Orientador: Maria de Lourdes Bueno Trindade Galo / Coorientador: Enner Herenio de Alcântara / Coorientador: Milton Hirokazu Shimabukuro / Banca: Paulo Cesar Rocha / Banca: Arcilan Trevenzoli Assireu / Resumo: A qualidade da água e o estado trófico de um lago é um problema particularmente grave em reservatórios, considerando que a construção da barragem altera significativamente as condições físicas, químicas e biológicas do ecossistema aquático. Séries temporais de imagens de sensoriamento remoto, as quais possibilitam uma visão sinóptica e melhor resolução temporal e espectral, permitem estudar o fenômeno trófico em grandes reservatórios e avaliar a variabilidade dos componentes opticamente ativos da água associados aos processos tróficos a partir de padrões periódicos de sazonalidade e tendência. O presente trabalho foi desenvolvido no reservatório de Porto Primavera localizado no rio Paraná, e constou, inicialmente, da calibração de modelos empíricos para relacionar os valores de reflectância de sensoriamento remoto e com medidas obtidas in situ de variáveis opticamente ativas (clorofila-a - Chl-a, totais de sólidos suspensos - TSS e profundidade do Disco de Secchi - PDS) e da estimativa do Índice de Estado Trófico por meio da concentração de clorofila-a (IET (Chl-a)). Modelos empíricos validados para as variáveis foram aplicados a imagens do sensor MODIS/Terra, referentes ao produto de reflectância de superfície MOD09 e extrapolados para o período de maio de 2000 a abril de 2015 gerando-se as séries temporais para cada uma delas. A fim de analisar a dinâmica espacial e temporal das variáveis opticamente ativas foram utilizadas técnicas de visualização de dados uni e multivariados. A análise das séries temporais mostrou que todas as variáveis observadas apresentam considerável variabilidade sazonal e, pelas imagens MODIS, verificou-se que os valores do IET (Chl-a) na desembocadura dos rios Pardo e Peixe foram consistentemente mais elevados... / Abstract: The quality and trophic state of the water are critical problems in lentic environments such as hydroelectric reservoirs. These man-made constructions alter the natural environment and the physical, chemical and biological water characteristics. Time series of remote sensing images, which provide a synoptic view and suitable temporal and spectral resolution, allow studying the trophic phenomena in large artificial lakes and evaluate the variability of optically active components associated with trophic processes from periodic patterns of seasonality and trend. This work was developed in the Porto Primavera reservoir located in the Paraná River on the border between Mato Grosso do Sul and São Paulo states, Brazil. Its development consisted at first, of the calibration of empirical models to relate remote sensing reflectance values and in situ measurements of optically active variables (chlorophyll-a - Chl-a, total suspended solids - TSS and Secchi disk depth - SDD) and the estimation of Trophic State Index by means of concentration of chlorophyll-a (TSI (Chl-a)). Empirical models calibrated for the variables were applied to images from MODIS/Terra, referring to surface reflectance product MOD09 and they were extrapolated for the period from May 2000 to April 2015, generating the time series for each of them. In order to analyze the spatial and temporal dynamics of the optically active variables were used visualization techniques for univariate and multivariate data. The analysis of time series showed that all observed variables present considerable seasonal variability. MODIS images indicated TSI (Chla)... / Doutor

Esta dissertação testa e compara dois tipos de modelagem para previsão de uma mesma série temporal. Foi observada uma série temporal de distribuição de energia elétrica e, como estudo de caso, optou-se pela região metropolitana do Estado da Bahia. Foram testadas as combinações de três variáveis exógenas em cada modelo: a quantidade de clientes ligados na rede de distribuição de energia elétrica, a temperatura ambiente e a precipitação de chuvas. O modelo linear de previsão de séries temporais utilizado foi um SARIMAX. A modelagem de inteligência computacional utilizada para a previsão da série temporal foi um sistema de Inferência Fuzzy. Na busca de um melhor desempenho, foram feitos testes de quais variáveis exógenas melhor influenciam no comportamento da energia distribuída em cada modelo. Segundo a avaliação dos testes, o sistema Fuzzy de previsão foi o que obteve o menor erro. Porém dentre os menores erros, os resultados dos testes também indicaram diferentes variáveis exógenas para cada modelo de previsão. / This dissertation tests and compares two types of predicting models to the same time series. A time series of electricity distribution was observed and, as a case study, were opted for the metropolitan region of Bahia State. Three exogenous variables were tested in each model: the number of customers connected to the electricity distribution network, the temperature and the precipitation of rain. The linear model time series forecasting used was a SARIMAX. The modelling of computational intelligence used to predict the time series was a Fuzzy Inference System. For better performance, in each model was tested all the exogenous variables to fit the influence in the energy distributed. According to the evaluation of the tests, the Fuzzy forecasting system presented the lowest error. But among the smallest errors, the results of the tests also indicated different exogenous variables for each forecast model.

