Nesta tese estudamos o espectro de absorção da Merocianina de Brooker (MB) e três derivados em solventes com diferentes polaridades. O interesse no estudo desses sistemas se dá pela presença de algumas propriedades particulares das merocianinas, por exemplo, apresentam um grande deslocamento solvatocrômico devido à mudança na polaridade do meio. Nós apresentamos os resultados teóricos obtidos para o espectro de absorção das moléculas considerando diferentes estruturas para o estado fundamental: formas trans, cis, zwiteriônica (zw), protonada (MBH+) e dímero(MB2). O efeito do solvente foi considerado utilizando diferentes modelos de solvatação: (i) modelo contínuo polarizável (PCM), (ii) através de uma configuração eletrostática média do solvente (ASEC), (iii) incluindo algumas moléculas explícitas do solvente juntamente com um ambiente eletrostático gerado pelas demais moléculas do solvente. Como uma investigação adicional, apresentamos nossos resultados de medidas experimentais para o espectro de absorção da MB em vários solventes variando acidez e concentração. Vimos, através de cálculos quânticos, que as formas cis/trans apresentam a excitação eletrônica na mesma região, e que a deformação estrutural gerada pela forma zw provoca um deslocamento para o vermelho na excitação eletrônica. Os nossos resultados teóricos e experimentais mostram que a forma MBH+ apresenta um solvatocromismo pequeno, com deslocamento de 20 nm provocado pela mudança água-clorofórmio. Realizando medidas experimentais através da titulação espectroscópica nós obtivemos o pKa associado ao processo de desprotonação/protonação da MB em água e metanol. Em água obtivemos um valor de 8.7, em boa concordância com valores da literatura. Apresentamos um valor inédito do pKap da MB em metanol, 9.9. Conseguimos uma boa descrição teórica para a excitação eletrônica da MB em solventes com alta polaridade, na região entre 430-500 nm, utilizando o método quântico TD-DFT com funcionais B3LYP e CAM-B3LYP e conjunto de funções base 6-311+G**, porém a excitação em solventes de baixa polaridade, que ocorre na região entre 550-650 nm, não é corretamente descrita considerando a MB nos solventes. Nós vimos, através de estudos experimentais, que a sonda MB pode agregar em solventes de baixa polaridade. Os cáculos teóricos para dímeros em solução mostraram a existência de uma excitação eletrônica de baixa intensidade nesta região. Adicionalmente, os espectros experimentais em solventes de baixa polaridade mostraram 2 bandas, onde a segunda se assemelha com a banda observada para a forma MBH+. Para explicar essas 2 bandas experimentais para a MB, apresentamos uma proposta teórica onde ocorre uma transferência de prótons (H+) entre os monômeros do dímero formado, gerando uma estrutura desprotonada (MBH-) e uma protonada (MBH+). Cálculos teóricos para a forma MBH- mostram que essa forma apresenta uma excitação eletrônica de intensidade moderada na região entre 550-650 nm. Com essa hipótese nós conseguimos descrever, através de cálculos teóricos, o solvatocromismo anômalo observado experimentalmente para o espectro eletrônico de absorção da MB nas duas regiões de polaridade dos solventes: alta polaridade, sendo descrita pela forma MB, e baixa polaridade, descrita pela forma MBH-. / In this thesis we studied the absorption spectrum of merocyanine Brooker (MB) and three derivatives in solvents with different polarities.The interest in this system is given by the presence of some particular properties of this molecule, for example, it presents a large solvatochromic shift due to the change in the polarity of the medium. We present the results for the absorption spectrum of the molecules considering different structures to the ground state: forms trans, cis, zwitterionic (zw), protonated MBH+ and dimer (MB2). The solvent effect was treaty by different ways: (i) continuous model using the PCM polarizable, (ii) by an average electrostatic configuration of solvent, ASEC, (iii) including some explicit solvent molecules with an electrostatic environment generated by other solvent molecules. As an additional investigation, we present results of experimental measurements in the thesis. We have seen, through quantum calculations, that the forms cis/trans have the electronic excitation in the same region and the structural deformation generated in the zw form causes a red shift. Our theoretical and experimental results show that the MBH+ form has a small solvatochromism, with displacement of 20 nm caused by water-chloroform change. Performing spectroscopic titration we got the pKa associated with the process of deprotonation/protonation of MB in water and methanol. In water we obtained a value of 8.7, in good agreement with the values reported in the literature. We present a