Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-10-10T04:14:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348503.pdf: 2350792 bytes, checksum: 4f841d9961de954ac8230ecb83747166 (MD5) Previous issue date: 2017 / Nesta tese, é proposta uma nova abordagem para o processamento do sinal de eletroencefalograma (EEG) aplicado à interface cérebro-máquina (ICM) baseado em imagética motora (IM). A nova abordagem consiste em introduzir graus de liberdade aos classificadores baseados em Padrões Espaciais Comuns (CSP - Common Spatial Pattern) mais Análise Discriminante Linear (LDA - Linear Discriminant Analysis) e um classificador baseado na distância de Riemann. Os graus de liberdade correspondem a uma transformação para os sinais que é expressa como uma parametrização das matrizes de covariância. Esses parâmetros são determinados resolvendo um problema de otimização convexa com restrições de Desigualdades Matriciais Lineares (LMI - Linear Matrix Inequalities). Estes problemas são formulados para destacar propriedades que melhoram a discriminação de sinais de diferentes classes. A fim de reduzir a demanda computacional dos problemas de otimização, uma representação compacta dos sinais EEG é usada para expressar a parametrização da matriz de covariância e reduzir a dimensão do problema. O conteúdo espectral dos sinais é explicitamente encontrado nos coeficientes da representação compacta que são obtidos eficientemente projetando os sinais numa base sinusoidal definida em uma faixa de frequências de interesse. Esta propriedade permite emular a estratégia de filtro de passa-faixa a partir dos coeficientes da nova representação com redução no custo computacional. Os resultados, em termos de acurácia de classificação, foram ilustrados através de um conjunto de dados de sinal EEG registrado durante a execução de tarefas cognitivas de imagética motora. Estes conjuntos de dados estão disponíveis online gratuitamente e foram gerados por duas competições internacionais, promovidos para testar e validar algoritmos aplicados a sistemas ICM. Embora os resultados obtidos possam ser melhorados, a introdução e ajuste dos novos graus de liberdade propostos nesta tese provaram ser uma alternativa viável para obter melhores taxas de acurácia na classificação do sinal quando comparados com os métodos convencionais, via Riemann e via CSP -LDA. Outro aspecto interessante é que a representação compacta permite reduzir drasticamente o custo computacional de métodos baseados em CSP e filtros de frequência sub-banda sem comprometer o desempenho da ICM.<br> / Abstract : In this thesis, a new approach is proposed for the electroencephalogram (EEG) signal processing applied to brain-computer interface (BCI) based on motor imagery (IM). The new approach consists of introducing degrees of freedom to the classifiers based on Common Spatial Patterns (CSP) plus Linear Discriminant Analysis (LDA) and a classifier based on Riemann distance. The degrees of freedom correspond to a transformation to the signals which is expressed as a parameterization of the covariance matrices. These parameters are determined by solving a convex optimization problem with Linear Matrix Inequalities (LMI) constraints. These problems are formulated to highlight properties that improve discrimination of signals from different classes. In order to reduce the computational demand of the optimization problems, a compact representation of the EEG signals is used to express the parameterization of the covariance matrix and reduce the dimension of the problem. The spectral content of the signals is explicitly found in the coefficients of the compact representation which are obtained efficiently by projecting the signals on a sinusoidal basis defined in a range of frequencies of interest. This property allows to emulate the pass-band filter strategy from the coefficients of the new representation. The results, in terms of classification accuracy, were illustrated through an EEG signal dataset recorded during the execution of cognitive tasks of motor imagery. These datasets are available online for free and they were generated by two international competitions, promoted to test and validate algorithms applied to BCI systems. Although the results obtained can be improved, the introduction and adjustment of the new degrees of freedom proposed in this thesis have proved to be a viable alternative to obtain better accuracy rates in the signal classification when compared with the conventional methods, via Riemann and via CSP-LDA, specially when the classical methods offer poor results. Another interesting aspect is that the compact representation allows to drastically reduce the a computational cost of methods based on CSP and frequency sub-band filters without compromising BCI performance.