Para qualquer sistema observado, físico ou qualquer outro, geralmente se deseja fazer predições para sua evolução futura. Algumas vezes, muito pouco é conhecido sobre o sistema. Se uma série temporal é a única fonte de informação no sistema, predições de valores futuros da série requer uma modelagem da lei da dinâmica do sistema, talvez não linear. Um interesse em particular são as capacidades de previsão do modelo global para análises de séries temporais. Isso pode ser um procedimento muito complexo e computacionalmente muito alto. Nesta dissertação, nos concetraremos em um determinado caso: Em algumas situações, a única informação que se tem sobre o sistema é uma série sequencial de dados (ou série temporal). Supondo que, por detrás de tais dados, exista uma dinâmica de baixa dimensionalidade, existem técnicas para a reconstrução desta dinâmica.O que se busca é desenvolver novas técnicas para poder melhorar o poder de previsão das técnicas já existentes, através da programação computacional em Maple e C/C++.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Como as doenças cardiovasculares (DCV) constituem a principal causa de morte na maioria dos países e as tendências de mortalidade não se apresentam totalmente elucidadas nos países em desenvolvimento, torna-se adequado explorar a evolução da mortalidade das DCV, dando ênfase ao acidente vascular cerebral (AVC) no Brasil. Devido à prevalência de AVC e também devido à associação causal entre sobrepeso ou obesidade e AVC não ser clara, é importante avaliar o efeito da perda de peso na prevenção primária de AVC. Baseado no fato do rimonabant ser a primeira droga de uma nova classe de medicamentos promissora não apenas na redução de peso, mas por sua influência sobre os fatores de risco cardiovascular, torna-se pertinente estabelecer sua eficácia e segurança. Inicialmente, para traçar um panorama sobre a epidemiologia das DCV no Brasil, com ênfase em AVC, foram realizados dois estudos com as tendências temporais de mortalidade por DCV ao longo das três últimas décadas, investigando as diferenças entre as regiões do país e entre indivíduos de diversas faixas etárias e de ambos os sexos, (artigo I e II). Além disso, duas revisões sistemáticas foram realizadas: uma para avaliar o efeito da perda de peso na prevenção primária de AVC; a segunda para investigar o uso do medicamento rimonabant no tratamento da obesidade (artigo III e IV). As taxas de mortalidade de AVC diminuíram substancialmente nas últimas três décadas, de 68,2 a 40,9 por 100 000 habitantes. Essa redução foi detectada em ambos os sexos de todas as faixas etárias, e nas diferentes regiões do país, sendo mais acentuadas nas regiões mais ricas (artigo I). A mesma tendência foi observada nas demais DCV, que em geral apresentaram uma redução anual média de 3,9%. As maiores reduções foram encontradas para AVC (média de 4,0% ao ano) seguido por doença coronariana (média de 3,6% ao ano) (artigo II). Não existem estudos avaliando o efeito da redução de peso na prevenção primária de AVC (artigo III). Houve um efeito doseresposta com o uso do rimonabant: comparado com placebo, 20 mg da droga produziu uma redução de peso maior (4,9 kg) em 4 ensaios clínicos com duração de 1 ano. Foram observadas melhoras nos marcadores de risco cardiovascular. Porém 5 mg comparado com placebo mostrou apenas uma redução de 1,3 kg a mais do peso. A maior dose também provocou maiores efeitos adversos. Perdas no seguimento foram de aproximadamente 40% (artigo IV). Durante as últimas décadas, a mortalidade por DCV em geral e AVC diminiu consistentemente no Brasil, porém a magnitude do declínio variou de acordo com as diferenças socioeconômicas. Amplas intervenções poderiam ter mais êxito se planejadas de acordo com as desigualdades sociais e diferenças culturais. Os achados apontam para a necessidade da realização de ensaios clínicos randomizados controlados avaliando a perda