unpublished pKap for the MB in methanol, 9.9. We got a good theoretical description for electronic excitation of MB in solvents with high polarity, in the region between 430-500 nm, using a method quantum TD-DFT B3LYP and CAM-B3LYP functional whit basic functions set 6-311+G** but the excitation in low polarity solvents, which occurs in the region between 550-650 nm, is not properly described considering the MB form in the solvents. We have seen, through experimental studies that the MB probe can aggregate in low polarity solvents. Theoretical calculations for dimer in solution showed the existence of a low intensity electron excitation in this region. Additionally, the experimental spectra in low polarity solvents showed 2 bands, where in the second band is similar to the observed to MBH+ form. To explain these two experimental bands for MB, we present a theoretical proposal where there is a proton transfer (H+) between the monomers of the dimer, generating a deprotonated structure (MBH-) and a protonated (MBH+). Theoretical calculations for the MBH- show that this form presents an electronic excitation of moderate intensity in the region between 550-650 nm. With this assumption we can describe, through theoretical calculations, the anomalous solvatochromism for the electronic absorption spectrum of MB in the two polarity regions of solvents: high polarity is described by the MB form, and low polarity, described by the MBH- form.

A modelagem de processos em física e engenharia frequentemente resulta em problemas inversos. Em geral, esses problemas apresentam difícil resolução, pois são classificados como mal-postos. Resolvê-los, tratando-os como problemas de otimização, requer a minimização de uma função objetivo, que mede a discrepância entre os dados experimentais e os obtidos pelo modelo teórico, somada a uma função de regularização. Na maioria dos problemas práticos, essa função objetivo é não-convexa e requer o uso de métodos de otimização estocásticos. Dentre eles, tem-se o algoritmo de recozimento simulado (Simulated Annealing), que é baseado em três pilares: i) distribuição de visitação no espaço de soluções; ii) critério de aceitação; e iii) controle da estocasticidade do processo. Aqui, propomos uma nova generalização do algoritmo de recozimento simulado e da função de regularização. No algoritmo de otimização, generalizamos o cronograma de resfriamento, que usualmente são considerados algébricos ou logarítmicos, e o critério de Metropolis. Com relação à função de regularização, unificamos as versões mais utilizadas, em uma única fórmula. O parâmetro de controle dessa generalização permite transitar continuamente entre as regularizações de Tikhonov e entrópica. Por meio de experimentos numéricos, aplicamos nosso algoritmo na resolução de dois importantes problemas inversos na área de Física Médica: a determinação do espectro de um feixe de raios X, a partir de sua curva de atenuação, e a reconstrução da imagem na tomografia de impedância elétrica. Os resultados mostram que o algoritmo de otimização proposto é eficiente e apresenta um regime ótimo de parâmetros, relacionados à divergência do segundo momento da distribuição de visitação. / Modeling of processes in Physics and Engineering frequently yields inverse problems. These problems are normally difficult to be solved since they are classified as ill-posed. Solving them as optimization problems require the minimization of an objective function which measures the difference between experimental and theoretical data, added to a regularization function. For most of practical inverse problems, this objective function is non-convex and needs a stochastic optimization method. Among them, we have Simulated Annealing algorithm, which is based on three fundamentals: i) visitation distribution in the search space; ii) acceptance criterium; and iii) control of process stochasticity. Here, we propose a new generalization of simulated annealing algorithm and of the regularization function. On the optimization algorithm, we have generalized both the cooling schedule, which usually is algebric or logarithmic, and the Metropolis acceptance criterium. Regarding to regularization function, we have unified the most used versions in an unique equation. The generalization control parameter allows exchange continuously between the Tikhonov and entropic regularization. Through numerical experiments, we applied our algorithm to solve two important inverse problems in Medical Physics: determination of a beam X-rays spectrum from its attenuation curve and the image reconstruction of electrical impedance tomography. Results show that the proposed algorithm is efficient and presents an optimal arrangement of parameters, associated to the divergence of the visitation distribution.

