A teoria do caos estuda o tipo de comportamento, aparentemente aleatório, que apresentam alguns sistemas complexos sensíveis à perturbação dos seus parâmetros, como por exemplo sistemas dinâmicos, fractais, autômatos celulares, entre outros. Os autômatos celulares (ACs) são sistemas dinâmicos discretos que podem apresentar comportamentos caóticos a partir de regras simples. Os ACs tem sido empregados em diversas aplicações principalmente em simulações, mas também tem contribuído no reconhecimento de padrões, processamento de imagens e na Criptografia. A necessidade em transmitir informação de forma mais segura vem crescendo com a necessidade por novos algoritmos criptográficos. Paralelamente, os criptoanalistas vem progredindo constantemente na quebra e na procura de vulnerabilidades destes algoritmos, sendo necessaria a incursão de novas abordagens para atender estes desafios. Neste trabalho é proposto o desenvolvimento e avaliação de algoritmos criptográficos, assim como um novo método de criptoanálise, motivados pela adequação dos ACs caóticos com os princípios de confusão e difusão da Criptografia, seguindo critérios apropriados para a boa construção destes algoritmos, que são sintetizados em três partes: (i) Na proposta do algoritmo de cifra criptográfico baseado no AC caótico, foi sugerida uma estratégia de seleção de ACs em base a combinação de vários critérios como o expoente de Lyapunov, a entropia e a distância de Hamming; visando selecionar um AC apropriado para a geração de números pseudo-aleatórios usados no processo de encriptação/decriptação do algoritmo, o qual é validado por diversos testes de aleatoriedade. (ii) Foi proposto o algoritmo de hash criptográfico baseado numa abordagem híbrida dos ACs e as redes complexas, visando a construção de um algoritmo flexível e de bom desempenho. Os resultados alcançados por ambos os algoritmos criptográficos mostraram-se relevantes quando comparados com o estado da arte, com boas qualidades de segurança e um grande potencial para ser aplicados em problemas reais. (iii) Na proposta do método de criptoanálise foi sugerido traçar equivalências entre os sistemas criptográficos e os ACs caóticos visando explorar e analisar seu comportamento dinâmico, por meio da adaptação do algoritmo do expoente de Lyapunov dos ACs, cujos resultados permitiram encontrar padrões característicos nos modos de operação criptográficos. Os resultados obtidos mostraram que a abordagem dos ACs caóticos para desenvolver os algoritmos pode ser bastante útil em aplicações de Criptografia e Criptoanálise. / Chaos theory studies the apparently random behaviour from some complex systems with highly sensitive to the initial conditions, such as dynamical systems, fractals, cellular automata, among others. Cellular automata (CA) are discrete dynamical systems that may exhibit chaotic behaviour from simple rules. CA have been employed in many multidisciplinary applications, most of them in simulations systems, including pattern recognition, image processing and Cryptography. Nowadays, the development of new cryptographic algorithms is required in order to fulfil the increasing demand for secure transmission of confidential information. These algorithms are intensively analyzed, most of them broken by the cryptanalyst community. We proposed to develop two cryptographic algorithms: a block cipher and a hash function based on chaotic CA and its corresponding evaluation. We also proposed a new cryptanalysis methodology motivated by the strong relationship between the chaotic properties of CA and the cryptographic principles of confusion and diffusion, by following appropriate criteria to the proper design of these algorithms, which are summarized into three parts: (i) To proposed the block cipher proposed it was suggested a methodology to select a suitable CA to Cryptography by means of compounded measures such as the Lyapunov exponent, entropy and Hamming distance. Moreover, this selected CA is employed to generate pseudo-random numbers, which are further used in the encryption/decryption of the proposed block cipher and validated under several randomness tests. The results obtained by this cryptographic algorithm achieved similar and even higher performance when compared to others found in literature. (ii) The cryptographic hash function was developed using an hybrid approach of CA and complex networks, in order to build a flexible algorithm with acceptable performance when compared to conventional hash functions. In general, the results obtained from both cryptographic algorithms showed good security qualities and great potential to be applied in real problems. (iii) To proposed the cryptanalysis methodology it was suggested to draw parallels between cryptographic systems and CA, in order to explore and analise their dynamic behaviour. Hence, upon drawing such parallels, we have a means to adapt the Lyapunov exponent algorithm conceived in the framework of CA. Unexpectedly, the results obtained allow to discriminate among cryptographic modes of operation, which provides significant contributions to the field. Finally, we proved that the chaotic cellular automata approach can be quite useful in applications cryptography and cryptanalysis.