A teoria das redes complexas tem se tornado cada vez mais em uma poderosa teoria computacional capaz de representar, caracterizar e examinar sistemas com estrutura não trivial, revelando características intrínsecas locais e globais que facilitam a compreensão do comportamento e da dinâmica de tais sistemas. Nesta tese são exploradas as vantagens das redes complexas na resolução de problemas relacionados com tarefas do âmbito musical, especificamente, são estudadas três abordagens: reconhecimento de padrões, mineração e síntese de músicas. A primeira abordagem é desempenhada através do desenvolvimento de um método para a extração do padrão rítmico de uma peça musical de caráter popular. Nesse tipo de peças coexistem diferentes espécies de padrões rítmicos, os quais configuram uma hierarquia que é determinada por aspectos funcionais dentro da base rítmica. Os padrões rítmicos principais são caracterizados por sua maior incidência dentro do discurso musical, propriedade que é refletida na formação de comunidades dentro da rede. Técnicas de detecção de comunidades são aplicadas na extração dos padrões rítmicos, e uma medida para diferenciar os padrões principais dos secundários é proposta. Os resultados mostram que a qualidade da extração é sensível ao algoritmo de detecção, ao modo de representação do ritmo e ao tratamento dado às linhas de percussão na hora de gerar a rede. Uma fase de mineração foi desempenhada usando medidas topológicas sobre a rede obtida após a remoção dos padrões secundários. Técnicas de aprendizado supervisionado e não-supervisionado foram aplicadas para discriminar o gênero musical segundo os atributos calculados na fase de mineração. Os resultados revelam a eficiência da metodologia proposta, a qual foi constatada através de um teste de significância estatística. A última abordagem foi tratada mediante o desenvolvimento de modelos para a composição de melodias através de duas perspectivas, na primeira perspectiva é usada uma caminhada controlada por critérios sobre redes complexas predefinidas e na segunda redes neurais recorrentes e sistemas dinâmicos caóticos. Nesta última perspectiva, o modelo é treinado para compor uma melodia com um valor preestabelecido de alguma característica tonal subjetiva através de uma estratégia de controle proporcional que modifica a complexidade de uma melodia caótica, melodia que atua como entrada de inspiração da rede. / The theory of complex networks has become increasingly a powerful computational tool capable of representing, characterizing and examining systems with non-trivial structure, revealing both local and global intrinsic structures that facilitate the understanding of the behavior and dynamics of such systems. In this thesis, the virtues of complex networks in solving problems related to tasks within the musical scope are explored. Specifically, three approaches are studied: pattern recognition, data mining, and synthesis. The first perspective is addressed by developing a method for extracting the rhythmic pattern of a piece of popular music. In that type of musical pieces, there coexist different types of rhythm patterns which constitute a hierarchy determined by functional aspects within the basic rhythm. The main rhythmic patterns are characterized by a higher incidence within the musical discourse and this factor is reflected in the formation of communities within the network constructed from the music piece. Community detection techniques are applied in the extraction of rhythmic patterns, and a measure to distinguish the main patterns of the secondary is proposed. The results showed that the quality of extraction is sensitive to the detection algorithm, the method of representing rhythm, and treatment of percussion lines when generating the network. Data mining is performed using topological measures over the network obtained after the removal of secondary patterns. Techniques of supervised and unsupervised learning are applied to discriminate the musical genre according to the attributes calculated in the data mining phase. The quantitative results show the efficiency of the proposed methodology, which is confirmed by a test of statistical significance. Regarding the melody generation, an algorithm using a walk controlled by criteria on predefined complex networks has been developed, as well as the development of melody composition models using recurrent neural networks and chaotic dynamical systems. In the last approach, the model is trained to compose a melody with a subjective characteristic melodic value pre-established by a proportional control strategy that acts on the parameters of a chaotic melody as input inspiration.