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-10-17T03:23:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348502.pdf: 5350635 bytes, checksum: fb05177813d42ef5ccadb6bda5c71fc7 (MD5) Previous issue date: 2017 / Abstract : This work presents the design, implementation, and testing of a Brain-Computer Interface (BCI) system based on µ-waves to control the navigation of a drone. BCI systems perform the translation of brain signals into commands to communicate with external applications. The µ rhythm is a type of brain signal response to motor activity which can be easily measured by electroencephalography (EEG). For this reason, µ-waves based BCI systems have been extensively explored in the literature as a way of enabling patients with compromised neuromotor functions to interact with the outside world. To implement the signal processing and application interface routines, a software platform was built based on well-established filter and classification techniques, such as the Common Spatial Patterns (CSP) and the Linear Discriminant Analysis (LDA). For interfacing with the drone, an algorithm for translating the classifier outputs into drone commands was proposed. In addition, the acquisition of brain waves was performed by a low-cost and open-hardware EEG amplifier called OpenBCI. The validation of the designed system was performed using public and an acquired motor imagery EEG datasets, which were supplied to the platform to simulate the real-time performance of the system. The tests, conducted in a drone simulator, demonstrated the correct operation of the proposed methodology and the designed system.<br> / Este trabalho apresenta o projeto, implementação e teste de um sistema de Interface Cérebro Máquina (BCI) baseado em ondas µ para o controle da navegação de um drone comercial. Sistemas BCI realizam a tradução dos sinais cerebrais em comandos que podem ser usados para ativação e controle de aplicações externas. O ritmo µ é um tipo de resposta cerebral que é modulado através da atividade motora e pode ser facilmente medido através de eletroencefalografia (EEG). Por este motivo, sistemas BCI baseados em ondas µ tem sido extensivamente explorados na literatura como uma forma de permitir que pacientes com sistema neuromotor comprometido interajam com o ambiente externo. Neste trabalho, uma plataforma de software foi desenvolvida para implementar as rotinas de processamento de sinal e de interface com a aplicação. Ténicas bem estabelecidas como o filtro espacial CSP e o classificador LDA foram utilizadas para realizar a de-tecção dos padrões cerebrais. Além disso, é proposta uma metodologia para traduzir o sinal de saída do classificador em comandos que podem ser diretamente enviados para o drone. Para aquisição dos sinais de EEG, um amplificador de baixo custo e open-source chamado Open-BCI foi utilizado. A implementação do sistema foi validada através de um conjunto de dados público, que foram utilizados na plataforma como forma de simular o comportamento em tempo-real do sistema. Os testes de aplicação foram conduzidos em um simulador do drone, o que demonstrou o correto funcionamento da metodologia proposta e do sistema desenvolvido.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-10-17T03:23:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348501.pdf: 2710299 bytes, checksum: 229a09f76c361e59a39c217b37c32e8b (MD5) Previous issue date: 2017 / As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) estão sujeitas a problemas de confiabilidade de comunicação devido a interferências, atenuação de sinal, obstáculos etc. Nessas redes, a diversidade cooperativa é uma técnica muito utilizada para melhorar o desempenho das comunicações, na qual alguns nodos são escolhidos como cooperantes e são responsáveis por retransmitir mensagens de outros nodos. A escolha de quais nodos cumprirão o papel de nodos cooperantes é uma etapa decisiva na aplicação desta técnica. Alguns trabalhos na literatura fazem a escolha baseada apenas em um ou, no máximo, dois parâmetros, não sendo capazes de fazer uma escolha eficiente, reduzindo consequentemente a confiabilidade obtida em suas propostas. Nesta dissertação é proposta uma nova técnica de seleção de nodos cooperantes, chamada Smart, a qual considera vários critérios que são relevantes para o funcionamento da rede. A seleção é realizada usando técnicas de otimização, visando selecionar o menor número de nodos cooperantes mas, assegurando que todos os nodos da rede possuam um vizinho que seja cooperante, aumentando as chances das mensagens serem entregues ao destino. Para avaliar a técnica Smart foi utilizado o simulador OMNeT++/Castalia, comparando-a com três técnicas do estado do arte. Os resultados mostram que a técnica Smart apresenta um desempenho superior às outras técnicas analisadas.<br> / Abstract : Wireless Sensors Networks (WSNs) are subject to communication problems due to interference, signal attenuation, obstacles, etc. In these networks, cooperative diversity is a widely used technique for improving the communications performance, where some nodes are selected as relay and are responsible to assist neighbors nodes with packets retransmissions. The selection of relays nodes is a decisive step whenever this technique is applied. Some studies in the literature select relays nodes based on only one or two parameters. Consequently, this type of technique is unable to select relay node in an efficient way, reducing the network reliability. This master thesis proposes a new technique, named Smart, for the selection of relay WSN nodes according to criteria considered relevant for an adequate network operation. The selection is performed using optimization techniques, which target the selection of the smallest number of relay nodes and, at same time, ensure that all nodes are linked to at least one corresponding relay node, enabling messages reach their destinations in noisy environments. OMNeT++/Castalia was used to evaluate the Smart technique, which was compared with three state-of-the-art techniques. Simulation results show that the Smart technique clearly outperforms other analyzed state-of-the-art cooperative communication techniques.