Estágio realizado na Microsoft Portugal e orientado pelo Eng.º Vítor Santos / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:08:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrunoSJC_TESE.pdf: 2605632 bytes, checksum: cc7fdbd9d8d7dfe3adac23f17fab1ae2 (MD5) Previous issue date: 2014-05-13 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / In this work, we propose a two-stage algorithm for real-time fault detection and identification of industrial plants. Our proposal is based on the analysis of selected features using recursive density estimation and a new evolving classifier algorithm. More specifically, the proposed approach for the detection stage is based on the concept of density in the data space, which is not the same as probability density function, but is a very useful measure for abnormality/outliers detection. This density can be expressed by a Cauchy function and can be calculated recursively, which makes it memory and computational power efficient and, therefore, suitable for on-line applications. The identification/diagnosis stage is based on a self-developing (evolving) fuzzy rule-based classifier system proposed in this work, called AutoClass. An important property of AutoClass is that it can start learning from scratch". Not only do the fuzzy rules not need to be prespecified, but neither do the number of classes for AutoClass (the number may grow, with new class labels being added by the on-line learning process), in a fully unsupervised manner. In the event that an initial rule base exists, AutoClass can evolve/develop it further based on the newly arrived faulty state data. In order to validate our proposal, we present experimental results from a level control didactic process, where control and error signals are used as features for the fault detection and identification systems, but the approach is generic and the number of features can be significant due to the computationally lean methodology, since covariance or more complex calculations, as well as storage of old data, are not required. The obtained results are significantly better than the traditional approaches used for comparison / Este trabalho prop?e um algoritmo de dois estagios para detec??o e identifica??o de falhas, em tempo real, em plantas industriais. A proposta baseia-se na analise de caracter?sticas selecionadas utilizando estimativa de densidade recursiva e um novo algoritmo evolutivo de classifica??o. Mais especificamente, a abordagem proposta para detec??o e baseada no conceito de densidade no espa?o de dados, o que difere da tradicional fun??o densidade de probabilidade, porem, sendo uma medida bastante util na detec??o de anormalidades/outliers. Tal densidade pode ser expressa por uma fun??o de Cauchy e calculada recursivamente, o que torna o algoritmo computacionalmente eficiente, em termos de processamento e memoria, e, dessa maneira, apropriado para aplica??es on-line. O estagio de identifica??o/diagnostico e realizado por um classificador baseado em regras fuzzy capaz de se auto-desenvolver (evolutivo), chamado de AutoClass, e introduzido neste trabalho. Uma propriedade importante do AutoClass e que ele e capaz de aprender a partir do zero". Tanto as regras fuzzy, quanto o numero de classes para o algoritmo n?o necessitam de pre-especifica??o (o numero de classes pode crescer, com os rotulos de classe sendo adicionados pelo processo de aprendizagem on-line), de maneira n~ao-supervisionada. Nos casos em que uma base de regras inicial existe, AutoClass pode evoluir/desenvolver-se a partir dela, baseado nos dados adquiridos posteriormente. De modo a validar a proposta, o trabalho apresenta resultados experimentais de simula??o e de aplica??es industriais reais, onde o sinal de controle e erro s?o utilizados como caracter?sticas para os estagios de detec??o e identifica??o, porem a abordagem e generica, e o numero de caracter?sticas selecionadas pode ser significativamente maior, devido ? metodologia computacionalmente eficiente adotada, uma vez que calculos mais complexos e armazenamento de dados antigos n?o s?o necess?rios. Os resultados obtidos s?o signifificativamente melhores que os gerados pelas abordagens tradicionais utilizadas para compara??o

O ensino da Engenharia por meios eletrônicos de aprendizagem demanda a implementação de métodos práticos que facilitem ao aluno aprender conteúdos do tipo procedimentos e atitudes, por meio da ação, da interação dos participantes, e da integração de conhecimentos de diferentes áreas. Esta aprendizagem só pode ser efetiva em contextos significativos e a partir de situações específicas, que são estimulados com a utilização do método de projeto. A eficácia deste método é alcançada quando utilizado em grupos, onde um membro aprende na integração com outro, compartilhando recursos e conhecimentos, e adquirindo ou exercitando um conjunto de habilidades pessoais, atualmente muito necessárias no trabalho profissional do Engenheiro. Embora conhecida a importância do método de projeto no estilo de aprendizagem colaborativa, não existem orientações para sua utilização no modelo de ensino-aprendizagem a distância. Este cenário representou a principal motivação para propor, neste trabalho, um modelo conceitual para aprendizagem colaborativa baseada na execução de projetos pela Web (MAC-BP). O modelo é organizado em três submodelos relacionados entre si, que caracterizam a criação, a execução e o suporte das atividades instrucionais colaborativas utilizadas no ensino da Engenharia. Um modelo para planejar as atividades e responsabilidades