[pt] As estruturas civis durante toda a sua vida útil estão sujeitas a diversas ações de deterioração, desgastes ou corrosão de seus membros, que podem gerar variações em suas características físicas. Estas ações podem causar danos ao seu funcionamento, podendo chegar até ao colapso, em casos mais extremos. Além disso, o avanço tecnológico que permite a concepção de estruturas cada vez mais esbeltas, e que geram assim possíveis vibrações excessivas, elevam o monitoramento estrutural a um patamar de extrema importância e atenção na ótica dos gestores desses sistemas. Particularmente, no caso de obras de infraestrutura como pontes e passarelas, as grandes dimensões são características significativas que tornam as práticas de monitoramento e inspeção mais difíceis. Dessa forma, com o objetivo auxiliar no monitoramento estrutural e direcionar inspeções visuais, diversos métodos de identificação de danos são estudados com base nas características dinâmicas das estruturas, como as frequências naturais e os modos de vibração. A revisão de literatura, porém, demonstra que há uma dificuldade na aplicação desta identificação em estruturas mais complexas de grande porte. Assim, este trabalho visa estudar esta dificuldade e propor uma solução baseada na construção de um índice, composto pelos modos de vibração. Além disso, através da aplicação de algoritmos de aprendizado de máquina e de reconhecimento de padrões, como as Redes Neurais Artificiais (RNAs), propõese aumentar a eficiência do processo de localização espacial e quantificação dos danos. Em seguida, a metodologia proposta é, então, aplicada em um modelo de passarela metálica inspirado em uma estrutura real presente na região do Terminal Centro Olímpico da cidade do Rio de Janeiro – RJ. A identificação de danos é estudada através da aplicação do índice proposto, incorporando as redes neurais e avaliando do impacto da variação dos parâmetros da RNA na eficiência global da detecção. / [en] Civil structures are subjected to different deterioration and corrosion actions throughout their entire service life, which can generate variations in their physical characteristics. These actions can cause damage to its functioning, and possibly leading to collapse in more severe cases. In addition, technology development which allows the design of increasingly slender structures, can produce excessive vibrations, which elevates the importance ofstructural monitoring to a higher level from the perspective of infrastructure managers. Particularly, in the case of bridges and walkaways, due to their large dimensions make monitoring and inspection even more difficult. Thus, with the aim of providing methods to assist in structural monitoring and facilitate visual inspections, several damage identification methods are investigated, which are based on structures dynamic characteristics, such as natural frequencies and mode shapes. The conducted literature review revealed that there is a difficulty in applying these identification methods in large-scale and complex structures. Thus, this research aims to study these barriers and propose a solution based on the development of a new damage index based on the structure s mode shapes. Furthermore, through the application of machine learning algorithms and pattern recognition, such as Artificial Neural Networks (ANN), it is proposed to increase the efficiency of the damage identification and quantification process. Then, the proposed methodology is tested numerically on a steel footbridge model inspired by a real structure located in the region of the Olympic Center Terminal, in the city of Rio de Janeiro – RJ. The damage identification method is studied through the application of the proposed damage index, incorporating the neural network and assessing the impact of ANNs parameters variation in the global efficiency of the damage detection method.