Estudos sobre evolução têm sido desenvolvidos desde a publicação dos trabalhos de Charles Darwin sobre a origem das espécies pela seleção natural em 1859. Durante o século XX grandes avanços foram obtidos com a utilização de modelagens matemáticas e computacionais, pois com exceção de algumas espécies que podem ter sua evolução analisada in vivo, o tempo necessário para aquisição de dados é enorme e por este motivo o enfoque computacional passou a representar uma ferramenta essencial. Nesta tese são apresentados os conceitos básicos para se entender o processo evolutivo de populações assexuadas como mutação, seleção e relevos adaptativos, bem como os resultados numéricos sobre sua evolução através do processo conhecido como catraca de Muller, que baseia-se na perda estocástica da classe de indivíduos mais adaptados da população através das mutações adquiridas ao longo de sua linhagem. Neste trabalho foram estudadas diversas dinâmicas, como a de populações que estão sujeitas à passagens seriais com gargalo, onde observamos que a velocidade da catraca na não pára devido aos altos valores de epistase, enquanto que para populações com tamanho variável (crescimento e decrescimento exponencial) a catraca pára durante o período de crescimento até a população atingir o limite permitido pelo meio-ambiente, sendo que a partir deste ponto ela se comporta como no modelo de infinitos sítios tradicional. Por último, são apresentados os resultados de populações que interagem entre si em uma dinâmica presa-predador, onde o comportamento da catraca pode ser entendido com base nas dinâmicas das populações descritas anteriormente. Um outro problema abordado nesta tese é o da utilização de medidas da topologia de árvores genealógicas para verificar a presença da seleção na evolução de uma população. Apesar dos comprimentos dos ramos das árvores apresentarem alterações quando comparados ao caso neutro, observamos que os testes estatísticos utilizados não são suficientes para inferir o efeito da seleção em populações reais. / Studies about evolution have been developed since Charles Darwin\'s publications about the Origin of species and Natural Selection in 1859. During the XX century major developments were achieved through mathematical and computational modeling, since only few number of species that their evolution can be studied in vivo, once that the time scale involed for data acquisition procedure is considerable, and for this reason the computational approach become an important tool in this study. In this thesis are presented the basic concepts to understand the process of evolution in a population as mutation, selection and adaptive landscapes, in addition some numerical results about the evolution of an asexual population using the process known as Muller\'s ratchet, that can be characterized by the stochastic loss of the most fitted class of individuals through mutations that are acquired in their lineages. During this work several dynamics were studied, likewise the populations under serial bottleneck passages, where we observed that the velocity of the ratchet never stops for high epistatic coefficients, while in population whose size can varies (increasing or decreasing exponentially) the ratchet halts during population\'s increasing until these individuals do not reach the maximum number permitted, and after this point this population behaves like the traditional infinite genome size model. At last, we show the results of populations that can interact between themselves in a predator-prey dynamics, where the behaviour of the ratchet can be understood in the previous dynamics. Another problem that was studied in this thesis is related with several topology measures of genealogical trees in order to verify the selection in a population evolution. Despite branch\'s length of the trees changed due to the selection, we could see that the statistical tests used do not be sufficient to infer the effect of selection under real populations.