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:05:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337447.pdf: 2399139 bytes, checksum: c13882297f87ea44d4c8b66c90c10931 (MD5) Previous issue date: 2015 / Esta tese propõe uma infraestrutura para alocação dinâmica de recursos do processador em sistemas de tempo real com tarefas multi-modais ou não, sob restrições de escalonabilidade, consumo de energia e temperatura. Tal infraestrutura pode ser usada para sistemas de tempo real crítico, não crítico e sistemas embarcados que necessitam de garantia de economia de energia. A alocação dinâmica é modelada como um problema de otimização discreto e contínuo (convexos e lineares po rparte) para os quais foram analisados algoritmos eficientes para resolução do problema.Embora o problema discreto formulado seja NP-Difícil, os outros possuem soluções eficientes conhecidas e as análises numéricas e simulações mostraram que os modelos usados alcançam bons resultados, com baixo custo computacional.<br> / Abstract : This thesis proposes a framework for dynamic reconfiguration, value-based processor resource allocation in multi-modal or not real-time applications, under schedulability, energy consumption and temperature constraints. The framework is suitable for critical and soft real-time adaptive embedded systems which need guarantees of energy savings. The dynamic allocation is formulated as a discrete and continuous (convex and piecewise linear) optimization problem for which efficients algorithms were tested. Although the discrete problem is NP-Hard, the others have efficient solution and numerical analysis and simulations have shown that the used algorithms and models achieves very good results, with low computational cost.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:08:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337432.pdf: 1873519 bytes, checksum: 40fce035101e01804e1bc88f7e1ea3a5 (MD5) Previous issue date: 2015 / Com a crescente demanda por energia fóssil as operadoras petrolíferas têm buscado determinar planos operacionais que otimizam a produção dos campos em operação para satisfazer a demanda do mercado e reduzir os custos operacionais. Neste contexto, a pesquisa operacional tem se mostrado uma importante ferramenta para determinação dos planos de produção de curto prazo para campos de petróleo complexos. Alguns trabalhos já desenvolveram estratégias para a otimização integrada da produção que visam auxiliar engenheiros de produção e operadores a atingir condições de operação ótimas. Estes avanços científicos atestam o potencial da área de otimização integrada da produção de campos, justificando a busca por estratégias de otimização global e integradas de ativos. Contudo, a incerteza dos parâmetros que caracterizam o reservatório, os poços, fluidos e os diversos processos de produção não vem sendo considerada pelos modelos e algoritmos de otimização da produção diária. Considerando os modelos de produção de curto prazo, estas incertezas podem ser atribuídas a erros de medição , comportamento oscilatório dos sistemas, modelos imprecisos, entre outros. A influência da incerteza dos parâmetros em problemas de otimização tem, desde tempos, sido foco da comunidade de programação matemática. E já foi verificado que soluções de problemas de otimização podem apresentar significativa sensibilidade à pertubações nos parâmetros do dado problema, podendo levar a soluções não factíveis, subótimas ou ambas. Assim, buscando tornar as abordagens de otimização existentes mais confiáveis e robustas às incertezas intrínsecas dos sistemas de produção, esta dissertação investiga a modelagem e tratamento de incertezas na otimização diária da produção e propõe formulações em programação matemática para otimização robusta da produção de poços operados por gas-lift. As formulações representam curvas amostradas através de dados simulados ou medidos que refletem as incertezas dos sistemas de produção. Estas representações levam a formulações robustas em programação matemática inteira mista obtidas pela aproximação das curvas de produção através de linearização por partes. Além disso, este trabalho apresenta os resultados de uma analise computacional comparativa da aplicação da formulação robusta e da formulação nominal a um campo de petróleo em ambiente de simulação, porém considerando simuladores multifásicos amplamente empregados pela indústria do petróleo e gás, que representam a fenomenologia muito próximo da realidade. O primeiro capítulo apresenta a problemática em que estão envolvidos os desenvolvimentos realizados nesta dissertação e um resumo dos capítulos subsequentes. No segundo capítulo alguns conceitos fundamentais são apresentados para a compreensão do trabalho desenvolvido. Este capítulo é dividido em três partes. A primeira parte inicia apresentando brevemente a indústria de petróleo e gás com uma perspectiva histórica, econômica e dos processos envolvidos. Na sequência