[pt] Os veículos automatizados devem trafegar em determinado ambiente detectando, planejando e seguindo uma trajetória segura. De modo a se mostrarem mais seguros que seres humanos, eles devem ser capazes de executar essas tarefas tão bem ou melhor do que motoristas humanos sob diferentes condições críticas. Uma parte essencial no estudo de veículos automatizados o desenvolvimento de modelos representativos que sejam precisos e computacionalmente eficientes. Assim, para lidar com esses problemas, o presente trabalho aplica métodos de inteligência computational e identificação de sistemas para realizar modelagem de veículos e controle de rastreamento de trajetória. Primeiro, arquiteturas neurais são usadas para capturar as características do pneu na interação entre a dinâmica lateral e longitudinal do veículo, reduzindo o custo computacional em controladores preditivos. Em segundo lugar, uma combinação de modelos caixa-preta é usada para melhorar o controle preditivo. Em seguida, uma abordagem híbrida combina modelos baseados na física e orientados por dados com modelagem de caixa-preta das discrepâncias. Essa abordagem é escolhida para melhorar a precisão da modelagem de veículos, propondo um modelo de discrepância para capturar incompatibilidades entre modelos de veículos e dados medidos. Os resultados são mostrados quando os métodos propostos são aplicados a sistemas com dados simulados/reais e comparados com abordagens encontradas na literatura, mostrando um aumento de precisão (até 40 por cento) em termos de métricas baseadas em erro, com menor esforço computacional (redução de até 88 por cento) do que os controladores preditivos convencionais. / [en] Automated vehicles must travel in a given environment detecting, planning, and following a safe path. In order to be safer than humans, they must be able to perform these tasks as well or better than human drivers under different critical conditions. An essential part of the study of automated vehicles is the development of representative models that are accurate and computationally efficient. Thus, to cope with these problems, the present work applies artificial neural networks and system identification methods to perform vehicle modeling and trajectory tracking control. First, neural architectures are used to capture tire characteristics present in the interaction between lateral and longitudinal vehicle dynamics, reducing computational costs for predictive controllers. Secondly, a combination of black-box models is used to improve predictive control. Then, a hybrid approach combines physics-based and data-driven models with black-box modeling of the discrepancies. This approach is chosen to improve the accuracy of vehicle modeling by proposing a discrepancy model to capture mismatches between vehicle models and measured data. Results are shown when the proposed methods are applied to systems with simulated/real data and compared with approaches found in the literature, showing an increase of accuracy (up to 40 percent) in terms of error-based metrics while having lesser computational effort (reduction by up to 88 percent) than conventional predictive controllers.

[pt] Este trabalho apresenta um projeto mecânico de um robô lagartixa pneumática, capaz de se locomover em superfícies inclinadas em relação ao solo, através apenas de atuadores lineares que utilizam o ar comprimido como fonte de energia. Como parte fundamental do projeto mecânico neste trabalho, um sistema de garra é desenvolvido gerando vácuo mecanicamente, para haver uma economia de consumo energético no robô em comparação com os acessórios comerciais geralmente utilizados para esta tarefa de fixação. Com o protótipo de conceito fabricado e montado, o mesmo é submetido a uma bateria de testes com o intuito de posteriormente aplicar os dados obtidos em uma rede neural artificial, visando o aprendizado computacional dos movimentos do robô e, assim, sua otimização de velocidade em determinada sequência de movimentação. Após o treinamento desta rede neural, o protótipo é submetido a novos experimentos para verificar a eficiência do treinamento realizado e qual o impacto real obtido no robô. Finalmente, com a utilização de um sistema de câmeras, os deslocamentos do robô em diversas situações distintas são rastreados, visando gerar gráficos comparativos e analisar a repetibilidade e confiabilidade do sistema. / [en] This work presents the mechanical design of a pneumatic gecko robot, capable of moving on inclined surfaces with respect to the ground, using only linear actuators with compressed air as a source of energy. As a fundamental part of the mechanical design in this work, a claw system is developed by generating vacuum mechanically, significantly reducing the energy consumption of the robot when compared to commercial accessories generally used for this clamping task. With the concept prototype manufactured and assembled, a series of tests are conducted to later apply the collected data in an artificial neural network. This network allows the computational learning of the robot movements, and thus its speed optimization for a certain defined gait. After training this neural network, the prototype is submitted to new experiments to verify the efficiency of the training performed and the real impact obtained on the robot. Furthermore, with the use of a camera system, the movements of the robot along several different situations are tracked, generating comparative graphs to analyze the repeatability and reliability of the system.