Computer simulations have become a great tool to assist the medical field. The present work is a study of a non-invasive patient-specific methodology to evaluate the hemodynamic importance of coronary stenosis using computer simulations. The severity of the lesion is evaluated by the Fractional Flow Reserve, calculated by the pressure gradient before and after the lesion. The geometry models are obtained from medical images of Computed Tomography Angiography exams, and the simulations considers the pulsatile flow and the blood as a non-Newtonian fluid. The governing equations of the blood flow are solved by using Finite Element Method applied to the numerical method called Incremental Pressure Correction Scheme, and with the aid of the libraries from the open-source software FEniCS. Computer simulations of three different patients are performed and the results are compared with the invasive FFR measurements. The methodology proposed shows to be feasible in the study and analysis of stenosed coronaries. / Simulações computacionais tornaram-se uma excelente ferramenta para auxiliar a área médica. O presente trabalho é um estudo de uma metodologia não invasiva para avaliar a importância hemodinâmica de artérias coronárias com estenose através do uso de simulações computacionais. A severidade da lesão da artéria é avaliada através do Fractional Flow Reserve, calculado pelo gradiente de pressão antes e depois da lesão. Os modelos geométricos computacionais foram obtidos a partir de imagens médicas de exames de Angiografia por Tomografia Computadorizada e as simulações consideram o fluxo pulsátil e as propriedades não-Newtonianas do sangue. As equações governantes do fluxo de sangue são resolvidas utilizando o Método dos Elementos Finitos aplicado ao método numérico chamado Incremental Pressure Correction Scheme, e com o uso de bibliotecas do programa em código aberto FEniCS. Foram realizados simulações de três pacientes e os resultados foram confrontados com as medidas invasivas do FFR. A metodologia proposta mostrou-se viável para o estudo e análise de coronárias com estenose.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Sistemas computacionais vÃm desempenhando papel importante em vÃrias Ãreas da medicina, notadamente no auxÃlio ao diagnÃstico mÃdico por imagem. Neste sentido, estudos na Ãrea de VisÃo Computacional sÃo realizados para desenvolver tÃcnicas e sistemas capazes de detectar automaticamente diversas doenÃas. Dentre os exames existentes que permitem o auxÃlio ao diagnÃstico e a aplicaÃÃo de sistemas computacionais em conjunto, destaca-se a Tomografia Computadorizada (TC) que possibilita a visualizaÃÃo de ÃrgÃos internos, como por exemplo, o pulmÃo e suas estruturas. Sistemas de Vis~ao Computacional utilizam estas imagens obtidas por exames de TC para extrair informaÃÃo por meio de tÃcnicas com a finalidade de segmentar, reconhecer e identificar detalhes da regiÃo de interesse nestas imagens. Este trabalho centraliza seus esforÃos na etapa de segmentaÃÃo dos pulmÃes a partir de imagens de TC, empregando-se, para tanto, tÃcnicas baseadas em MÃtodo de Contorno Ativo (MCA), tambÃm conhecido como emph{snake}. Este mÃtodo consiste em traÃar uma curva inicial, em torno ou dentro de um objeto de interesse, deformando-a conforme algumas forÃas que atuam sobre a mesma, deslocando-a atà as bordas do objeto. Este processo à realizado por iteraÃÃes sucessivas de minimizaÃÃo de uma dada funÃÃo energia, associada à curva. Neste contexto, esta tese propÃe um novo mÃtodo para a segmentaÃÃo dos pulmÃes em imagens de TC do tÃrax denominado MÃtodo de Contorno Ativo Crisp Adaptativo. Este MCA à o aperfeiÃoamento do MCA Crisp desenvolvido em um estudo anterior, que visa aumentar a precisÃo, diminuir o tempo de anÃlise e reduzir a subjetividade na segmentaÃÃo e anÃlise dos pulmÃes dessas imagens pelos mÃdicos especialistas. Este mÃtodo à proposto para a segmentaÃÃo de uma imagem isolada ou do exame completo, sendo primeiramente em 2D e expandido para 3D. O MCA Crisp Adaptativo 2D à comparado com os MCAs THRMulti, THRMod, GVF, VFC, Crisp e tambÃm com o sistema SISDEP, sendo esta avaliaÃÃo realizada utilizando como referÃncia 36 imagens segmentadas manualmente por um pneumologista. Jà o MCA Crisp Adaptativo 3D à aplicado na segmentaÃÃo dos pulmÃes em exames de TC e comparado com o mÃtodo Crescimento de RegiÃes 3D, cujos resultados das