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:37:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcelo Arbori Nogueira.pdf: 904606 bytes, checksum: 186b7d2c9f1c91d2dc019d673ecdf983 (MD5) Previous issue date: 2013-12-12 / Cellular automata are models where, out of the application of a local rule to the cells of their regular lattice, global behaviour emerges. Depending on the rule applied, the emergent behaviour may be interpreted as a computation, or used to simulate various types of phenomena, such as physical, biological or social. Cellular automata can be used to simulate population growth, spread of disease, tumor growth, decontamination, among other applications. This paper seeks to expand the theoretical limits on the process of decontamination of a two-dimensional lattice using cellular automata, as established by Daadaa (2012). Here we relax premises assumed therein and seek a better understanding of the characteristics of the rules involved as well as of the behaviour of the immunity time of the decontaminated cells. In order to do so, but since the initial conditions correspond to a very large space, massively parallel programming was employed using GPU, which allowed to evaluate a large number of possibilities. It was possible to identify two decontamination rules linked to each type of neighborhood studied (von Neumann and Moore), that generalise previous rules defined in the work we relied upon. In experiments made with the new rules, their superior efficacy became apparent for random initial conditions; it was also possible to assertain their effectiveness for uniform distribution of states. The general rules allow we developed allowed for a better understanding of the immunity time required to decontaminate a lattice. It was observed that the ratio between the immunity time and the lattice size is not linear, as suggested by Daadaa. / Autômatos celulares são modelos onde, a partir da aplicação de regras locais às células de seu reticulado, emerge um comportamento global. Dependendo da regra aplicada o comportamento emergente pode ser entendido como uma computação, ou utilizado para simular fenômenos físicos, biológicos, sociais, etc. Pode-se usar autômatos celulares para simular crescimento populacional, propagação de doenças, crescimento de tumores, descontaminação, entre outras aplicações. O presente trabalho procura expandir limites teóricos a respeito do processo de descontaminação de reticulados bidimensionais por autômatos celulares, apresentado por Daadaa (2012). Flexibiliza-se aqui premissas lá assumidas e procura-se uma melhor compreensão sobre as características das regras envolvidas bem como do comportamento do tempo de imunidade de células recuperadas. Para tanto, uma vez que as possíveis condições iniciais configuram um espaço muito grande, foi empregada programação massivamente paralela utilizando GPU, permitindo avaliar um grande número de possibilidades. Foi possível identificar duas regras de descontaminação, específicas para cada tipo de vizinhança estudada (vizinhanças de von Neumann e de Moore), que generalizam as regras anteriormente definidas no mesmo contexto do trabalho aqui tratado. Nos experimentos realizados, foi possível comparar a eficácia das regras propostas com as que lhes deram origem, e ficou evidente a eficácia superior das novas regras para condições iniciais aleatória; também foi possível constatar a eficácia das regras para distribuições uniformes de estados. As regras gerais desenvolvidas permitiram melhor compreensão do tempo de imunidade necessário para descontaminar um reticulado. Foi possível observar que a relação do tempo de imunidade com o tamanho do reticulado não é linear como sugerido no trabalho de Daadaa.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabio Tokio Miki.pdf: 3084755 bytes, checksum: a9dcafd5096585d0dd40b1b9985073fe (MD5) Previous issue date: 2006-10-09 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / Cellular automata are dynamical and computational systems, totally discrete in time, space and their state variables. It is known that, for elementary cellular automata, the set of all possible configurations that can appear at any finite number of time steps in their temporal evolution constitutes a regular language. As a consequence, such a set of strings can be represented by a minimal deterministic finite automaton, and the quantity of states and transitions among them may be considered a measure of the (regular language) complexity of the rule at issue; performing such a process may be computationally intensive, but it is well solved in the literature. However, when the target is the limit finite automaton, that is, the one after an infinite number of time steps, the machine may not exist for some rules, and the currently existing method fails to automatically generate it for some rules for which it is known otherwise that a solution does exist. This work aims at helping the solution of the latter problem, although the actual derivation of the algorithm to automatically generate the limit finite automaton has not yet been possible. However, it goes further the currently existing method, by means of a new algorithm for automatically yielding the growth expressions