de peso na prevenção primária do AVC, devido à alta relevância dessa condição. Como intervenções não são totamente eficazes no tratamento da obesidade, a prevenção, englobando um conjunto articulado de ações, permanece a forma mais eficiente de controlá-la. O medicamento rimonabant apresentou modesta perda de peso, porém os resultados obtidos devem ser interpretados com cautela de acordo com as deficiências na qualidade metodológica apresentadas por todos os estudos. São necessárias pesquisas de alta qualidade para avaliar a eficácia e a segurança do rimonabant em períodos mais longos. / Cardiovascular diseases (DCV) are the leading cause of death in the world. Although mortality rates declined gradually in developed countries, the scenario is less clear in developing countries. We describe the trends in cardiovascular mortality in Brazil foccusing on stroke. Given the prevalence of stroke and the enormous health and economic cost of the disease, and the causal association between overweight or obesity and stroke is unclear, it is important to evaluate the effect of the weight loss in the primary prevention of stroke. Due to the fact that rimonabant is the first drug of a new class promising not only for weight reduction but also for the reduction of cardiovascular risk factors, it is important to establish its possible efficacy and safety. Firstly, to better understand current epidemiological aspects of CVD in Brazil, focusing on stroke, two studies were carried out evaluating the secular trends of CVD mortality along the last three decades and possible differences according to social and regional disparities, gender and age distribution (articles I and II). Two systematic revisions were carried out: one evaluating the effect of weight loss in the primary prevention of stroke and the other investigating the use of rimonabant in the treatment of obesity (articles III and IV). Stroke mortality rates decreased consistently in the last 3 decades, from 68.2 to 40.9 per 100 000 habitants. The reduction was detected in men and women and in all age strata being evident in all geopolitical regions of the Country, with the wealthiest regions exhibiting more marked reductions (article I). The same trend was observed for all CVD, with a mean annual reduction of 3.9%. The largest average decline found was for stroke (mean of 4.0% per year) followed by coronary disease (mean of 3.6% per year) (article II). There are no studies evaluating the effect of the weight reduction in the primary prevention of stroke (article III). The results concerning the drug rimonabant showed a dose-response effect: compared with placebo, 20 mg produced a greater weight loss (4.9 kg) in 4 clinical trials with 1 year of follow-up. Improvements in cardiomatabolic risk factors were also seen. However, 5 mg only led to a slightly increased weight reduction (1.3 kg more than placebo). Rimonabant 20 mg caused significantly more adverse effects. Attrition rates were approximately 40% (article IV). CVD and stroke consistently decreased in Brazil during the last decades. The reduction is in apparent relationship with indices of increasing social development. Broad interventions may be more succesful if planed according to social inequality and cultural differences. The findings point to the need of randomized controlled clinical trials specifically addressing the effects of weight loss in the primary prevention of stroke, due to the great importance of this condition. As interventions are not totally effective in the treatment of the obesity, prevention remains the most valuable tool to control its harmful effects. Rimonabant could produce modest weight loss. Some caution with the observerd results should be take account since the studies presented some deficiencies in the methodological quality. More methodologically rigorous studies that are powered to examine efficacy and safety are required.