segmentaÃÃes sÃo avaliados por 2 mÃdicos pneumologistas. Os resultados obtidos demonstram que os mÃtodos propostos sÃo superiores aos demais na segmentaÃÃo dos pulmÃes em imagens de TC do tÃrax, tanto em uma imagem pelo MCA Crisp Adaptativo 2D, como em exames completos pelo MCA Crisp Adaptativo 3D. Deste modo, pode-se concluir que estes mÃtodos podem integrar sistemas de auxÃlio ao diagnÃstico mÃdico na Ãrea de Pneumologia. / Computer systems have been playing a very important role in many areas of medicine, particularly, on medical diagnosis through image processing. Therefore, studies on the field of Computer Vision are made to develop techniques and systems to perform automatic detection of several diseases. Among the existing tests that enable the diagnosis and the application of computational system together, there is the Computed Tomography (CT), which allows the visualization of internal organs, such as the lung and its structures. Image analysis techniques applied to CT scans are able to extract important information to segment and recognize details on regions of interest on these images. This work focuses its e↵orts on the stage of lungs segmentation through CT images, using techniques based on Active Contour Method (ACM), also known as snake. This method consists in tracing an initial curve, around or inside the object of interest, wich deform itself according to forces that act over the same, shifting to the object edge. This process is performed by successive iterations of minimization of a given energy, associated to the curve. In this context, this work proposes a new aproach for lung segmentation of chest CT images, which is called Adaptative Crisp Active Contour Method. This ACM is an improvement the previous developed Crisp ACM. The purpose of this new ACM is to increase accuracy, decrease analysis time and reduce segmentation subjectivity in the manual analysis of specialized doctors. This method is proposed to isolated images segmentation or the complete exam, being first in 2D, then expanding to 3D. The 2D Adaptative Crisp ACM is compared to ACMs THRMulti, THRMod, GVF, VFC, Crisp and also with the system SISDEP, being this evaluation performed by using a set of 36 manually segmented images by one pulmonologist. The 3D Adaptative Crisp ACM is applied on lung segmentation in CT exams and compared with the 3D Region Growing method, which segmentation results were evaluated by two pulmonologists. The obtained results shows that the proposed methods are superior to the other methods on lung segmentation in chest CT images, both as in one image by 2D Adaptative Crisp ACM as in full exam by the 3D Adaptative Crisp ACM. Thus, it is possible to conclude that these method can integrate systems to aid medical diagnosis in the field of pulmonology.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A interpretaÃÃo de dados do sensoriamento remoto fundamenta-se, basicamente, na anÃlise do comportamento da reflectÃncia espectral dos materiais no intervalo de comprimento de onda do visÃvel ao infravermelho de ondas curtas (400 a 2500 nm). Para isso, pode-se usar a espectrorradiometria de reflectÃncia, que à uma tÃcnica capaz de medir, em diferentes comprimentos de ondas, a energia eletromagnÃtica refletida da superfÃcie dos materiais e representÃ-la na forma de um grÃfico denominado curva de reflectÃncia espectral. O poder analÃtico desta tÃcnica advÃm do fato da informaÃÃo espectral se correlacionar diretamente com a composiÃÃo quÃmica e com as caracterÃsticas fÃsicas das substÃncias contidas no alvo. No entanto, o grande volume de informaÃÃes contidas em uma assinatura espectral aumenta a dificuldade de analisÃ-la, principalmente quando se trabalha com imagens. Com isso, o emprego de modelos computacionais se mostra como uma saÃda viÃvel para a anÃlise de curvas espectrais. Dessa forma, o objetivo desta tese à avaliar o desempenho de diferentes modelos computacionais como: mÃnimos quadrados (MQ), rede neural artificial do tipo perceptron de mÃltiplas camadas (MLP) e mÃquina de aprendizagem extrema (ELM), treinados em laboratÃrio para estimar a condutividade elÃtrica do solo, e aplicÃ-los em imagens de alta resoluÃÃo espectral. Esta tese foi separada em trÃs etapas onde foram avaliados: a capacidade dos modelos computacionais em estimar a condutividade elÃtrica do extrato de saturaÃÃo (CEes) a partir de amostra de