of the finite automaton representative of each time step, including some cases not reported so far, therefore shedding light over the issue, and opening perspectives for a subsequent automatic derivation of the limit finite automaton. / Autômatos celulares são sistemas dinâmicos e computacionais totalmente discretos no tempo, no espaço e em suas variáveis de estado. Sabe-se que, para um autômato celular elementar, o conjunto de todas as configurações possíveis de se obter decorrida uma quantidade finita de passos de tempo de sua evolução temporal constitui uma linguagem regular. Com isso, esse conjunto de cadeias pode ser representado por um autômato finito determinístico mínimo, e a quantidade de estados e transições entre eles pode ser considerada uma medida da complexidade (em linguagem regular) da regra elementar em questão; tal processo, apesar de eventualmente custoso computacionalmente, está bem resolvido na literatura. No entanto, quando se deseja obter a representação do autômato finito limite, isto é, para uma quantidade infinita de passos de tempo, essa máquina pode não existir para algumas regras, e, mesmo em alguns casos em que se sabe que ela existe, não há ainda um método que a gere automaticamente. O presente trabalho caminha na direção de ajudar a solucionar este último problema, apesar de que ainda não foi possível derivar o algoritmo de comportamento limite. No entanto, avança-se aqui com relação ao método atualmente existente, no sentido de, através de um novo algoritmo, derivar automaticamente expressões de crescimento do autômato finito representativo de cada passo de tempo, inclusive em casos ainda não reportados, o que lança luz sobre a questão original, abrindo perspectivas para que a obtenção automática do autômato finito limite possa ser obtida posteriormente.

Orientador: Rafael Dias Loyola / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-23T15:32:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sant'Anna_ClaraLuzBraga_M.pdf: 15999631 bytes, checksum: d43098e998277d4decc83772d68234c2 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O processo de invasão biológica por espécies exóticas pode levar a substituição de espécies nativas. Este processo é crítico quando ocorre no interior de Unidades de Conservação (UC). Para entender a dinâmica de invasão e expansão das espécies invasoras é necessário levar em conta as características da espécie invasora associadas às características abióticas e bióticas dos ecossistemas invadidos, o fator temporal e mecanismos específicos a cada sistema. Estudamos através de análises exploratórias e modelos de simulação em Autômato Celular, o processo de expansão da Brachiaria spp. no Parque Nacional das Emas (Parna Emas), uma das mais importantes Unidades de Conservação do Cerrado. Utilizamos dados da distribuição espaço-temporal da gramínea dos anos de 2002 e 2012, em 80 Km das estradas internas do parque (25% das estradas) para associar a expansão às variáveis ambientais: distância relativa à margem das estradas internas do parque, categoria de zoneamento, tipo de fitofisionomia de Cerrado e declividade. Os fatores ambientais mais relevantes no processo de expansão da Brachiaria spp. foram: as estradas internas do Parna Emas, cuja presença e alta freqüência de uso influenciam positivamente a expansão da gramínea, e em áreas com intenso tráfego de veículos a abundância da Brachiaria spp. foi dez vezes maior que em áreas onde o acesso é restrito; a disponibilidade de luz e espaço foram fatores limitantes à expansão, áreas de fitofisionomias abertas de Cerrado, como Campo Limpo, mostraram ser mais susceptíveis a invasão, com expansão até vinte vezes maior que áreas florestais; e a declividade, mesmo sutil, pareceu direcionar a expansão da gramínea para regiões de menor altitude. Assim indicamos algumas medidas de manejo: restringir ao máximo o uso das estradas internas do Parna Emas, aplicar medidas fitossanitárias nos veículos, botas e vestimentas de funcionários e visitantes, a fim de inviabilizar as sementes dispersadas por estes, priorizar o manejo em áreas de Campo Limpo, em especial uma região no centro do Parna Emas que pode estar funcionando como fonte interna de sementes, e recomendamos atenção aos locais em declividade, de modo a prever a direção da expansão e assim tomar as medidas preventivas cabíveis. Esperamos assim que nosso estudo contribua para o desenvolvimento de melhores políticas e ações de monitoramento, manejo e controle de Brachiaria spp. em Unidades de Conservação, em geral, e no Parque Nacional das Emas, em particular / Abstract: The process of biological invasion by exotic species may lead to replacement of native species. This process is critical when it occurs within Protected Areas (PA). To understand the dynamics of invasion and spread of invasive species is necessary to take into account the characteristics of invasive species associated with abiotic and biotic characteristics of invaded ecosystems, the temporal issue and specific mechanisms to each system. We study by exploratory analyzes and Cellular Automaton simulation models, the expansion process of Brachiaria spp. in Emas National Park (Parna Emas), one of the most important Protected Areas of the