associados ao domínio original não perturbado. Cabe mencionar que através desse resultado, é possível escrever de forma explícita a expansão assintótica topológica do operador constitutivo macroscópico, permitindo obter rapidamente a derivada topológica para uma vasta classe de funcionais de forma. Em particular, neste trabalho são tratados dois problemas clássicos da modelagem computacional: condução estacionária de calor e elasticidade linear. Assim, inicialmente é desenvolvida a modelagem constitutiva multi-escala de cada um dos problemas ora mencionados. Em seguida, considerando que a micro-estrutura sofre uma perturbação singular caracterizada pela nucleação de uma inclusão circular composta de material com propriedades físicas distintas do meio, são calculadas as respectivas derivadas topológicas. Finalmente, são realizados diversos experimentos numéricos mostrando algumas das diferentes maneiras possíveis de utilização do tensor de sensibilidade topológica no projeto e/ou otimização de micro-estruturas especializadas, o que demonstra o caráter fundamental dos resultados desenvolvidos neste trabalho para a modelagem computacional.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Luciana1.pdf: 6052653 bytes, checksum: 9c7348d9ada9fa32dce1bedcfa34e110 (MD5) Previous issue date: 2008-05-13 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Finding the structure of an arbitrary protein is vital for the understanding of its functionality. Many models had been developed for the ab initio prediction, and the lattice model is one of these models. Lattice models specify that each amino acid occupies a lattice position, consecutive amino acids occupy adjacent positions and a protein conformation is given by a path in this lattice. We have some forms to codify an amino acid sequence computationally. The main method is the usage of internal coordinates, however we can find in literature codifications using cartesian coordinates and torsion angles. We introduce a new codification of the data for lattice models, in which a protein with amino acids is configured as a numerical sequence in a three-dimensional lattice of size and all the possible movements for each amino acid are intuitive and correspond to add and to subtract , and . With the goal of exemplifying the development of this new codification, we construct a specific genetic algorithm for the protein structure prediction (PSP) problem. We analyze the development of this algorithm in four models, , , e , and tests using found proteins in literature and in the Protein Data Bank are carried out. / Encontrar a estrutura de uma proteína arbitrária é vital para a compreensão da funcionalidade desta proteína. Muitos modelos foram desenvolvidos para a predição em primeiros princípios, entre eles modelos de grades. Em modelos de grades, cada aminoácido ocupa uma posição da grade, com aminoácidos consecutivos ocupando posições adjacentes. Uma possível conformação da proteína é dada por um caminho nesta grade. Em uma grade, temos várias formas de codificar computacionalmente uma seqüência de aminoácidos. O método mais usado é o de coordenadas internas, mas também encontramos na literatura codificações por coordenadas cartesianas e ângulos de torção. Neste trabalho, introduzimos uma nova codificação dos dados para modelos de grades. Nesta codificação, uma proteína com n aminoácidos é configurada como uma seqüência numérica, com valores variando entre 0 e no caso bidimensional e e no caso tridimensional. Nesta grade, os possíveis movimentos para cada aminoácido são intuitivos e correspondem a somar e subtrair 1 e n no caso bidimensional e , e no caso tridimensional. Para exemplificarmos o desenvolvimento desta nova codificação, desenvolvemos um algoritmo genético específico para o problema de predição da estrutura da proteína (PSP). Analisamos o desenvolvimento deste algoritmo em quatro modelos, , , e , e realizamos testes com proteínas encontradas na literatura e no Protein Data Bank.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRosaLuz.pdf: 2324271 bytes, checksum: 38301fe0e11f9cf83a774f763dbb7ec0 (MD5) Previous issue date: 2009-01-01 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico / In the context of the stochastic perturbations theories we analyze the accuracy of two linear poroelastic models applied to highly heterogeneous porous media subject to uncertainties in the permeability and the elastic constants. The poroelastic models completely and weakly coupled analized arise characterized by the degree of intensity coupling between the hydrodinamics, governor of the percolation of the fluid and poromechanics which governs the deformation of the porous matrix. New equations for the moments of effective solutions using techniques of asymptotic expansion. In light of the perturbation theory are set simplifying assumptions that clarify clearly the domain of validity of weakly coupled model, widely used in simulation of oil reservoirs in the presence of heterogeneities and correlation in poroelastic coefficients. Computational simulations of the primary extraction of oil process are carried out using Monte Carlo techniques in conjunction with finite element methods. Results obtained clearly confirm