Fundação Araucária / A Predição da Estrutura das Proteínas, conhecida como PSP (Protein Structure Prediction) pode ser considerada um dos problemas mais desafiadores da Bioinformática atualmente. Quando uma proteína está em seu estado de conformação nativa, a energia livre tende para um valor mínimo. Em geral, a predição da conformação de uma proteína por métodos computacionais é feita pela estimativa de dois valores de energia livre que são provenientes das interações intra e intermoleculares entre os átomos. Alguns estudos recentes indicam que estas interações estão em conflito, justificando o uso de abordagens baseadas em otimização multiobjetivo para a solução do PSP. Neste caso, a otimização destas energias é realizada separadamente, diferente da formulação mono-objetivo que considera a soma das energias. A Evolução Diferencial (ED) é uma técnica baseada em Computação Evolucionária e representa uma alternativa interessante para abordar o PSP. Este trabalho busca desenvolver um otimizador baseado no algoritmo de ED para o problema da Predição da Estrutura de Proteínas multiobjetivo. Este trabalho investiga ainda estratégias baseadas em parâmetros adaptativos para a evolução diferencial. Nicialmente avalia-se uma abordagem simples baseada em ED proposta para a solução do PSP. Uma evolução deste método que incorpora conceitos do algoritmo MOEA/D e adaptação de parâmetros é testada em um conjunto de problemas benchmark de otimização multiobjetivo. Os resultados preliminares obtidos para o PSP (para seis proteínas reais) são promissores e aqueles obtidos para o conjunto benchmark colocam a abordagem proposta como candidata para otimização multiobjetivo. / Protein Structure Prediction (PSP) can be considered one of the most challenging problems in Bioinformatics nowadays. When a protein is in its conformation state, the free energy is minimized. Evaluation of protein conformation is generally performed based on two values of the estimated free energy, i.e., those provided by intra and intermolecular interactions among atoms. Some recent experimental studies show that these interactions are in conflit, justifying the use of multiobjective optimization approaches to solve PSP. In this case, the energy optimization is performed separately, different from the mono-objective optimization which considers the sum of free energy. Differential Evolution (DE) is a technique based on Evolutionary Computation and represents an interesting alternative to solve multiobjective PSP. In this work, an optimizer based on DE is proposed to solve the PSP problem. Due to the great number of parameters, typical for evolutionary algorithms, this work also investigates adaptive parameters strategies. In experiments, a simple approach based on ED is evaluated for PSP. An evolution for this method, which incorporates concepts of the MOEA/D algorithm and parameter adaptation techniques is tested for a set of benchmarks in the multiobjective optimization context. The preliminary results for PSP (for six real proteins) are promising and those obtained for the benchmark set stands the proposed approach as a candidate to the state-of-art for multiobjective optimization.

Este trabalho apresenta a utilização de biorrealimentação (biofeedback) como meio de reordenar a mecânica ventilatória de indivíduos obesos e com sobrepeso, através da utilização de um capnômetro para medir a pressão de CO2 durante a marcha em esteira ergométrica, induzindo-os a aumentar a quantidade do CO2 expirado, promovendo uma adequação do esforço motor. O objetivo consistiu em condicionar a mecânica ventilatória do grupo de estudo, através do aumento do CO2 expirado, melhorando a captação de oxigênio, em virtude do aumento da ventilação, incidindo num aumento da frequência cardíaca e adequando o nível de esforço do ato motor, induzindo-os a respirar mais e melhor. Foram avaliados 18 indivíduos (12 obesos e/ou sobrepeso, sendo 8 mulheres e 4 homens e 6 com padrão de peso normal para a classificação de percentual de gordura, 2 mulheres e 4 homens) com idades entre 20 e 55 anos. Foram excluídos indivíduos que tivessem sido clinicamente diagnosticados com hipertensão, diabetes ou alguma cardiopatia sem que houvesse controle medicamentoso, mulheres grávidas e participantes com qualquer tipo de problema osteomuscular ou articular que