condutividade elÃtrica 1:1 (CE1:1); as estratÃgias computacionais que melhor estimam a condutividade elÃtrica de amostras de solo a partir de leituras espectrais de solos obtidas em laboratÃrio; e testar desempenho da melhor estratÃgia obtida no passo anterior, aplicando-a em uma imagem do sensor aerotransportado SpecTIR, coletado na regiÃo do PerÃmetro Irrigado de Morada Nova. Para avaliaÃÃo dos algoritmos, foram coletadas amostras de solos na regiÃo de Morada Nova com histÃrico de Ãreas afetadas por sais. Estas amostras foram utilizadas para a calibraÃÃo e validaÃÃo dos modelos. Dados espectrais foram obtidos utilizando o espectrorradiÃmetro FieldSpec 4 Hi-Res, entre 350 a 2500 nm. Foi avaliado o ganho de performance dos modelos matemÃticos pela transformaÃÃo dos dados atravÃs da anÃlise por componente principal e pela anÃlise derivativa. Com os resultados obtidos, pÃde-se observar que as melhores respostas foram alcanÃadas pelo modelo linear dos mÃnimos quadrados aplicados aos dados puros, onde as bandas selecionadas para estimar a condutividade elÃtrica foram de 395, 1642 e 1717 nm. Para estimar a condutividade elÃtrica do solo na imagem do sensor SpecTIR sobre a Ãrea de estudo, o modelo calibrado em laboratÃrio se mostrou interessante, produzindo um RPD de 1,46 e um coeficiente de correlaÃÃo de Pearson de 0,80. Com isso, conclui-se que os modelos calibrados utilizando amostras em laboratÃrio sÃo satisfatÃrios para estimar a CE de imagens hiperespectrais. / Remote sensing data interpretation is based primarily on the spectral reflectance analysis of materials for wavelength ranging from visible to short wave infrared (400 to 2500nm). For this, one can use reflectance spectroscopy which is a technique capable of measuring, at different wavelengths, the electromagnetic energy reflected from the surface of materials and represent it in the form of a graph called spectral reflectance curve. The analytical power of this technique derives from the spectral information being correlated directly with the chemical composition and physical characteristics of the substances that makes the target. However, the large volume of information contained in a spectral signature increases the difficulty of analyzing it, especially if the dataset is made of images. Thus, computational models are expected to be a viable means of analyzing these spectral curves. The refore, the objective of this thesis is to evaluate the performance of different computational models, such as least squares (LS), multilayer perceptron (MLP) and extreme learning machine (ELM) artificial neural networks, trained on laboratory data to estimate the electrical conductivity of salty soils, and to apply them to a hyperspectral image of the field . This thesis was organized in three parts: first, the ability of computer models to estimate the electrical conductivity of saturation extract (ECse) based on electrical conductivity data from a 1:1 dilution (EC 1:1) is assessed; second, computing strategy for best estimating the electrical conductivity of soil samples using their spectral readings under laboratory conditions are evaluated; and finally, the performance of the best found model applied to an airborne SpecTIR sensor hyperspectral image collected at the Irrigated District of the Morada Nova was evaluated. To evaluate the proposed algorithms, soil samples were collected in the Morada Nova Irrigation District with a history of salinity. These samples were used for model calibration and validation. Spectral data were obtained using the spectroradiometer FieldSpec 3Hi-Res, from 350 to 2500nm. In an attempt to improve the performance of the models, data transformation was applied using either principal component analysis or derivative analysis. The results show the best performance was produced by the linear model fitted by least squares algorithm applied to the raw data (no transformation), and the spectral bands selected to estimate the electrical conductivity were 395, 1642 and 1717 nm. To estimate the soil's electrical conductivity from SpecTIR's image sensor data, the model calibrated in the laboratory has proved to be feasible, generating a value o f 1.46 for RPD, and 0.80 for the Pearson correlation coefficient. Therefore, one can conclude that the calibrated models using samples in the laboratory are satisfactory for estimating EC based on hyperspectral images.