são expostos conceitos básicos de engenharia de petróleo necessários para o entendimento do sistema de produção utilizado ao longo a dissertação  i.e. gas-lift. Finalmente, o problema de otimização da produção é situado dentro do problema maior, que é o gerenciamento completo das operações de um campo de petróleo, seguido de uma revisão da literatura no que se refere a abordagens clássicas para otimização da produção de campos operados por gas-lift. A segunda parte é uma descrição compacta sobre modelagem de problemas de otimização utilizando programação matemática e na menção dos métodos de solução deste tipo de problema utilizados na parte experimental desta dissertação. A terceira parte começa com uma revisão sobre incerteza em problemas de otimização e sobre as decisões de modelagem enfrentadas quando na presença de problemas de otimização incertos. Na sequência o paradigma de otimização robusta é introduzido e é apresentada uma compilação de alguns dos principais resultados da área de otimização robusta linear. Além disso, ao fim, alguns pontos específicos da teoria de otimização robusta são apresentados pela suas relevâncias para o desenvolvimento da teoria dos capítulos seguintes. O terceiro capítulo inicia com uma discussão sobre as origens das incertezas nos modelos de produção para então prover uma revisão bibliográfica dos poucos trabalhos que mencionam ou lidam com incerteza em sistemas de produção. Na sequência, a incerteza é examinada na perspectiva do problema de otimização. Um sistema simples é usado para exemplificar a metodologia de otimização robusta desenvolvida nesta dissertação. O quarto capítulo apresenta dois problemas padrões de otimização da produção, um contendo poços satélites e outro com poços e completação submarina. Para ambos uma formulação em programação linear inteira mista é descrita considerando valores nominais para todos os parâmetros. Então, para cada problema uma reformulação robusta é implementada considerando incerteza nas curvas de produção do poço. A metodologia utilizada para o primeiro problema é a mesma detalhada no capítulo três, e para o segundo uma extensão da metodologia é proposta para poder lidar com restrições de igualdade incertas. No quinto capítulo são apresentados resultados experimentais de um problema de otimização da produção de um campo com poços satélites. Os resultados obtidos com otimização clássica (nominal) e com otimização robusta são então comparados em um campo de produção sintético instanciado em um simulador multifásico comercial. A solução robusta se mostrou indicada para cenários de operação mais críticos onde factibilidade e segurança são prioridade. No capítulo final uma análise dos resultados obtidos na dissertação é feita sob a perspectiva do possível emprego das técnicas desenvolvidas na indústria de óleo e gás. Apesar de à primeira vista os resultados serem conservadores e de sua utilização parecer limitada, existe potencial para a metodologia ser empregada no caso de situações que priorizam segurança. Além disso a metodologia aqui desenvolvida pode servir como ponto inicial para pesquisas e desenvolvimentos futuros. Uma breve descrição de possíveis trabalhos futuros é feita ao final deste capítulo. O apêndice traz a descrição de algoritmos de amostragem de curvas côncavas desenvolvidos para os experimentos numéricos realizados na dissertação.<br> / Abstract : Managing production of complex oil fields with multiple wells and coupled constraints remains a challenge for oil and gas operators. Some technical works developed strategies for integrated production optimization to assist production engineers in reaching best operating conditions. However, these works have neglected the uncertainties in the well-performance curves and production processes, which may have a significant impact on the operating practices. The uncertainties may be attributed to measurement errors, oscillating behavior, and model inaccuracy, among others. To this end, this dissertation investigates how uncertainty might be considered in daily production optimization and proposes formulations in mathematical programming for robust production optimization of gas-lifted oil fields. The formulations represent system-measured and simulated sample curves that reflect the underlying uncertainties of the production system. The representations lead to robust mixed-integer linear programming formulations obtained from piecewise-linear approximation of the production functions. Further, this work presents results from a computational analysis of the application of the robust and nominal formulations to a representative oil fields available in simulation software.