dificultasse a marcha. Realizou-se inicialmente a medição das dobras cutâneas para separar os respectivos grupos e a medição do VO2, através de teste submáximo em bicicleta ergométrica, pelo protocolo de Astrand para verificar a aptidão inicial dos participantes. O protocolo foi realizado em 12 sessões de dias alternados, onde cada voluntário foi submetido a 15 minutos ininterruptos de atividade aeróbia em esteira ergométrica. Foi utilizada uma máscara que se mantinha conectada ao capnômetro e ao dispositivo de biofeedback que devolvia a informação da execução do ato motor ao participante. A velocidade da esteira foi monitorada através da oscilação da frequência cardíaca, que foi mantida em 65% da frequência cardíaca máxima (FCM), para a idade, sendo medida por frequencímetro. A média encontrada para o percentual de gordura no grupo controle foi de 17±5,79% e para o grupo de estudos foi de 35±4,27%. A análise média dos valores de CO2 do grupo de estudos foi inicialmente de 23,18±3,73 mmHg e ao final das coletas foi de 27,39±3,03 mmHg, e para o grupo controle a média foi respectivamente de 20,77±3,86 mmHg e 26,44±3,90 mmHg. Ao comparar indivíduos obesos e/ou sobrepeso aos indivíduos classificados com percentual de gordura normal e suas respectivas pressões de CO2, há uma diferença estatisticamente significativa. A capnometria para medição de CO2 por meio da utilização de biofeedback como meio de indução do aumento do fluxo de CO2 expirado durante atividade aeróbia permitiu observar uma melhora na dinâmica respiratória dos indivíduos obesos e com sobrepeso através das medidas associadas entre o capnômetro e os valores da frequência respiratória que melhoraram o desempenho motor dos voluntários através do aumento da velocidade de execução da tarefa motora. / This work presents the use of biofeedback as a way to record the ventilatory mechanics of overweight and obese individuals, through the use of a capnometer to measure the CO2 concentration during walking on a treadmill, inducing them to increase the amount of exhaled gas. The aim of this study was to conditioning the mechanical ventilation study group improving their oxygen uptake. Eighteen individuals (12 obese and / or overweight, with 8 women and 4 men and 6 with standard weight for the classification of fat percentage, with 2 women and 4 men) aged 20 to 55 years old were evaluated. Individuals who had been clinically diagnosed with hypertension, diabetes or any disease without any medical control, pregnant women and participants with any type of musculoskeletal or joint problem that made it difficult in gait were excluded. It was initially carried out the measurement of skinfolds in order to separate the respective groups, and the measurement of VO2 through submaximal test on a cycle ergometer at Astrand protocol to verify the initial fitness of the participants. The protocol was performed in 12 sessions in alternate days, where each volunteer was subjected to 15 minutes of continuous aerobic activity on a treadmill. Every 5 minutes a recording was performed with data of the biofeedback and values of capnometer equipment, totaling 15 minutes. A mask that remained attached to capnometer and biofeedback device that returned the information of the execution engine to each participant was used. The treadmill speed was monitored through the oscillation of heart rate, which was maintained at 65% of maximum heart rate (MHR) for age, as measured by frequency counter. The average percentage of fat found in the control group was 17±5.79% and for the study group was 35±4.27%. The average analysis of the CO2 values of the study group was initially 23.18±3.73mmHg and the end of the collections was 27.39±3.03mmHg, and for the control group the average was respectively 20.77±3.86 mmHg and 26.44±3.90mmHg. When comparing obese and/or overweight individuals classified with normal fat percentage and their respective CO2 concentrations there is a statistically significant difference. Capnometer for measuring CO2 through the use of biofeedback as a means of inducing increased flow of exhaled gas during aerobic activity proved to be a useful and applicable tool. It was possible to verify a type of respiratory behavior in obese and overweight and associate measurements obtained by capnometer with the values of respiratory frequency.