efeitos são frequentemente observados na morbidade e mortalidade por doenças respiratórias e cardiovasculares, câncer de pulmão, diminuição da função respiratória, absenteísmo escolar e problemas relacionados com a gravidez. Estudos também sugerem que os grupos mais suscetíveis são as crianças e os idosos. Esta tese apresenta estudos sobre o efeito da poluição do ar na saúde na saúde na cidade do Rio de Janeiro e aborda aspectos metodológicos sobre a análise de dados e imputação de dados faltantes em séries temporais epidemiológicas. A análise de séries temporais foi usada para estimar o efeito da poluição do ar na mortalidade de pessoas idosas por câncer de pulmão com dados dos anos 2000 e 2001. Este estudo teve como objetivo avaliar se a poluição do ar está associada com antecipação de óbitos de pessoas que já fazem parte de uma população de risco. Outro estudo foi realizado para avaliar o efeito da poluição do ar no baixo peso ao nascer de nascimentos a termo. O desenho deste estudo foi o de corte transversal usando os dados disponíveis no ano de 2002. Em ambos os estudos foram estimados efeitos moderados da poluição do ar. Aspectos metodológicos dos estudos epidemiológicos da poluição do ar na saúde também são abordados na tese. Um método para imputação de dados faltantes é proposto e implementado numa biblioteca para o aplicativo R. A metodologia de imputação é avaliada e comparada com outros métodos frequentemente usados para imputação de séries temporais de concentrações de poluentes atmosféricos por meio de técnicas de simulação. O método proposto apresentou desempenho superior aos tradicionalmente utilizados. Também é realizada uma breve revisão da metodologia usada nos estudos de séries temporais sobre os efeitos da poluição do ar na saúde. Os tópicos abordados na revisão estão implementados numa biblioteca para a análise de dados de séries temporais epidemiológicas no aplicativo estatístico R. O uso da biblioteca é exemplificado com dados de internações hospitalares de crianças por doenças respiratórias no Rio de Janeiro. Os estudos de cunho metodológico foram desenvolvidos no âmbito do estudo multicêntrico para avaliação dos efeitos da poluição do ar na América Latina o Projeto ESCALA. / Air pollution is a public health problem in major urban areas and its effects are frequently observed in the morbidity and mortality due respiratory and cardiovascular causes, lung cancer, decreasing in the respiratory function, school absenteeism, and pregnancy outcomes. This thesis presents studies on the effects of air pollution on health in the Rio de Janeiro city and tackle some methodological issues on data analysis and missing data imputation in epidemiologic time series. Daily time series were used to estimate the effect of the air pollution on deaths among the elderly due to lung cancer during 2000 and 2001. The purpose of the study was to evaluate if air pollution is associated with premature deaths of people that already are in risk population. Another study was conducted to assess the relationship between air pollution and low birth weight of singleton full term babies. A crosssectional design was used on data available during the year 2002. Moderate effects of the air pollution were estimated in both studies. Methodological aspects of epidemiologic studies on air pollution are also approached. A data imputation method is presented and implemented as library for the statistical package R. The imputation methodology is evaluated and compared to others often used for data imputation in time series of air pollutant concentrations, through simulation techniques. The proposed method has shown best performance compared to those traditionally used. A brief review on the methodology used in the time series studies on the effects of air pollution on health is also presented. The issues approached in the review are also implemented as a library for the analysis of epidemiologic time series in R. The use of the library is exemplified with the analysis on the data of hospital admissions of children due to respiratory causes in the city of Rio de Janeiro. The methodological studies were carried out under the umbrella of the multi-city study to assess the effects of air pollution on health in the Latin America the ESCALA Project.

Estudamos nesta dissertação o tempo de recorrência em sistemas dinâmicos, concentrando-nos na estatística do tempo de retorno. Calculamos numericamente a distribuição de tempo de retorno a uma região específica do espaço de fases de sistemas caóticos e comparamos com a distribuição binomial, deduzida para um processo aleatório. Os principais resultados obtidos foram: surgimento do efeito que denominamos memória de curto alcance, típico de sistemas determinísticos e associado à distribuição das órbitas periódicas instáveis; a distribuição de tempo de retorno caracteriza as principais propriedades temporais no caso de sistemas intermitentes. As conexões do tempo de retorno com regimes de transporte anômalo foram apresentadas, ressaltando suas limitações. O tempo de retorno foi utilizado ainda para analisar séries temporais, obtidas tanto de um modelo de mistura de um contaminante escalar passivo, como experimentalmente no plasma confinado magnéticamente. No primeiro caso constatamos que os retornos da série temporal assemelham-se às recorrências no espaço de fases do sistema dinâmico responsável pela mistura do contaminante: o mapa padrão com fase aleatória. Constatamos o surgimento de caudas de lei de potência na distribuição de tempo de retorno e calculamos sua dependência com o aumento da não linearidade e da aleatoriedade do sistema. Destacamos o efeito de múltiplas caudas de lei de potência, ausente no caso das distribuições obtidas no espaço de fases. Às séries obtidas em Tokamaks aplicamos o modelo de cascata log-normal para explicar sua função densidade de probabilidade. A distribuição de tempo de retorno destas séries mostrou estar diretamente relacionada com a correlação de curto e longo alcance presente na série. / We study the recurrence time in dynamical systems. The statistics of the recurrence time to a specific region of the phase space of chaotic dynamical systems were obtained numerically and compared with the binomial-like distribution, deduced for a random process. The main results are: the presence of the so called short time memory effect, typical for deterministic systems and related to the distribution of the unstable periodic orbits; the return time distribution captures the main temporal properties of intermittent systems. The possible connections of the recurrence time statistics to the anomalous transport were presented, with special attention to their limitations. The return time statistics was applied to analyze time series obtained from an Hamiltonian model and from magnetically confined plasma. In the first case we noticed that the recurrences of the series were similar to the recurrences obtained in the phase space of the Hamiltonian dynamical system: the standard map with a random phase. We analyze the dependence of the power-law tails of the distributions with the non-linearity and with the randomness of the system. One effect that appears only in the time series case is the multiple power law tails. We apply the log-normal cascade model to explain the probability density function of the series obtained in Tokamaks. The recurrence time statistics of the series is closely related to the short and long time correlation present on the series.