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:08:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337439.pdf: 2897394 bytes, checksum: 83f1857fa48035ad8c7db85741b84326 (MD5) Previous issue date: 2015 / Sistemas de localização global já fazem parte do cotidiano das pessoas. O GPS é usado diariamente para guiar condutores, localizar equipamentos e monitorar atividades externas. Porém, a localização indoor ainda se mostra como um problema. Tecnologias distintas possuem vantagens em determinadas situações, porém nenhuma sobressai como solução definitiva. As redes IEEE 802.11 são frequentemente utilizadas para desempenhar essa função sendo que o algoritmo de análise de cena, que mapeia previamente os níveis de sinais do ambiente, é o que vem fornecendo os melhores resultados. O presente estudo apresenta um sistema de posicionamento indoor utilizando um algoritmo de análise de cena, acrescido de estratégias para minimizar algumas de suas desvantagens. Modificações foram propostas e avaliadas, como a atribuição de fator de qualidade para os pontos coletados, o uso de filtro de Kalman e a utilização do histórico de movimentação na estimativa. Os resultados mostram as melhorias obtidas em termos de precisão na estimativa de posição, em particular para o algoritmo baseado no histórico de movimentação.<br> / Abstract : Global Positioning Systems are part of daily life. GPS is used everyday to guide drivers, find equipments and track outdoor activities. However Indoor Location is still an open topic. Distinct technologies are being analyzed and each one has its own advantages, although no one is considered the best solution. IEEE 802.11 networks are frequently chosen for this task and fingerprinting algorithm is providing the best results. This study describes a fingerprinting based indoor location system where modifications were introduced in order to mitigate some of its drawbacks. A quality factor was attributed to each collected point, Kalman filter was used and historical location was taken in consideration during estimation process. The results show a more accurate location estimation, especially when considering the historical location.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:10:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337436.pdf: 7876896 bytes, checksum: 34a595ba2ea4802c9a8ccec159e6ce27 (MD5) Previous issue date: 2015 / A produção em pequenas séries (PPS) vem se destacando e aumentando sua representatividade no cenário econômico, principalmente quando o assunto é tecnologia. Atualmente, percebe-se que na produção de placas de circuito impresso (PCI), há uma necessidade de produzir de maneira personalizada e eficiente, logo, há um esforço da comunidade científica e industrial em aprimorar técnicas de processamento de imagens para a inspeção de PCI. Este trabalho inclui o estado da arte da inspeção óptica automática de PCI, não necessariamente aplicada a PPS. As técnicas utilizadas neste projeto visam a formação de um sistema para a inspeção de componentes do tipo SMD em uma PPS, garantindo uma qualidade de produção satisfatória, com a finalidade de reduzir o retrabalho. Com isso, foi proposto um sistema de inspeção baseado em características relacionadas ao contorno, posicionamento e histograma dos componentes. Este sistema é composto pelas seguintes três etapas: pré-processamento de imagens, extração de características e avaliação de componentes. A máquina de inspeção utilizada neste projeto está inserida no contexto de cooperação entre máquinas, com o objetivo de constituir uma fábrica totalmente autônoma, coordenada por um sistema multiagente. Desta forma, foi desenvolvido um método de interação entre a máquina de inspeção e um agente que a representa. Um software de inspeção foi implementado utilizando as arquiteturas e estruturas descritas ao longo desta dissertação. Os resultados obtidos pelos experimentos mostram-se adequados à inspeção de componentes SMD em uma PPS, pois apontam uma taxa de acerto acima de 89% ao utilizar componentes reais..<br> / Abstract : Small series production (SSP) has been higlighting and increasing its share in the economic scenario, especially when it comes to technology. Currently, it is seen that in printed circuit boards (PCB) production, there is a need to produce in a customized and efficient way, so an effort of the scientific and industrial community is present, to improve the image processing techniques for PCB inspection. It is present in this work the state of the art for automatic optical inspection in a PCB, not necessarily applied to SSP. The techniques used in this project aim the formation of a system to inspect SMD components in a SSP, ensuring a satisfactory production quality, with the purpose of reduce the rework. Therefore, an inspection system based on characteristics related to shape, positioning and histogram of components has been proposed. This system is compound of the following three steps: pre-processing of images, feature extraction and evaluation components. The inspection machine used in this project is inserted in the context of cooperation among machines in order to provide a fully autonomous factory, coordinated by a multiagent system. Thus, a interaction method between the inspection machine and a agent was developed. An inspection software was implemented using the architecture and structures described throughout this dissertation. The results obtained by experiments show that it is suitable for inspection of SMD components in a SSP, showing a success rate above 89% when using actual components.