the conjecture established by the perturbation theorie related with the inaccuracy of the weakly coupled model in the presence of variability in the elastic constants. The methodology used allows to quantify the distance between the two poroelastics models and therefore propose the appropriate model for different conditions of loading and variability of the geological formation. / No contexto das teorias de perturbação estocástica, analisamos a acurácia de dois modelos poroelásticos lineares aplicados a meios porosos altamente heterogêneos sujeitos as incertezas na permeabilidade e nas constantes elásticas. Os modelos poroelásticos completamente e fracamente acoplados analisados surgem caracterizados pelo grau de intensidade de acoplamento entre a hidrodinámica governante da percolação o do fluido e a poromecânica que rege as deformações da matriz porosa. Novas equações efetivas para os momentos das soluções são obtidas fazendo uso de técnicas de expansão assintótica. À luz da teoria de perturbação, são estabelecidas hipóteses simplificadoras que elucidam o domínio de validade do modelo fracamente acoplado, amplamente utilizado nos simuladores de Reservatórios de Petróleo, na presença de heterogeneidades e correlação nos coeficientes poroelásticos. Simulações computacionais do processo de extração primária de petróleo são realizadas utilizando técnicas de Monte Carlo em conjunção com métodos de elementos finitos. Resultados numéricos obtidos confirmam claramente a conjectura estabelecida pela teoria de perturbação relacionada com a inacurácia do modelo fracamente acoplado na presença de variabilidade nas constantes elásticas. A metodologia empregada permite quantificar a distância entre os dois modelos poroelásticos, e consequentemente, propor a escolha do modelo apropriado para diferentes condições de carregamento e variabilidade da formação geológica.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 7360626 bytes, checksum: 2dafc32ffe671ffbc0ed16f2c7cf3864 (MD5) Previous issue date: 2009-08-10 / Um processo pode ser monitorado de várias maneiras diferentes. A mais usual é a medição de alguma característica do processo. O acompanhamento desta característica, agora representada através de uma variável de controle, permite a identificação de um comportamento não usual, também dito anômalo. Existem diversas medidas que podem ser realizadas sobre um fenômeno.Estas medidas podem sofrer alterações durante todo o ciclo de vida do fenômeno. Destas, algumas podem representar o fenômeno em seus vários estados de transição,permitindo assim,que seja possível acompanhar o fenômeno pela monitoração desta medida.Desta forma, se o fenômeno for interpretado como um processo, esta medida pode ser interpretada como um produto deste processo. Na área de controle estatístico da qualidade há inúmeras ferramentas que permitem o acompanhamento de um processo, em especial de um processo de fabricação.Dentre estas ferramentas há o gráfico de controle que, a partir da interpretação da normalidade de um processo, pode indicar quando um processo torna-se não controlável. A partir de um gráfico de controle para processos não normais e de lógica fuzzy, foi desenvolvido o Algoritmo de Detecção de Anomalias com Janelas Adaptativas. Esse algoritmo foi aplicado nas áreas de Segurança da Informação e Vazão em uma rede de distribuição. No primeiro caso foi utilizado na identificação de ataques de negação de serviço.Ataques deste tipo são caracterizados pelo aumento do número de solicitações a um servidor.O intervalo de tempo entre os pacotes foi a variável selecionada para monitorar o processo. No segundo caso foi utilizado na identificação de vazamentos em redes de distribuição de água.A variável de controle utilizada neste caso foi da vazão obtida em ponto de rede.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ackley.pdf: 2102466 bytes, checksum: 4b92e26f652da5a6aa5bb9f6aa1d8f19 (MD5) Previous issue date: 2012-04-27 / Distributed computing systems for shared use with dynamics workload are common in academic and commercial environment. The efficient use of these resources is a challenge. In this work, we developed a performance simulator for coarse-grained parallel applications, which allows varying the task schedulers and the computing environment. The multiple processing elements are associated with threads and a schema master/worker with centralized task list on the master is used. The simulator uses real time to simulate the processing time and implements the most common task schedulers. Experimental results are presented and compared with measurements in real environments and a simulator used by the scientific community demonstrating its validity and applicability. Through this simulator, it is possible to analyze the performance and design task schedulers. A new method of static task scheduling with proportional balancing through estimates of capacity for evolutionary algorithms is proposed. This method measures the processing time in past generations to estimate the current capacity of processing elements and thus make a proportional distribution of tasks. / Sistemas computacionais distribuídos de uso compartilhado e com carga de trabalho dinâmica são comuns no meio acadêmico e comercial. A utilização eficiente destes recursos é um desafio. Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador de desempenho de aplicações paralelas de granularidade grossa, que permite variar os escalonadores de tarefas e o ambiente computacional. Os múltiplos elementos de processamento são associados a threads e é utilizado um esquema mestre/trabalhador com lista de tarefas centralizado no mestre. O simulador usa tempo real para simular os tempos de processamentos de tarefas e implementa os escalonadores mais comuns. Resultados experimentais são apresentados e comparados com medições em ambientes reais e de um simulador utilizado pela comunidade científica demonstrando sua validade e aplicabilidade. Através deste simulador, é possível analisar o desempenho e projetar métodos de escalonamento. Um novo método de escalonamento estático com balanceamento proporcional através de estimativas de capacidade para algoritmos evolucionistas é proposto. Este método realiza medidas de tempos de processamentos em gerações passadas para estimar a capacidade atual dos elementos de processamento e assim fazer uma distribuição de tarefas proporcional.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 trevizani.pdf: 18599041 bytes, checksum: 2e9468171b955bb9c74e5d2d995e17cf (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / Bibliotecas de fragmentos são utilizadas para aumentar a acurácia da predição de estruturas de proteínas, pois além de diminuírem os graus de liberdade envolvidos no problema permitem o uso de informação empírica para prever a conformação local de uma determinada região da seqüência alvo. Limitações para a geração de modelos com estruturas próximas a nativa utilizando modelagem por fragmentos estão relacionadas com a qualidade, diversidade e tamanho da biblioteca. Este trabalho teve como objetivo verificar diferentes aspectos de bibliotecas de fragmentos na reprodução de estruturas nativas de proteínas por meio da combinação de diferentes abordagens. Foram geradas e analisadas bibliotecas com diferentes características, tais como: uso acoplado de predição de estruturas secundárias, tamanho da seqüência do fragmento, uso de agrupamento estrutural para redução do espaço de busca e inclusão de distintos níveis de identidade entre a seqüência alvo e as proteínas do banco de estruturas. Cada biblioteca testada foi composta por fragmentos extraídos de proteínas que não possuíam mais de 20% de similaridade de seqüência com seqüência -alvo. Para a avaliação da capacidade de reproduzir a estrutura nativa, foi desenvolvido um algoritmo para selecionar e inserir os fragmentos em diferentes posições da seqüência -alvo. Foi utilizado um conjunto-teste composto por proteínas de diferentes tamanhos e classes (principalmente-_, principalmente-_ e _ + _) para avaliar o desempenho de cada abordagem. Os principais resultados deste trabalho: (i) resultados consistentemente mais próximos da estrutura nativa foram obtidos quando misturadas bibliotecas de tamanhos de fragmentos diferentes (i.e., 3, 6, e 9); (ii) verificou-se a grande importância do uso de fragmentos maiores na primeira etapa do algoritmo de otimização utilizando bibliotecas mistas; (iii) os resultados obtidos a partir de bibliotecas construídas utilizando-se apenas a similaridade de seqüência foram equivalentes na média, e até mesmo melhores em alguns casos, do que aqueles obtidos com bibliotecas construídas utilizando a predição de estruturas secundárias; (iv) o uso de agrupamento estrutural de fragmentos levou a redução do espaço de busca, mas acarretou uma perda na qualidade dos modelos gerados; (v) o uso de predição de estrutura secundária implica em uma diminuição da diversidade de estruturas da biblioteca, e pode ou não ser benéfica de acordo com a qualidade do resultado da predição. Os resultados deste trabalho apontam para caminhos importantes na utilização de bibliotecas de fragmentos em programas de predição de estruturas de proteínas.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesis-danubiaVersaoFinal.pdf: 4689546 bytes, checksum: 59d6cb58cd4f1e668c498a009b940d0d (MD5) Previous issue date: 2012-05-08 / In this work an image segmentation approach that uses low-pass filters as a pre-processing step and the topological derivative as a pre-segmentation step to obtain an rough definition of the objects of interest is proposed. The result obtained by topological derivative can be improved by applying morphological operators (post-processing) to correct the topology of objects and discard artifacts. Next, the resulting image the pos-processing step is the input for computing a distance transform field which is used to automatically initialize the level set method. In addition, a mathematical justification for the topological derivative formula in image segmentation is provided. The proposed methodology will be applied in the segmentation of cells images obtained by microscopy techniques. / Neste trabalho propõe-se uma abordagem de segmentação de imagens que utiliza filtros passa-baixas como uma etapa de pré-processamento e a derivada topológica como uma etapa de pré-segmentação para obter uma definição aproximada dos objetos de interesse. O resultado obtido pela derivada tropológica pode ser melhorado aplicando-se operadores morfológicos (pós-processamento) para correção da topologia dos objetos e descartar artefatos. Em seguida, a imagem resultante do pós-processamento é a entrada para o cálculo da transformada de distância que é utilizada para inicializar automaticamente o método dos conjuntos de níves. Também fornece-se uma justificativa matemática para a fórmula da derivada topológica em segmentação de imagens. A metodologia proposta será aplicada na segmentação de imagens de células obtidas por técnicas de microscopia.