do especialista, encarregado pela criação do conteúdo e das atividades de grupo baseados no método de projeto; um modelo de colaboração que formaliza a coordenação das interações dos membros do grupo, através de um autômato finito; e um modelo para o ambiente de suporte às atividades instrucionais colaborativas, que busca integrar as funcionalidades requeridas pelos ambientes CSCL (Computer Supported Cooperative Learning), algumas presentes, porém dispersas, entre os sistemas disponíveis de suporte à colaboração. Por outro lado, a concepção das atividades instrucionais para grupos, além de representar uma tarefa que consome muito tempo, constitui um processo trabalhoso. Em geral, neste processo, a criação dos recursos envolvidos numa ação de aprendizagem específica está estreitamente relacionada ao formato da ferramenta utilizada para sua criação e gerenciamento, dificultando assim a reutilização dos elementos educacionais por novas aplicações. Este novo cenário converteu-se numa outra motivação para colaborar nesta área. Neste trabalho identificam-se os elementos (objetos e ações) compartilháveis de aprendizagem colaborativa envolvidos no modelo MAC-BP e propõe-se um conjunto de especificações técnicas para a criação e utilização destes elementos, segundo as especificações ADL-SCORM e IMS-LD divulgadas para o modelo de EAD orientado à aprendizagem individual. Assim, as duas propostas apresentadas neste trabalho pretendem contribuir com os esforços de padronização dos recursos e procedimentos de suporte ao ensino-aprendizagem, em sistemas eletrônicos de suporte à aprendizagem colaborativa na área de pesquisa dos sistemas CSCL. Especificamente, as propostas indicam caminhos para a inovação do processo pedagógico, e se constituem em guias para os instrutores na criação das aplicações de aprendizagem colaborativa baseadas em projeto e na criação dos elementos instrucionais envolvidos nelas, além de oferecer uma solução para a coordenação das interações colaborativas do grupo durante a execução de projetos, o que representa um suporte à aprendizagem em grupo na área de Engenharia. / Engineering Education in e-learning environments demands the implementation of practical methods that facilitates learning of contents of the type: procedures and attitudes by means of action, of the interaction among participants and the integration of knowledge of different fields. This learning can only be effective in significant contexts and from specific situations that are stimulated by using the project method. The effectiveness of this method is reached when used of preference in groups; in such a way that a participant learns with another by sharing resources and knowledge and acquiring or exercising a set of personal abilities, which are necessary for the professional work of the engineer. In spite of the well-recognized importance of the project method for collaborative e-learning, no comprehensive guidelines have yet been set out for distance education. This scenario represented the main motivation to propose a conceptual Model for Collaborative e-Learning Based on the execution of Web supported Projects (MAC-BP). This model is organized in three sub models related among them representing the creation, the execution, and the support of the collaborative instructional activities used in Engineering Teaching. One model is devoted to plan the activities and responsibilities of the specialist, the person in charge of the elaboration of contents and planning the activities of the group based on the project method. The second is a collaborative model aiming to formalize the coordination of the interactions among the members of the group, through a finite automaton. The last model is conceived as a supporting environment to the collaborative instructional activities aiming to integrate the functionalities required by CSCL (Computer Supported Cooperative Learning) environments, some of them already existing, however highly scattered among the available systems for supporting collaboration. On the other hand, the conception of instructional activities for groups is a time-consuming task and constitutes a laborious process. In general, the creation of the involved resources in a specific learning action is intimately related to the format of the tool used for its creation and management, making difficult to reuse the educational elements in new applications. This is a additional motivation to intend to make some contribution to this field. In this work, the shareable elements of collaborative learning (objects and actions) involved in the model MAC-BP are identified. In addition, a set of technical specifications is suggested for the elaboration and use of these elements, according to ADL-SCORM and IMS-LD specifications previously reported for the EAD model focused on individual learning. In summary, the two proposals showed in this work intend to contribute to the efforts of standardization of resources and procedures in order to support the teaching-learning process by means of electronic systems conceived to support the collaborative learning in the investigation of CSCL systems. These proposals indicate ways to innovate the pedagogical process, and constitute guides for instructors to develop new applications of project-based collaborative learning and the elaboration of the involved instructional elements. In addition, the proposals give a solution to the coordination of group collaborative interactions during the execution of projects and represent a support to collaborative learning in Engineering.