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:10:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337433.pdf: 1023351 bytes, checksum: acf7a60aba12889382d860cc6820759c (MD5) Previous issue date: 2015 / A operação de campos de petróleo em alto mar implica na transferência de óleo que acumula em Unidades Flutuantes de Produção, Armazenamento e Descarregamento (FPSOs em inglês) para terminais em terra. Uma frota de Petroleiros Dinamicamente Posicionados (DPTs em inglês), ou navios aliviadores, é utilizada para a transferência de óleo das plataformas flutuantes até os terminais terrestres, onde depois o petróleo é transportado em grandes petroleiros ou por dutos até as refinarias. O escalonamento de uma frota de navios aliviadores, que minimiza os custos operacionais e que atenda às restrições do sistema, consiste em um problema complexo. Este trabalho propõe uma formulação em Programação Linear Inteira Mista (MILP em inglês) que avança em relação à trabalhos anteriores pela contabilização de tempos de viagem variáveis entre plataformas e terminais terrestres. As viagens dos navios aliviadores são modeladas como caminhos em um grafo direcionado tendo o terminal terrestre, plataformas flutuantes e pontos de controle como nós, enquanto os arcos representam os possíveis movimentos e operações de carregamento/descarregamento dos navios aliviadores. Do ponto de vista econômico, a frota de navios aliviadores deve ser escalonada para maximizar a produção de petróleo nas plataformas flutuantes enquanto minimiza os custos gerados pelas viagens. A combinação da formulação MILP com um solver constitui uma ferramenta para auxiliar os engenheiros na tomada de decisões. Este problema pode ser resolvido diariamente utilizando a estratégia de rolling-horizon para responder a eventos inesperados. No capítulo 1 apresentamos o problema do Planejamento do Suprimento de Petróleo que envolve desde a produção de óleo e gás nas plataformas até o atendimento da demanda do mercado com os subprodutos beneficiados nas refinarias. O escalonamento de navios aliviadores constitui um subproblema da cadeia produtiva de petróleo e possui uma importância tática dentro do planejamento das operações. No capítulo 2 discutimos alguns conceitos importantes no campo da otimização. Primeiro definimos o que é otimização e o que é um modelo de otimização utilizando como exemplo o Problema da Mochila. Em seguida, apresentamos o conceito de Programação Inteira (IP) e Programação Linear Inteira Mista (MILP) e fazemos uma breve discussão sobre algoritmos para a solução de IPs e MILPs. Também introduzimos o conceito de relaxação e sua relevância na solução de problemas de otimização. Uma seção é dedicada para a introdução de conceitos relacionados com problemas de escalonamento e roteamento e por último apresentamos alguns métodos de otimização dinâmica como o rolling-horizon e relax-and-fix. No capítulo 3, apresentamos primeiro uma formulação prévia do problema que considera os tempos de viagem entre as plataformas e os terminais terrestres como fixos e em seguida, propomos uma nova formulação que considera os tempos de viagem variáveis. Uma revisão da literatura é feita com o intuito de relacionar o modelo proposto com outros trabalhos. O capítulo termina com resultados teóricos obtidos a partir do novo modelo. No capítulo 4 desenvolvemos a relaxação Lagrangeana do problema que origina o problema Dual Lagrangeano. Em seguida, apresentamos os algoritmos utilizados para a solução do problema dual e finalizamos o capítulo desenvolvendo a decomposição da função Dual Lagrangeana que quebra a função dual em diversas funções, uma para cada navio aliviador e plataforma, permitindo assim computação paralela. No Capítulo 5 definimos uma instância exemplo com campos de petróleo, terminais terrestres e navios aliviadores, no qual as análises computacionais são feitas. A primeira análise consiste em comparar os limites obtidos pela relaxação Lagrangeana e a relaxação linear do problema. Os métodos do subgradiente e de geração de restrições sob demanda foram utilizados para a solução do problema Dual Lagrangeano. Em seguida, comparamos a solução estática, onde o problema é resolvido para todo o horizonte de planejamento, com a solução dinâmica obtida utilizado as heurísticas de rolling-horizon e relax-and-fix. Estas em geral fornecem soluções sub-ótimas mas respondem de forma satisfatória às grandes instâncias e incertezas do problema. Fechando o capítulo, a estratégia de rolling-horizon é avaliada em um simulador que gera perturbações para variáveis do modelo. No capítulo 6 concluímos a dissertação com uma análise geral e contribuições do trabalho e propomos algumas direções para pesquisas futuras. <br> / Abstract : The logistics of operating oil fields off the coast entails transferring oil that accumulates in Floating Production Storage and Offloading Units (FPSOs) to onshore terminals. A fleet of Dynamically Positioned Tankers (DPTs), or shuttle tankers, is deployed for transferring oil from the floating platforms to onshore terminals, where the oil is transported in large tanker ships or by pipelines to refineries. The scheduling of a fleet of shuttle tankers that minimizes the operating costs while satisfying the system constraints consists of a complex problem. To this end, this work proposes a formulation in Mixed-Integer Linear Programming (MILP) that advances previous works by accounting for variable time travel between floating platforms and the onshore terminal. The trips of the shuttle tankers are modeled as paths in a directed graph having the onshore terminal, floating platforms, and control points as nodes and arcs representing possible moves and offloading operations for the shuttle tankers. As a business case, the fleet of shuttle tankers should be scheduled to maximize oil production from the floating platforms while factoring in the transportation costs. The combination of the MILP formulation with an optimization solver constitutes a tool to aid operations engineers in making advised decisions. This formulation can be systematically solved daily in a rolling-horizon framework to respond to unanticipated events.