Esta tese de doutorado apresenta investigações, modelos e implementações de um middleware para grades computacionais denominado Grid Anywhere. Essa plataforma tem como objetivo viabilizar a construção de grades computacionais que permitam um maior número de provedores e consumidores de recursos. Para isso, são apresentadas soluções para gerenciamento de segurança, carregamento de aplicações, hospedagem de objetos, execução remota de métodos, desenvolvimento de aplicações e transporte alternativo de mensagens SOAP (utilizando o sistema de televisão digital interativa e encapsulando uma mensagem SOAP dentro de outro documento desse mesmo protocolo). Como aplicações da plataforma foram criadas duas grades computacionais com arquiteturas distintas. A primeira permite que um ambiente de compartilhamento de recursos possa ser utilizado como infraestrutura para prover plataforma como serviço (PaaS) para usuários convencionais (domésticos ou corporativos) em um ambiente de computação em nuvem. A outra arquitetura tem como foco o fortalecimento de grades computacionais desktop por meio da utilização de receptores digitais de TV (set-top box) como provedores de recursos onde a distribuição de objetos e as mensagens SOAP ocorrem por difusão. Os modelos foram validados por meio de testes reais feitos utilizando as respectivas implementações, o que demonstrou que são funcionais. Tais implementações disponibilizam produtos que cooperam com a inovação do desenvolvimento de aplicações para grades computacionais e também para outras categorias de sistemas distribuídos / This PhD thesis presents investigations, models and implementations of a computational grid middleware named Grid Anywhere. This platform aims at allowing the build of computational grid systems, which enable the increase of the number of participants as consumers and resource providers. In order to do this, new solutions are presented to manage security policies, load applications, host objects, execute remote methods, develop application and alternative transport of SOAP messages in a flexible way (using the interactive digital television system and inserting one SOAP message inside another document of this same protocol). As applications of this middleware, two different architectures of computational grids were created. The first one enables an environment to share resources that are used as infrastructure to provide platform as a service (PaaS) in a cloud computing system. The goal of the second architecture is to increase the computational power of desktop computational grid systems using digital television receivers (set-top box) as resource providers, where the distribution of objects and SOAP messages occurs via broadcasting. The models were validated by means of real tests using the respective implementations, which showed that the platform is functional. Such implementations provide software products that help the innovation and development of computational grid applications and also others types of distributed systems

Esta dissertação tem por objetivo apresentar a proposta de uma política de escalonamento para grids computacionais. Essa política, intitulada Dynamic Max-Min2x, é orientada ao escalonamento de aplicações cujas tarefas não realizam comunicação entre si e visa a redução do tempo de resposta dessas aplicações através da utilização de atribuição dinâmica de tarefas e replicação das mesmas. Experimentos, feitos através de simulação, mostram que o tempo médio de resposta de aplicações utilizando-se a Dynamic Max-Min2x é inferior ao de outras políticas da literatura. Análises dos resultados desses experimentos apontam que esse tempo tende a ser mais atrativo principalmente quando as tarefas necessitam de muito processamento e quando há grande variação de carga no sistema, caracteristicas comuns em grids computacionais. Além disso, esta dissertação apresenta a implementação de um framework utilizando-se o Globus Toolkit, onde é possível a inserção de políticas de escalonamento para a submissão inteligente de tarefas em um grid computacional. / This Master thesis proposes a new grid scheduling policy called Dynamic Max-Min2x. This policy focuses on applications in which tasks do not communicate among themsenves and targets a response time reduction of these applications through the use of dynamic task distribution and replication techniques. Experiments, done using simulations, have shown that the response time related to Dynamic Max-Min2x is smaller than others policies found in literature. Analysis of the results have demonstrated that this time tends to become more attractive when tasks do not need much processing power and when there is a great load variation in the system, characteristics frequently found in grids. Furthermore, this thesis presents the implementation of a framework using Globus Toolkit, which makes possible the new scheduling policies insertion to provide an intelligent submission tasks in a computational grid system.