The present work aims at discussing the main theoretical aspects related to the occurrence of long memory processes and its respective application in economics and finance. In order to discuss the main theoretical aspects of its occurrence, it is worth starting from the complex systems approach and emergent phenomena, keeping in mind that many of these are computationally irreducible. In other words, the current state of the system depends on all previous states, in such a way that any change in the initial configuration must cause a significant difference in all posterior states. That is, there is a persistence of information over time - this is a concept directly related to long memory processes. Hence, based on complex systems simulations, three factors (possibly there are many others) were related to the rise of long memory processes: agents\' heterogeneity, occurrence of large deviations from the steady states (in conjunction with the motion laws of each system) and spatial complexity (which must influence on information propagation and on the dynamics of agents competition). In relation to the applied knowledge, first it is recognized that the explanatory factors for the rise of long memory processes are common to the structures/characteristics of real markets and it is possible to identify potential stylized facts when filtering the long memory components from time series - a considerable part of information present in time series is a consequence of the autocorrelation structure, which is directly related to the specificities of each market. Given that, in this thesis was developed a new risk contagion technique that does not need any further intervention. This technique is basically given by the calculation of rolling correlations between long memory filtered series of the conditional variances for different economies, such that these filtered series contain the stylized facts (risk peaks), free from possible overreactions caused by market idiosyncrasies. Then, based on the identification of risk contagion episodes related to the 2007/2008 Subprime Crisis in the U.S. and its respective contagion to the Brazilian economy, it was filtered out from the conditional variance of the Brazilian assets (which are an uncertainty measure) aiming at eliminating the contagion episodes and, consequently, it was made a counterfactual projection of what would have happened to the Brazilian economy if the risk contagion episodes had not occurred. Moreover, in conjunction with the evolutionary trend of the Brazilian economy prior to the crisis, it is possible to conclude that 70% of the economic crisis posterior to the 2008 events was caused by macroeconomic policies and only 30% is due to the effects of risk contagion episodes from the U.S. / O presente trabalho tem como objetivo discutir os principais aspectos teóricos ligados à ocorrência dos processos de memória longa e sua respectiva aplicação em economia e finanças. Para discutir os principais aspectos teóricos da sua ocorrência, recorre-se primeiramente à abordagem de sistemas complexos e fenômenos emergentes, tendo em vista que muitos destes são irredutíveis computacionalmente, ou seja, o estado atual do sistema depende de todos os estados anteriores, tal que, qualquer mudança nos instantes iniciais deve causar significativa diferença nos estados posteriores. Em outras palavras, há uma persistência da informação - conceito este intimamente ligado à memória longa. Portanto, com base em simulações de sistemas complexos computacionais, três fatores (podendo haver outros mais) foram relacionados ao surgimento de processos de memória longa: heterogeneidade dos agentes, ocorrência de grandes desvios do equilíbrio do sistema (em consonância com as respectivas leis do movimento de cada sistema estudado) e a complexidade espacial (que deve influenciar na propagação da informação e na dinâmica competitiva dos agentes). Em relação à aplicação do conhecimento, primeiro é reconhecido que os fatores explicativos para o surgimento de processos de memória longa são inerentes a estruturas/características de mercados reais e que é possível identificar potenciais fatos estilizados, ao filtrar as componentes de memória longa de séries temporais - grande parte da informação presente nas séries é função da estrutura de autocorrelação que advém das especificidades de cada mercado. Com base nisso, nesta tese foi desenvolvida uma nova técnica de estimação de contágio de risco, que não necessita intervenções adicionais, tendo em vista a identificação prévia de potenciais fatos estilizados em diferentes economias, utilizando as séries filtradas de variância condicional, tal que a partir destas séries filtradas é calculada uma correlação com horizonte