Cerrado. We used data from spatial-temporal distribution of this species with a time lag of 10 years among them (2002 and 2012), over 80 km of internal roads of the Parna Emas (25% of the roads) to link the expansion of this invasive grass to environmental variables such as: relative distance along the sideroads inside the park, category of zonation, type of Cerrado vegetation and slope. The results indicate that the most important environmental factors in the expansion process of Brachiaria spp. where: the internal roads of the Parna Emas, whose presence and high frequency of use positively affect the growth of the grass, and in areas with intense vehicle traffic the abundance of Brachiaria spp. was ten times higher than in areas where access is restricted; light availability was the limiting factor to expansion, so that areas of open Cerrado physiognomies as Campo Limpo, proved to be more susceptible to invasion, with expansion up to twenty times greater than forested areas; and the slope, even subtle (about 1 degree), seemed drive the expansion of grass to the lower areas. From these results we point out some management measures such as: restricting the most the use of internal roads of Parna Emas and apply phytosanitary measures in vehicles, boots and clothing of staff and visitors in order to make impracticable the seeds dispersed by them; prioritize management in areas of Campo Limpo, one in particular placed in the center of Parna Emas that may be functioning as internal source of seeds; and we recommend paying attention to the places in declivity, in order to predict the direction of expansion and thus take the necessary preventive measures. We thus hope that our study will contribute to the development of better policies and actions of monitoring, management and control of Brachiaria spp. in Protected Areas, in general, and in Emas National Park in particular / Mestrado / Ecologia / Mestra em Ecologia

Orientadores: Laecio Carvalho de Barros, Rodney Carlos Bassanezi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:48:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto_MagdadaSilva_D.pdf: 4244795 bytes, checksum: 6ed64db20c222bb5bb2e020084610233 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A Morte Súbita dos Citros é uma doença que afeta e mata laranjeiras doces e as tangerineiras Cmvo e Ponkan enxertadas sobre limoeiros Cmvo e Volkameriano, que representam cerca de 85% dos pomares cítricos de São Paulo e sul do Triângulo Mineiro. Acredita-se que tal doença seja causada por vírus transmitidos por pulgões (vetor) de citros. Para estudar a disseminação da doença propomos um modelo de simulação a partir de autômatos celulares, o qual leva em conta o efeito do vento nas distâncias alcançadas pelo pulgão. Para estabelecer a relação entre espaço percorrido pelo vetor e a intensidade do vento utilizamos um sistema baseado em regras fuzzy. Para estudar a densidade populacional dos pulgões, levamos em conta que eles têm a joaninha como principal predador natural. Estabelecemos uma base de regras fuzzy para modelar a interação pulgões e joaninhas. As trajetórias obtidas no plano de fase são comparadas com as de um modelo determinístico presa-predador do tipo Holling- Tanner e também a um modelo determinístico presa-predador de Lotlm- Volterra. A partir dos resultados obtidos, iniciamos um estudo para investigar alguma política de controle da Morte Súbita dos Citros / Abstract: Citrus Sudden Death is a relatively new disease that has affected and killed sweet oranges grafted on the Rangpur lime. This is a worrying characteristic because the Rangpur lime amounts to 85% of the citrus orchards in São Paulo and the south of "Triângulo Mineiro". It is believed that the disease is caused by a virus transmitted by citrus aphids (vectors). We have adopted the Cellular Automata model to study the advance of the disease, which considers the effect of the wind in the distances reached by the aphids. We have adopted the rule-based fuzzy system to establish the relationship between the space covered by the vector and the intensity of the wind. To study the population density of aphids, we have considered that the ladybug is its main enemy. The trajectories of the phase-plane are compared to those of deterministic predatorprey models of the Holling- Tanner and Lotka- Volterra types. From the obtained results, we have begun a study to investigate some control policies for the Citrus Sudden Death / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

This work describes a method of the secondary structure prediction of proteins based on cellular automaton (CA) model - CASSP. Optimal model and CA transition rule parameters are acquired by evolutionary algorithm. Prediction model uses only statistical characteristics of amino acids, so its prediction is fast. Achieved results was compared with results of other tools for this purpose. Prediction cooperation with a existing tool PSIPRED was also tested. It didn't succeed to beat this existing tool, but partial improvement was achieved in prediction of only alpha-helix secondary structure motif, what can be helful if we need the best prediction of alpha-helices. It was developed also a web interface of designed system.