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Heder.pdf: 2677000 bytes, checksum: 7551e034e2195187896180d6c74ad723 (MD5) Previous issue date: 2012-06-18 / Much effort has been made in order to automate the process of scientific knowledge discovery. Although some of the steps can be automated, the replacement of the specialist for a computer system in activities that require creativity remains a great challenge. In the field of computational intelligence the genetic programming techniques, and grammatical evolution in particular, appear to be adequate to these tasks. The use of formal grammars restricts the syntax of possible artifacts, making it possible to add bias in the search and generate more understandable solutions. Moreover, grammatical evolution establishes a clear distinction between the search space and the solution space, offering more flexibility. Thus, we propose here the grammar-based immune programming, a technique for evolving programs which combines a search engine inspired by clonal selection theory with the representation via grammatical evolution. Additionally, we developed a new procedure for decoding candidate solution that always generates a valid program. Finally, the technique is applied to symbolic regression and model inference in the form of ordinary differential equations. Its applicability in mechanical engineering is also exemplified in supporting the modeling of strains in a deformed pipe, and assisting the creation of optimal structural design / Muito esforço tem sido feito visando automatizar o processo de descoberta de conhecimento científico. Embora algumas etapas do mesmo já possam ser automatizadas, a substituição do especialista por um sistema computacional em atividades que requerem criatividade permanece como um grande desafio. No campo da inteligência computacional as técnicas de programação genética, e de evolução gramatical em especial, parecem ser adequadas a estas tarefas. O uso de gramáticas formais restringe a sintaxe dos artefatos possíveis, possibilitando adicionar viés na busca e gerar soluções mais compreensíveis. Além disso, a evolução gramatical faz uma distinção clara entre o espaço de busca e o espaço de soluções, oferecendo mais flexibilidade. Assim, propõe aqui a programação imunológica gramatical, uma técnica para evolução de programas que combina um mecanismo de busca inspirado pela teoria da seleção clonal com a representação via evolução gramatical. Adicionalmente, foi elaborado um novo procedimento de decodificação da solução candidata que sempre gera um programa válido. Finalmente, a técnica é aplicada a problemas de regressão simbólica e na inferência de modelos na forma de equações diferenciais ordinárias. Sua aplicabilidade na engenharia mecânica é também exemplificada no apoio à modelagem de deformações de dutos com amassamentos e no auxílio à criação de projetos estruturais ótimos.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRafaelBonfim_Parte 1.pdf: 5431455 bytes, checksum: be0247865c34fb331242737ca9f5de5f (MD5) Previous issue date: 2013-07-16

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:58:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daniel_msc_final.pdf: 1791948 bytes, checksum: 1e3d1d81251eb6cff151799519eef3f9 (MD5) Previous issue date: 2014-06-23 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / Classical random walks and quantum walks are studied in a whole variety of graphs in order to obtain some of its physical properties. In this work we analyze these walks over the SierpiŃski Carpet, obtaining two physical quantities: the standard deviation and the mixing time. Using simulations and fitting the points obtained over a curve, we found analytical expressions to describe the behaviour of both the standard deviation and the mixing time. When studying the quantum walk we used the QWalk software to run the simulations and generate statistics. We compare the results presenting the advantages and disadvantages of the quantum walk over the classical random one. / Passeios aleatorios classicos e passeios quanticos sao estudados em diversos grafos com o objetivo de se obter suas propriedades fisicas. Neste trabalho analisamos estes passeios no Tapete de Sierpinski com o foco em duas grandezas fisicas: o desvio padrao e o tempo de mistura. Atraves de simulacoes e usando regressao dos pontos sobre uma curva, encontramos expressoes analiticas para descrever o comportamento do desvio padrao e do tempo de mistura. No caso quantico usamos o programa QWalk para fazer as simulacoes e gerar as estatisticas. Comparamos os resultados apresentando as vantagens e desvantagens do passeio quantico sobre o classico.