móvel de observações entre choques (picos de risco) de curto prazo livres de possíveis reações causadas por idiossincrasias de cada mercado. Posteriormente, com base na identificação dos episódios ligados à Crise do Subprime de 2007/2008 nos Estados Unidos e seu respectivo contágio para a economia brasileira, filtrou-se a variância condicional dos ativos brasileiros (que é uma medida de incerteza), objetivando-se eliminar os eventos de contágio e, consequentemente, foi feita uma projeção contrafactual da evolução da economia, caso os episódios da crise não tivessem ocorrido. Com base nestes dados e com uma análise da tendência evolutiva da economia brasileira no período anterior à crise, constatou-se que 70% da crise econômica vivenciada no Brasil no período pós-2008 é decorrente de falhas na condução da política macroeconômica e somente 30% decorre dos efeitos do cenário externo na economia.

The main goal of this study is to propose a methodology that measures directed relations between locally stationary processes. Unlike stationary processes, locally stationary processes may present sudden pattern changes and have local characteristics in specific intervals. This behavior causes instability in measures based on Fourier transforms. The relevance of this study relies on considering these processes and propose robust methodologies that are not affected by outliers, sudden pattern changes or local behavior. We start reviewing the Partial Directed Coherence (PDC) and the Wavelet Coherence. PDC measures the directed relation between components of a multivariate stationary Vector Autoregressive (VAR) model in the frequency domain, while Wavelet Coherence is based on complex wavelets decomposition. We then propose a causal wavelet decomposition of the covariance structure for bivariate locally stationary processes: the Directed Wavelet Covariance (DWC). Compared to Fourier-based quantities, wavelet-based estimators are more appropriate for non-stationary processes and processes with local patterns, outliers and rapid regime changes like in EEG experiments with the introduction of stimuli. We then propose its estimators and calculate its expectation and analyze its variance. Next we propose a decomposition for the variance of multivariate processes with more than two components: the Partial Directed Wavelet Covariance (pDWC). Considering a N-variate locally stationary process, the pDWC calculates the Directed Wavelet Covariance of X_1(t) with X_2(t) eliminating the effect of the other components X_3(t), ... ,X_N(t). We propose two approaches to this situation. First we filter the multivariate process to remove all the exogenous influences and then we calculate the directed relation between the components. In the second case, as in Partial Directed Coherence, we consider the multivariate process as a time-varying Vector Autoregressive Model (tv-VAR) and use its coefficients in the decomposition of the covariance function to isolate the effects of the other components. We also compare results of the PDC, Wavelet Coherence and Directed Wavelet Covariance with simulated data. Finally, we present an application of the proposed Directed Wavelet Covariance and Partial Directed Wavelet Covariance on EEG data. Simulation results show that the proposed measures capture the simulated relations. The pDWC with linear filter has shown more stable estimations than the proposed pDWC considering the tv-VAR. Future studies will discuss the DWC\'s and pDWC\'s asymptotic distributions and significance tests. The proposed Directed Wavelet Covariance decomposition is a different approach to deal with non-stationary processes in the context of causality. The use of wavelets is a gain and adds to the number of studies that can be addressed when Fourier transform does not apply. The pDWC is an alternative for multivariate processes and it removes linear influences from observed external components. / O objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para mensurar o impacto direcionado entre processos localmente estacionários. Diferente de processos estacionários, processos localmente estacionários podem apresentar mudanças bruscas e características específicas em determinados intervalos. Tal comportamento pode causar instabilidade em medidas baseadas na transformada de Fourier. A importância deste estudo se dá em englobar processos com tais características, propondo metodologias robustas que não são afetadas pela existência de mudanças bruscas, pontos discrepantes e comportamentos locais. Inicialmente apresentamos conceitos já existentes na literatura, como a Coerência Parcial Direcionada (PDC) e a Coerência de Ondaletas. A PDC mede o impacto direcionado entre componentes de um modelo vetorial