Molecular-based quantum cellular automata (m-QCA), as an extension of quantum-dot QCAs, offer a novel alternative in which binary information can be encoded in the molecular charge configuration of a cell and propagated via nearest-neighbor Coulombic cell-cell interactions. Appropriate functionality of m-QCAs involves a complex relationship between quantum mechanical effects, such as electron transfer processes within the molecular building blocks, and electrostatic interactions between cells. In the first part of this document, the influence of structural distortions in single m-QCA is addressed within a minimal model using an diabatic-to-adiabatic transformation. Thus, it is shown that even small changes of the classical square geometry between driver and target cells, such as those induced by distance variations or shape distortions, can make cells respond to interactions in a far less symmetric fashion, modifying and potentially impairing the expected computational behavior of the m-QCA. The model has been further extended to consider time-dependent external electric fields in which a special emphasis is given to the profiles in which this external parameter can interact with the associated molecular complex. The results of the model have been validated by a direct comparison with first-principle calculations allowing to conclude the plausibility to induce the intra-molecular charge transfer process in a controllable manner via the interaction with the external electric field. The influence played by the electric field profile in the response of the molecular complex is also investigated. The results suggests a major role played by this variable in terms of the time length in which the intra-molecular charge transfer can be observed. In the second part, first-principle theoretical calculations of the self-assembly properties and electronic structure of Ferrocene-functionalized complexes have been carried out. Hence, five different molecular complexes which offer a potential playground to realistic implement the m-QCA paradigm have been investigated. The main emphasis is given to study the interaction between localized charge-carrier molecular states and the delocalized surface states. The results of these calculations demonstrate the possibility to obtain real systems in which intra-molecular charge localization can be combined with self-assembly scaffolding and absorbed on either Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) or metallic-surfaces. Finally, the validation of these findings is carried out via comparison with accesible experimental results and opening the gate to plausible strategies where the paradigm can be implemented.

Das Auftreten von Starkregen führt zu steigendem Wasserstand und Wasservolumen in den Fließgewässern und zu Überschwemmungen der Flussauen. Tritt Hochwasser im menschlichen Siedlungsraum auf, entstehen Schäden an privatem und öffentlichem Eigentum sowie im gewerblichen Bereich. Deshalb ist es notwendig Dynamiken der Flächennutzungsänderungen zu untersuchen, da die Flächennutzung die Art der anfälligen Elemente im Falle eines Hochwassers und die Schadenshöhe bestimmt. Als Simulationswerkzeug wird der rasterbasierte zelluläre Automat LuSIM (vgl. STRÖBL et al. 2003) genutzt, der als Erweiterung für ArcView 3.x zur Verfügung steht. Das Untersuchungsgebiet befindet sich in der Elbaue, zum Teil im Stadtgebiet Dresden und zum Teil im Stadtgebiet von Radebeul im Landkreis Meißen. In der vorliegenden Arbeit wird die zukünftige urbane Flächennutzungsentwicklung im Untersuchungsgebiet nach drei Szenarios simuliert. Die Neuentstehung von Wohnbauland ist dabei die treibende Kraft. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur ex ante-Analyse und Bewertung der Hochwasserrisiken. Der zelluläre Automat verortet neue potentielle Wohnstandorte basierend auf Eignungsregeln und dem Bedarf an neuem Wohnbauland. Die Regeln zur Eignung jeder Rasterzelle als Wohnstandort leite ich aus der Analyse historischer Nutzungsänderungen ab. Den Bedarf an zukünftigem Wohnbauland ermittle ich aus dem vom Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (2006) in seiner Raumordnungsprognose 2020/2050 prognostizierten Neubau von Wohnungen.

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