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:16:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337440.pdf: 4264996 bytes, checksum: 70f324110d11cf54c66af8755abf73d4 (MD5) Previous issue date: 2015 / Em grupos de robôs móveis cooperativos, os chamados sistemas multi-robôs, a comunicação é um fator de extrema importância para a correta alocação e realização das tarefas. Essa comunicação é determinada diretamente pela disposição geográfica dos robôs uns em relação aos outros, a chamada topologia de comunicação. O controle da topologia de comunicação em um grupo de robôs permite que certas características da rede de comunicação sejam enfatizadas ou anuladas de acordo com a movimentação dos robôs que a compõem. Neste trabalho são apresentadas duas abordagens para controle de topologia em redes de robôs móveis, em função de quais propriedades dessas redes se deseja exaltar: o controle de topologia para a minimização da comunicação, que possibilita a redução do consumo de energia e da interferência causada pelos processos de comunicação; e o controle de topologia para a manutenção da conectividade, que garante condições para a não desconexão da rede, mesmo que esta esteja sob a influência de instabilidades. Através de um controle de conectividade baseado em consenso, a ação dos algoritmos de controle da topologia é aplicada aos robôs de maneira descentralizada, garantindo que as propriedades desejadas ocorram. São realizados simulações e testes com robôs reais, comprovando a eficiência dos algoritmos propostos em garantir as propriedades topológicas a eles associadas.<br> / Abstract : In cooperative robot systems, also known as multi-robot systems, the communication is an extremely important factor for the correct allocation and execution of the robot tasks. This communication is directly determined by the geographic position of the robots in relation each other, which is called communication topology. The topology control can be used to change aspects of the communication topology, allowing that some network characteristics are canceled or exalted, according with the robot's movement in the network. This work presents two approaches for topology control in mobile robot networks that ensure certain properties: the topology control for minimization of the communication, reducing the consumption of energy and the interference caused by radio communication; and the topology control for the connectivity maintenance, ensuring conditions for do not disconnection, even under unstable environments. Through of a connectivity control based on consensus, the action of topology control algorithms is applied to the robots in a decentralized way, ensuring the existence of the desired properties. Finally, are made simulations and tests with real robots, proving the efficiency of the proposed algorithms to ensure the functions assigned to them.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:16:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337446.pdf: 3395636 bytes, checksum: d6db634e466c95609892fb78738dcb73 (MD5) Previous issue date: 2015 / Sistemas intra-chip ou SoC (acrônimo de Systems-on-Chip) com múltiplas unidades de processamento heterogêneas têm sido usados pela indústria de silício como solução para disponibilizar o desempenho demandado pelas modernas aplicações multimídia. No entanto, a integração de um crescente número de unidades de processamento especializadas em um mesmo SoC impõem um desafio para os mecanismos de interconexão de tais sistemas, que agora são obrigados a lidar com um grande número de fluxos de comunicação muito distintos, com requisitos de latência e largura de banda também muito distintos. Como solução, a indústria do silício vem utilizando redes intra-chip ou NoCs (acrônimo de Networks-on-Chip) com previsibilidade de latência para interligar tais unidades de processamento neste tipo de SoC. No entanto, muitas aplicações neste domínio obteriam mais benefícios de uma NoC que pudesse otimizar a utilização dos recursos para fluxos multimídia que toleram variações razoáveis na Qualidade de Serviço (em inglês Quality of Service - QoS). Será demonstrado ao longo deste documento que muitos destes sistemas são concebidos em torno de alguns fluxos de comunicações de tempo real muito restritos, que precisam ser tratados dentro de limites de tempo rigorosos (muitas vezes envolvendo comandos para o controle do sistema ou tarefas de sinalização de estado do sistema) e um grande número de fluxos multimídia menos restritos, que toleram variações muito maiores na latência e na largura de banda. A estratégia de projeto de NoCs predominante na literatura para produzir interconexões para SoCs de tempo real baseia-se no mapeamento dos requisitos de comunicação de tarefas em tempo real (por vezes implementadas em hardware como componentes