autoregressivo (VAR) no domínio da frequência. A coerência de ondaletas é baseada em transformadas complexas de ondaletas. Propomos então uma decomposição no domínio de ondaletas para a estrutura de covariância de processos bivariados localmente estacionários: a Covariância Direcionada de Ondaletas (DWC). Em comparação com as quantidades baseadas na tranformada Fourier, os estimadores baseados em ondaletas são mais apropriados para processos não estacionários com padrões locais, pontos discrepantes ou mudanças rápidas de regime, como em experimentos de eletroencefalograma (EEG) com a introdução de estímulo. Ainda, propomos um estimador para a DWC, calculamos a esperança deste estimador e avaliamos sua variância. Em seguida, propomos uma quantidade análoga à DWC para processos multivariados com mais de duas componentes: a Covariância Parcial Direcionada de Ondaletas (pDWC). Considerando um processo N-variado localmente estacionário, a pDWC calcula a Covariância Direcionada de Ondaletas entre X_1(t) e X_2(t) eliminando o efeito das outras componentes X_3(t), ... , X_N(t). Propomos duas abordagens para a pDWC: na primeira, a pDWC é calculada após a aplicação de um filtro linear que remove o efeito das variáveis exógenas. No segundo caso, a exemplo da Coerência Parcial Direcionada, consideramos o processo multivariado como um Modelo Autoregressivo de Vetorial variante no tempo (tv-VAR) e usamos seus coeficientes na decomposição da função de covariância para isolar os efeitos das demais componentes. Também comparamos os resultados da PDC, Coerência de Ondaletas e Covariância Direcionada de Ondaletas com dados simulados. Por fim, apresentamos uma aplicação da DWC e da pDWC em dados de EEG. Identificamos nas simulações que tanto as medidas já existentes na literatura quanto as quantidades propostas identificaram as relações simuladas. A pDWC proposta com filtros lineares apresentou estimações mais estáveis do que a pDWC considerando os modelos tv-VAR. Estudos futuros discutirão as propriedades assintóticas e testes de significância da DWC e pDWC.

Orientadores: Milton Dias Junior e Vicente Lopes Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T04:58:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_Samuelda_D.pdf: 9025537 bytes, checksum: ac86884d08ba00adbf77aeac335e7acc (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A contribuição deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para detecção e localização de danos considerando apenas respostas de deslocamento ou aceleração e medidas obtidas por atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) distribuídos e colados em estruturas flexíveis. Modelos de filtros discretos do tipo auto-regressivos, como AR-ARX, ARMA e ARMAX, são usados para extrair um indicador de danos a partir dos erros de predição linear destes filtros. Investiga-se também o uso de séries discretas de Wiener/Volterra escritas com filtros de Kautz para obtenção de erros de predição não-lineares. Para classificar os erros de predição (lineares ou não-lineares) nas classes ¿sem dano¿ ou ¿com dano¿ comparou-se o uso de ferramentas não-supervisionadas de classificação de padrões estatísticos, como agrupamento fuzzy e controle estatístico de processos. Testes numéricos e experimentais foram realizados e os resultados alcançados com a metodologia desenvolvida apresentaram vantagens em relação aos métodos convencionais que são discutidas no decorrer do trabalho / Abstract: This work proposes a novel approach to detect and locate incipient damage in structures by using only acceleration responses and coupled piezoelectric actuators and sensors. Though the major focus in smart damage detection is given by on the monitoring of the electrical impedance in the frequency domain, the current contribution applies a novel technique based on time series analysis. Regressive models, such as AR-ARX, ARMA and ARMAX, are employed to extract a feature index using the linear prediction errors. The use of nonlinear prediction by using discrete-time Wiener/Volterra models expanded by Kautz filter is also investigated. In order to decide correctly whether damage exists or not, a set of unsurpervised statistical pattern recognition techniques, namely the fuzzy clustering and the statistical process control, are implemented. Several numerical and experimental tests are performed to illustrate and compare the methodology developed with classical approaches. The efficacy of the approach is demonstrated through these tests / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