O Sistema Especialista SISTEMAT foi construído com o objetivo de auxiliar os pesquisadores da área de produtos naturais na tarefa de determinação estrutural, estendendo-se também ao químico orgânico sintético. Seus programas aplicativos fornecem propostas de esqueletos fazendo uso dos dados de diversas técnicas espectrométricas, sendo que a espectrometria de ressonância magnética nuclear de 13C tem um papel de destaque entre as demais. Este trabalho descreve a utilização do SISTEMAT como uma ferramenta auxiliar na determinação estrutural de substâncias pertencentes às subclasses dos alcalóides quinolínicos, quinolizidínicos, aporfínicos, benzilisoquinolínicos, isoquinolínicos, pirrolizidínicos, acridônicos e indólicos. Para a realização deste trabalho foi construído um banco de dados contendo 1182 alcalóides, sendo todos coletados da literatura. Nestes 1182 alcalóides, estão presentes 1156 espectros de RMN 13C, 354 espectros de RMN 1H, 320 espectros de massas e as substâncias de origem vegetal estão distribuídos em 49 Famílias, 164 Gêneros e 260 Espécies. Os testes realizados forneceram bons percentuais de acertos para o reconhecimento de esqueletos. Outro programa utilizado neste trabalho foi o de redes neurais artificiais. As redes foram treinadas para auxiliar na determinação estrutural dos alcalóides aporfínicos, fornecendo a probabilidade de uma determinada substância pertencer ao esqueleto pesquisado. Para utilização das redes neurais foi construída uma planilha com os deslocamentos químicos de RMN 13C, de 165 alcalóides aporfínicos, pertencentes a 12 esqueletos diferentes. A rede forneceu ótimos resultados, classificando os esqueletos com alto grau de confiabilidade. / The Expert System SISTEMAT was built with the objective of aiding the researchers of the area of natural products in the task of structural determination, also extending to the synthetic organic chemist. Their applications programs supply proposed of skeletons making use of the data of several techniques spectrometrics, and the 13C NMR has a main paper among the others. This work describes the use of SISTEMAT as an auxiliary tool in the structural determination of substances belonging to the underclass of the alkaloids quinoline, quinolizidine, aporphine, benzylisoquinoline, isoquinoline, pyrrolizidine, acridone and indoles. For the accomplishment of this work a database was built containing 1182 alkaloids, being all collected of the literature. In these 1182 alkaloids, are present 1156 spectra of 13C NMR, 354 spectra of RMN 1:00, 320 spectra of masses and the substances of botanical origin are distributed in 49 Families, 164 Genders and 260 Species. They were accomplished around 100 tests, of which 30 are presented in this thesis. These tests supplied good percentile of the successes for the recognition of skeletons. Another program used in this work the one of nets artificial neurais, in which the nets were trained to aid in the structural determination of the aporphine alkaloids was, supplying the probability of a certain substance to belong to the researched skeleton. For use of the nets neurais a spreadsheet was built with the chemical displacements of 13C NMR, of 165 aporphine alkaloids, belonging to 12 different skeletons. The net supplied great results, classifying the skeletons with high reliability degree.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo para reconhecer e reproduzir padrões de viagens encadeadas a pé. O processo de modelagem foi conduzido através da aplicação das técnicas das Redes Neurais Artificiais (RNAs), utilizando-se de uma rede estática MLP e de rede dinâmica Elman. A análise do desempenho do modelo foi baseada nos dados de uma pesquisa de Origem-Destino realizada, em 1987, pelo METRÔ-SP na Região Metropolitana de São Paulo. Na modelagem foi fixado o modo de viagem a pé, e, na abordagem seqüencial, padrões de viagens individuais foram representados em termos de dois componentes: duração da viagem e tipo de atividades. A análise foi realizada partindo da classificação geral e específica para cada segmento do encadeamento de viagens, o que permitiu a comparação dos resultados entre padrões de viagens observados e os reproduzidos pelas redes. Na classificação geral, cinco dos padrões previstos com maior freqüência pelas RNAs representaram em média 58,9% dos indivíduos no conjunto de dados usado para testar o desempenho do modelo. Para o vetor de duas e quatro viagens, as redes neurais reproduziram 50% das durações de viagem e 90% das atividades, tais como Trabalho e Escola. Embora esses resultados não pareçam muito robustos, não significa que eles estejam errados. As porcentagens acima representam a probabilidade de uma pessoa realizar viagens com aquelas durações ou tipo de atividades. / The main objective of this work was to develop a model for recognizing and reproduzing trip-chaining patterns by walk. The process of modeling was conducted applying the techniques of Artificial Neural Networks (ANNs), by using one of the static networks MLP and the Elman dynamic network. The analysis of the performance of the model was based on the origin-destination home-interview survey carried out by METRÔ-SP in São Paulo Metropolitan Area in 1987. The mode of trip by walk was fixed in the model, and, in the sequential approach, individual travel patterns were represented in terms of two components: trip duration and activity type. The analysis was accomplished starting from the general and specific classifications for each segment of the chained trips, which allowed the comparison of the results between the observed travel patterns and reproduced ones through ANNs. In general classification, 5 of the patterns most frequently predicted by the ANNs represented 58.9% of the individuals in the dataset used for testing the model performance. For the vectors of two and four trips, the neural networks reproduced 50% of trip durations and 90% of the activities, such as work and school. Although those results seem not so robust, it does not mean that they are wrong. The percentages above represent the probability of a person making trips with those durations or type of activities.