de propriedade intelectual dedicados) para os recursos de rede disponíveis em fases iniciais do projeto. Este mapeamento, no entanto, muitas vezes é realizado considerando um cenário de pior caso e, portanto, resulta em reserva de recursos que poderiam ser dinamicamente realocados para outros fluxos. Embora adequado para aplicações críticas de tempo real, esta estratégia resulta na má utilização de silício para aplicações multimídia com taxa de bits variável. Neste contexto, esta Tese apresenta uma rede que oferece previsibilidade na latência de pior caso, denominada de RTSNoC, e que foi projetada para o cenário no qual o sistema possui poucos fluxos de comunicação com restrições de tempo real rígidas, relacionados ao controle do sistema, e muitos fluxos de comunicação multimídia com restrições de tempo real menos rígidas. Na verdade, uma latência de pior caso para tais fluxos multimídia pode ser determinado em tempo de projeto, de modo que os projetistas poderiam de fato modelar os fluxos de multimídia como sendo de tempo real suave (ou soft real-time), cuja degradação é proporcional à quantidade de fluxos flui ao longo da rede. No entanto, uma vez que a estratégia de roteamento adotada na RTSNoC não usa qualquer tipo de reserva de recursos em tempo de execução, neste documento tais fluxos serão designados como sendo ?fluxos de melhor esforço? (em inglês Best Effort- BE). A arquitetura da rede proposta baseia-se na intercalação de flits provenientes de diferentes fluxos em um mesmo canal de comunicação entre roteadores da rede, de modo que cada flit contém informações de roteamento. Os resultados experimentais demonstram que a latência média de fluxos com variação na taxa de bits injetados na rede proposta é, em média, mais baixa do que em redes que executam a reserva de recursos e estão operando com 80% de tráfego oferecido. Além disso, é demonstrado analiticamente que fluxos de comunicação de tempo real projetados considerando o valor da latência de pior caso da rede sempre atenderão as restrições associadas a tarefas de tempo real rígidas, de modo que não há perda no limite de tempo para a execução de tais tarefas devido à contenção de recursos na rede.<br> / Abstract : Systems-on-Chip (SoC) with multiple heterogeneous processing unitshave been used by the silicon industry as means to deliver the performancerequired by modern multimedia applications. However, theintegration of an increasing number of specialized processing units posesa challenge on the interconnection mechanisms in such systems,which are now required to handle a large number of very distinctivecommunication ows, with very distinct latency and bandwidth requirements.As a solution, the silicon industry has been using predictableNetworks-on-Chip (NoC) to interconnect components in this kind ofSoC. Nevertheless, many applications in this domain would prot betterfrom a NoC that could optimize the utilization of resources formultimedia ows that tolerate reasonable variations in the Qualityof-Service(QoS). In this document will be shown that several systemshave been conceived around a few very strict real-time communicationows (often involving control or signalling tasks) and a large numberof less strict multimedia ows that tolerate much larger variations inlatency and bandwidth. In this context, current real-time NoC designsfall short at making good use of hardware resources as they rely onworst-case resource reservation. The prevailing design strategy to produceinterconnects for such SoCs relies on mapping the communicationrequirements of real-time tasks (sometimes implemented in hardwareas dedicated IPs) to available network resources at early design stages.This mapping, however, is often performed considering a worst-casescenario and therefore results in the reservation of resources that couldotherwise by dynamically reallocated to other ows. Although adequatefor critical real-time applications, this strategy results in poorsilicon utilization for variable-bit-rate multimedia applications. Thisdocument presents a Worst-Case Latency (WCL) of a network calledRTSNoC that was designed with the aforementioned scenario in mind:few hard real-time control ows and many best-eort multimedia ows.Indeed, a worst-case latency for such best-eort ows can be determinedat design-time, so designers could indeed model the multimediaows as soft real-time (or QoS) ows whose degradation is proportionalto the amount of streams owing across the chip. However, sincethe routing strategy does not use any kind of resource reservation atrun-time, this document will refers to those ows as best-eort. Theproposed NoC architecture is based on the interleaving of its fromdierent ows in the same communication channel between routers, soeach its carries along routing information. Experimental result showedthat the worst-case latency in RTSNoC network was, in average, lowerthan NoC that adopt resources reservation, when those networks areworking over 80% of oered load. Furthermore, it was analytically demonstratedthat the communication ows related to real-time designedconsidering the worst-case latency of the network always will achievethe restrictions related to hard real-time tasks. It means that there isno deadline lost for the execution of those tasks due to the contentionof network resources.