A caracterização de não linearidades em aeronaves é fundamental para a solução de problemas aeroelásticos, onde uma relação ótima entre desempenho e segurança é desejável. Sistemas aeroelásticos são inerentemente não lineares. Não linearidades podem ser admitidas no projeto, ou podem surgir a qualquer momento durante a vida útil da aeronave, afetando significativamente a resposta prevista por meios clássicos de análise linear, de forma que instabilidades catastróficas podem ocorrer antes dos limites de operação. Portanto, torna-se importante caracterizar, identificar e incluir tais efeitos não lineares no projeto e desenvolvimento de aeronaves. Neste trabalho, através da utilização de técnicas de análise de séries temporais não lineares e identificação, a não linearidade associada à folga, muito comum em superfícies de comando, é caracterizada de forma a permitir sua detecção em sinais aeroelásticos e inclusão de seus efeitos em modelos. Um modelo matemático de seção típica com folga na superfície de comando é implementado e utilizado para gerar uma base de dados confiável para testar a capacidade dos métodos de análise de séries temporais não lineares. As técnicas são aplicadas também em dados experimentais de uma asa a altos ângulos de ataque, sem um modelo matemático definido, para testar a capacidade de caracterização de comportamentos não lineares. Através de técnicas como reconstrução de espaço de estados, seções de Poincaré e determinação de invariantes, como os maiores expoentes de Lyapunov, os comportamentos e transições são classificados. Finalmente, as técnicas são aplicadas em dados experimentais de seções típicas com dois e três graus de liberdade, com folga no movimentos de torção e na superfície de comando, respectivamente. Os resultados mostram que uma folga pode gerar comportamentos similares aos apresentados por sistemas com não linearidade cúbica hardening em condições periódicas. No entanto, o comportamento subcrítico provocado pela folga, bem como a ocorrência de comportamento não linear mais complexo são características que diferenciam essas não linearidades. Em experimento com três graus de liberdade, a folga é localizada e caracterizada na superfície de comando através das técnicas propostas. Um modelo baseado em uma função aproximante para a folga é utilizado para identificar a resposta experimental e incluir a não linearidade no modelo matemático. Os resultados mostram que o modelo identificado é capaz de reproduzir a maior parte da dinâmica apresentada no experimento. / Characterization of nonlinearities in aircraft is critical to the solution of aeroelastic problems where an optimal relation between performance and safety is desirable. Aeroelastic systems are inherently nonlinear. Nonlinearities can be admitted in the project, or may arise at any time during the life of the aircraft, significantly affecting the predicted response by conventional methods of linear analysis and reducing the limits for catastrophic instabilities. Therefore, it is important to characterize, identify and include such non-linear effects to the design and development of aircraft. In this work, through nonlinear time series analysis and identification techniques, the freeplay nonlinearity, very common in control surfaces, is characterized to permit its detection in aeroelastic signals, and the inclusion of its effects in numerical models. A mathematical model of typical section with control surface freeplay nonlinearity is implemented and used to generate a reliable database to test the ability of nonlinear time series analysis methods. The techniques are also applied to experimental data of a wing at high angles of attack, without a prescribed mathematical model, to test the ability of characterizing non-linear behavior. Through techniques such as state space reconstruction, Poincaré sections and determination of system\'s invariants, as the largest Lyapunov exponents, non-linear behavior and transitions are classified. Finally, the techniques are applied to experimental data of typical sections with two and three degrees of freedom with freeplay in the torsional spring and in the control surface hinge, respectively. The results show that the freeplay may generate similar behavior to those presented by non-linear systems with cubic hardening nonlinearity under periodic conditions. However, the subcritical behavior caused by freeplay, and the occurrence of complex nonlinear behavior are features that distinguish these nonlinearities. In an experiment with three degrees of freedom, the freeplay is located in the control surface hinge and characterized by the presented techniques. A model based on an approximating function for the freeplay is used to identify the experimental response and include the nonlinearity in the mathematical model. It is shown that the identified model can reproduce the major part of the non-linear dynamics shown in the experiment.