Este trabalho apresenta um sistema computacional que utiliza técnicas de Aprendizado de Máquina (AM) para auxiliar o diagnóstico oftalmológico. Trata-se de um sistema de medidas objetivas e automáticas dos principais vícios de refração ocular, astigmatismo, hipermetropia e miopia. O sistema funcional desenvolvido aplica técnicas convencionais de processamento a imagens do olho humano fornecidas por uma técnica de aquisição chamada Hartmann-Shack (HS), ou Shack-Hartmann (SH), com o objetivo de extrair e enquadrar a região de interesse e remover ruídos. Em seguida, vetores de características são extraídos dessas imagens pela técnica de transformada wavelet de Gabor e, posteriormente, analisados por técnicas de AM para diagnosticar os possíveis vícios refrativos presentes no globo ocular representado. Os resultados obtidos indicam a potencialidade dessa abordagem para a interpretação de imagens de HS de forma que, futuramente, outros problemas oculares possam ser detectados e medidos a partir dessas imagens. Além da implementação de uma nova abordagem para a medição dos vícios refrativos e da introdução de técnicas de AM na análise de imagens oftalmológicas, o trabalho contribui para a investigação da utilização de Máquinas de Vetores Suporte e Redes Neurais Artificiais em sistemas de Entendimento/Interpretação de Imagens (Image Understanding). O desenvolvimento deste sistema permite verificar criticamente a adequação e limitações dessas técnicas para a execução de tarefas no campo do Entendimento/Interpretação de Imagens em problemas reais. / This work presents a computational system that uses Machine Learning (ML) techniques to assist in ophthalmological diagnosis. The system developed produces objective and automatic measures of ocular refraction errors, namely astigmatism, hypermetropia and myopia from functional images of the human eye acquired with a technique known as Hartmann-Shack (HS), or Shack-Hartmann (SH). Image processing techniques are applied to these images in order to remove noise and extract the regions of interest. The Gabor wavelet transform technique is applied to extract feature vectors from the images, which are then input to ML techniques that output a diagnosis of the refractive errors in the imaged eye globe. Results indicate that the proposed approach creates interesting possibilities for the interpretation of HS images, so that in the future other types of ocular diseases may be detected and measured from the same images. In addition to implementing a novel approach for measuring ocular refraction errors and introducing ML techniques for analyzing ophthalmological images, this work investigates the use of Artificial Neural Networks and Support Vector Machines (SVMs) for tasks in Image Understanding. The description of the process adopted for developing this system can help in critically verifying the suitability and limitations of such techniques for solving Image Understanding tasks in \"real world\" problems.

Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Resumo: O reconhecimento de atividades humanas abrange diversas técnicas de classificação que permitem identificar padrões específicos do comportamento humano no momento da ocorrência. A identificação é realizada analisando dados gerados por diversos sensores corporais, entre os quais destaca-se o acelerômetro, pois responde tanto à frequência como à intensidade dos movimentos. A identificação de atividades é uma área bastante explorada. Porém, existem desafios que necessitam ser superados, podendo-se mencionar a necessidade de sistemas leves, de fácil uso e aceitação por parte dos usuários e que cumpram com requerimentos de consumo de energia e de processamento de grandes quantidades de dados. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento do Sistema de Reconhecimento de atividades Humanas e Avaliação do Equilíbrio Postural, denominado SIRAH. O sistema está baseado no uso de um acelerômetro localizado na cintura do usuário. As duas fases do reconhecimento de atividades são apresentadas, fase Offline e fase Online. A fase Offline trata do treinamento de uma rede neural artificial do tipo perceptron de três camadas. No treinamento foram avaliados três estudos de caso com conjuntos de atributos diferentes, visando medir o desempenho do classificador na diferenciação de 3 posturas e 4 atividades. No primeiro caso o treinamento foi realizado com 15 atributos, gerados no domínio do tempo, com os que a rede neural artificial alcançou uma precisão de 94,40%. No segundo caso foram gerados 34 ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

As redes ópticas passivas (PON), em virtude da oferta de maior largura de banda a custos relativamente baixos, vêm se destacando como possível candidata para suprir a demanda dos novos serviços como, tráfego de voz, vídeo, dados e de serviços móveis, exigidos pelos usuários finais. Uma importante candidata, para realizar o controle de acesso nas PONs, é a técnica de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA), por apresentar características relevantes, como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. No entanto, agentes físicos externos, como as variações de temperatura ambiental no enlace, exercem uma influência considerável sobre as condições de operação das redes ópticas. Especificamente, nas OCDMA-PONs, os efeitos da variação de temperatura ambiental no enlace de transmissão, afetam o valor do pico do autocorrelação do código OCDMA a ser detectado, degradando a qualidade de serviço (QoS), além do aumento da taxa de erro de bit (BER) do sistema. O presente trabalho apresenta duas novas propostas de técnicas, utilizando sistemas inteligentes, mais precisamente, controladores lógicos fuzzy (FLC) aplicados nos transmissores e nos receptores das OCDMA-PONs, com o objetivo de mitigar os efeitos de variação de temperatura. Os resultados das simulações mostram que o desempenho da rede é melhorado quando as abordagens propostas são empregadas. Por exemplo, para a distância de propagação de 10 km e variações de temperatura de 20°C, o sistema com FLC, suporta 40 usuários simultâneos com a BER = 10-9, enquanto que, sem FLC, acomoda apenas 10. Ainda neste trabalho, é proposta uma nova técnica de classificação de códigos OCDMA, com o uso de redes neurais artificiais, mais precisamente, mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), importante para que o sistema de gerenciamento da rede possa oferecer uma maior segurança para os usuários. Por fim, sem o uso de técnica inteligente, é apresentada, uma nova proposta de código OCDMA, cujo formalismo desenvolvido, permite generalizar a obtenção de código com propriedades distintas, como diversas ponderações e comprimentos de códigos. / Passive optical networks (PON), due to the provision of higher bandwidth at relatively low cost, have been excelling as a possible candidate to meet the demand of new services, such as voice traffic, video, data and mobile services, as required by end users. An important candidate to perform access control in PONs, is the Optical Code-Division Multiple-Access (OCDMA) technique, due to relevant characteristics, such as improved security and flexible capacity on demand. However, external physical agents, such as variations in environmental temperature on the Fiber Optic Link, have considerable influence on the operating conditions of optical networks. Specifically, in OCDMA-PONs, the effects of environmental temperature variation in the transmission link affect the peak value on the autocorrelation of the OCDMA code to be detected, degrading the quality of service (QoS), in addition to increasing the Bit Error Rate (BER) of the system. This thesis presents two new proposals of techniques using intelligent systems, more precisely, Fuzzy Logic Controllers (FLC) applied on the transmitters and receivers of OCDMA-PONs, in order to mitigate the effects of temperature variation. The simulation results show that the network performance is improved when the proposed approaches are employed. For example, for the propagation distance of 10 kilometers and temperature variations of 20°C, the FLC system supports 40 simultaneous users at BER = 10-9, whereas without the FLC, the system can accommodate only 10. Furthermore, in this work is proposed a new technique of OCDMA codes classification, using Artificial Neural Networks (ANN), more precisely, the Self-Organizing Maps (SOM) of Kohonen, important for the network management system to provide increased security for users. Finally, without the use of intelligent technique, it is presented a new proposal of OCDMA code, whose formalism developed, allows to generalize the code acquisition with distinct properties, such as different weights and length codes.

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