Diante dos problemas vivenciados no ensino da Física cabe ao professor a tarefa de tentar combater as dificuldades de seus alunos, proporcionando-lhes experiências de aprendizagem eficazes, procurando atualizar, tanto quanto possível, os instrumentos pedagógicos que utiliza. Considerando a especificidade experimental da Física, a realização de atividades de laboratório faz-se de grande importância. Porém, uma reflexão a respeito de como utilizar tais atividades é necessária para que possam realmente contribuir para uma aprendizagem significativa. Nesta busca, a utilização da aquisição automática de dados através de dispositivos do tipo CBL (do inglês Calculator Based Laboratory) pode, sem dúvida, trazer grande contribuição. Aliando-se à grande potencialidade do uso destes dispositivos, à inexistência de trabalhos divulgados envolvendo seu uso no ensino de Física no Brasil e, finalmente, ao fato deste ser um equipamento adquirido recentemente pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas, instituição na qual este trabalho foi desenvolvido, optou-se por propor nesta dissertação a utilização de tais equipamentos em laboratório didático de Física Térmica no ensino médio. Dentre os assuntos abordados cita-se: calor, temperatura e energia interna; resfriamento de um corpo; mudança de estado físico e pressão de vapor; transmissão do calor. Alguns destes assuntos não são normalmente abordados no ensino médio, como a lei de resfriamento e análise da curva de pressão de vapor. Outros tópicos levam a uma maior contextualização da Física, como umidade relativa do ar e formação de geada. Esta proposta é fundamentada pela teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel e pela teoria da interação social de Lev Vigotski Através desta experiência de implementação em aulas regulares de ensino médio, espera-se verificar a possibilidade de sua utilização neste nível de ensino. Como produto deste trabalho de dissertação, foi produzido material instrucional que compreende guias experimentais e textos envolvendo os conteúdos abordados, assim como material hipermídia sobre transmissão do calor contendo algumas animações e teste interativo desenvolvidos em Flash MX. Todo este material foi concebido e implementado buscando levar o aluno a uma aprendizagem significativa dos conceitos físicos.

No presente trabalho é proposto um conjunto de atividades de aquisição de dados para um laboratório didático de Física, no contexto de ensino tecnológico de escolas técnicas. São construídas rotinas de programação com a ferramenta Visual Basic for Applications (VBA), incorporadas em planilhas Excel, sendo a aquisição de dados através da porta de joystick da placa de som do microcomputador. As atividades propostas envolvem especialmente experimentos no campo da mecânica, no qual são investigados o sistema massa-mola, pêndulo simples e movimento de rotação de um pião. A metodologia proposta para estas atividades é embasada na teórica construtivista de Vygotsky. O material foi aplicado e avaliado em uma oficina oferecida para alunos de cursos superiores de tecnologia (Automação Industrial e Manutenção Industrial e Sistemas de Informação) do CEFET/PR, unidade sudoeste do Paraná em 2005. O produto educacional deste trabalho consiste em um texto de apoio sobre medidas físicas e erros e sobre o uso da linguagem VBA em sistemas de aquisição de dados com a placa de som do microcomputador, e rotinas incorporadas a planilhas Excel que permitem a aquisição automática dos dados trabalhados nas atividades experimentais. No texto de apoio, também são sugeridas atividades para os alunos. As planilhas Excel (incluindo as macros VBA) constam o CD-ROM anexo a este trabalho, e estão disponibilizadas na web.