O ensino da Engenharia por meios eletrônicos de aprendizagem demanda a implementação de métodos práticos que facilitem ao aluno aprender conteúdos do tipo procedimentos e atitudes, por meio da ação, da interação dos participantes, e da integração de conhecimentos de diferentes áreas. Esta aprendizagem só pode ser efetiva em contextos significativos e a partir de situações específicas, que são estimulados com a utilização do método de projeto. A eficácia deste método é alcançada quando utilizado em grupos, onde um membro aprende na integração com outro, compartilhando recursos e conhecimentos, e adquirindo ou exercitando um conjunto de habilidades pessoais, atualmente muito necessárias no trabalho profissional do Engenheiro. Embora conhecida a importância do método de projeto no estilo de aprendizagem colaborativa, não existem orientações para sua utilização no modelo de ensino-aprendizagem a distância. Este cenário representou a principal motivação para propor, neste trabalho, um modelo conceitual para aprendizagem colaborativa baseada na execução de projetos pela Web (MAC-BP). O modelo é organizado em três submodelos relacionados entre si, que caracterizam a criação, a execução e o suporte das atividades instrucionais colaborativas utilizadas no ensino da Engenharia. Um modelo para planejar as atividades e responsabilidades do especialista, encarregado pela criação do conteúdo e das atividades de grupo baseados no método de projeto; um modelo de colaboração que formaliza a coordenação das interações dos membros do grupo, através de um autômato finito; e um modelo para o ambiente de suporte às atividades instrucionais colaborativas, que busca integrar as funcionalidades requeridas pelos ambientes CSCL (Computer Supported Cooperative Learning), algumas presentes, porém dispersas, entre os sistemas disponíveis de suporte à colaboração. Por outro lado, a concepção das atividades instrucionais para grupos, além de representar uma tarefa que consome muito tempo, constitui um processo trabalhoso. Em geral, neste processo, a criação dos recursos envolvidos numa ação de aprendizagem específica está estreitamente relacionada ao formato da ferramenta utilizada para sua criação e gerenciamento, dificultando assim a reutilização dos elementos educacionais por novas aplicações. Este novo cenário converteu-se numa outra motivação para colaborar nesta área. Neste trabalho identificam-se os elementos (objetos e ações) compartilháveis de aprendizagem colaborativa envolvidos no modelo MAC-BP e propõe-se um conjunto de especificações técnicas para a criação e utilização destes elementos, segundo as especificações ADL-SCORM e IMS-LD divulgadas para o modelo de EAD orientado à aprendizagem individual. Assim, as duas propostas apresentadas neste trabalho pretendem contribuir com os esforços de padronização dos recursos e procedimentos de suporte ao ensino-aprendizagem, em sistemas eletrônicos de suporte à aprendizagem colaborativa na área de pesquisa dos sistemas CSCL. Especificamente, as propostas indicam caminhos para a inovação do processo pedagógico, e se constituem em guias para os instrutores na criação das aplicações de aprendizagem colaborativa baseadas em projeto e na criação dos elementos instrucionais envolvidos nelas, além de oferecer uma solução para a coordenação das interações colaborativas do grupo durante a execução de projetos, o que representa um suporte à aprendizagem em grupo na área de Engenharia. / Engineering Education in e-learning environments demands the implementation of practical methods that facilitates learning of contents of the type: procedures and attitudes by means of action, of the interaction among participants and the integration of knowledge of different fields. This learning can only be effective in significant contexts and from specific situations that are stimulated by using the project method. The effectiveness of this method is reached when used of preference in groups; in such a way that a participant learns with another by sharing resources and knowledge and acquiring or exercising a set of personal abilities, which are necessary for the professional work of the engineer. In spite of the well-recognized importance of the project method for collaborative e-learning, no comprehensive guidelines have yet been set out for distance education. This scenario represented the main motivation to propose a conceptual Model for Collaborative e-Learning Based on the execution of Web supported Projects (MAC-BP). This model is organized in three sub models related among them representing the creation, the execution, and the support of the collaborative instructional activities used in Engineering Teaching. One model is devoted to plan the activities and responsibilities of the specialist, the person in charge of the elaboration of contents and planning the activities of the group based on the project method. The second is a collaborative model aiming to formalize the coordination of the interactions among the members of the group, through a finite automaton. The last model is conceived as a supporting environment to the collaborative instructional activities aiming to integrate the functionalities required by CSCL (Computer Supported Cooperative Learning) environments, some of them already existing, however highly scattered among the available systems for supporting collaboration. On the other hand, the conception of instructional activities for groups is a time-consuming task and constitutes a laborious process. In general, the creation of the involved resources in a specific learning action is intimately related to the format of the tool used for its creation and management, making difficult to reuse the educational elements in new applications. This is a additional motivation to intend to make some contribution to this field. In this work, the shareable elements of collaborative learning (objects and actions) involved in the model MAC-BP are identified. In addition, a set of technical specifications is suggested for the elaboration and use of these elements, according to ADL-SCORM and IMS-LD specifications previously reported for the EAD model focused on individual learning. In summary, the two proposals showed in this work intend to contribute to the efforts of standardization of resources and procedures in order to support the teaching-learning process by means of electronic systems conceived to support the collaborative learning in the investigation of CSCL systems. These proposals indicate ways to innovate the pedagogical process, and constitute guides for instructors to develop new applications of project-based collaborative learning and the elaboration of the involved instructional elements. In addition, the proposals give a solution to the coordination of group collaborative interactions during the execution of projects and represent a support to collaborative learning in Engineering.