O Problema de Dobramento de Proteínas (PDP) é considerado um dos desafios abertos mais importantes da Biologia e Bioinformática. Nesta tese, uma nova abordagem para simular os pathways de dobramento de proteínas é proposta onde, ao invés de utilizar a estrutura tridimensional da proteína, os estados de dobramento são representados por Mapas de Contatos (MC). Autômatos Celulares bidimensionais (2D-CA) são utilizados para simular o processo de dobramento, onde cada configuração representa um estado de dobramento e é obtida em relação ao seu estado predecessor e uma regra de transição. Determinar uma regra de transição para um dado comportamento dinâmico representa uma tarefa complexa. Portanto, é apresentada uma abordagem distribuida baseada em Programação de Expressão Gênica, chamada pGEP-CA. Funções de fitness específicas, baseadas em medidas de similaridade e simetria, são propostas. Também, um algoritmo heterogêneo paralelo Ecologicamente-inspirado é proposto. Este algoritmo, chamado pECO, é utilizado na reconstrução de estruturas a partir de MCs, usando o modelo 3D-AB off-lattice. De acordo com o nosso conhecimento, é apresentada a primeira aplicação de Dinâmica Molecular (DM) ao PFP, usando o mesmo modelo de proteínas. Experimentos foram realizados para verificar a adequabilidade das abordagens propostas. Além disto, uma breve análise sobre o balanceamento de carga de processamento das arquiteturas paralelas é apresentada. Os resultados mostram que as abordagens obtiveram resultados coerentes, sugerindo que são adequadas para o problema. As regras de transição induzidas pelo pGEP-CA são capazes de gerar 2D-CA que representam MCs corretamente. Sobre a abordagem pECO, os resultados demonstram que a combinação de abordagens evolucionárias concorrentes se beneficia do efeito da coevolução e das diferentes estratégias de busca. Além disto, pode ser observado que a abordagem de DM é capaz de levar a conformações que mimetizam propriedades biológicas, como a formação do núcleo hidrofóbico e os movimentos de respiração (breathing) das proteínas. Também foi observado que o processamento paralelo é essencial, permitindo a obtenção de resultados em tempos de processamento razoáveis. Finalmente, as conclusões e diversas direções de pesquisa são apresentadas. / The Protein Folding Problem (PFP) is considered one of the most important open cha- llenges in Biology and Bioinformatics. In this thesis, a novel approach for simulating the protein folding pathways is proposed where, instead using the three-dimensional structure of the protein, the folding states are represented by Contact Maps (CM). A two-dimensional Cellular Automata (2D-CA) evolver is used to simulate the fol- ding process, where each configuration represents a folding state and it is obtained according to its predecessor and a transition rule. Since finding transition rules for simulating a dynamic behavior is a very difficult task, it is proposed a distributed Gene-Expression Programming (GEP)-based approach, called pGEP-CA. Specific fit- ness functions, based on similarity and symmetry measures, are proposed. Futhermore, a heterogeneous parallel Ecology-inspired algorithm is proposed. This algorithm, called pECO, is used for reconstructing the structures from the CMs, using the 3D-AB off-lattice model. Moreover, to the best of our knowledge, it is presented the first application of Molecular Dynamics (MD) to the PFP, using the same model of proteins. Experiments were done to evaluate the adequacy of the proposed approaches. Also, a brief analysis of the load balancing of the parallel architectures is presented. Results show that the approaches obtained coherent results, suggesting their adequacy for the problem. The induced transition rules by the pGEP-CA are able to generate 2D-CA that represent CMs correctly. Concerning the pECO approach, results show that the combination of concurrent evolutionary approaches took advantage of both the coevolution effect and the different search strategies. In addition, it can be observed that the MD approach is capable of displaying biological features such as the hydrophobic core formation and the protein breathing motion. Furthermore, it is observed that parallel processing was not only justified but also essential for obtaining results in reasonable processing time. Finally, concluding remarks and several research directions for future works are presented.

CAPES / O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono; essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2 ) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petró-leo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2 , água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes à obtenção das linhas características de absorção na região de 1, 5 μm e 2, 0 μm, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com multi reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanômetros para a região de 1, 5 μm. Ainda no estudo do CO2 foram observados, no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes à sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1, 57 μm e no MIR a região espectral de 2, 0 μm e 4, 3 μm. Nas medidas experimentais na região de 4, 3 μm foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0, 11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Outro experimento feito com petróleo teve como objetivo resultados para a absorção de uma filme fino de petróleo usando uma fonte supercontínua e uma Análise de Espectro Óptico (OSA), e a obtenção de um coeficiente de atenuação óptica como o uso do PCF, os resultados foram comparados. Para trabalhos referentes à região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observada a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5 o com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração. No trabalho de doutorado os melhores resultados foram obtidos na região de IR em 4, 3 μm, utilizando como fonte elementos resistivos e como detectores termopilhas, esses resultados foram obtidos para uma espessura de petróleo de 6 cm. / This work aims to assist the optical instrumentation development for oil and carbon dioxide detection: this instrumentation will serve as basis for the development of a monitoring system involving two-phase flow of carbon dioxide (CO2 ) and oil. In the first part studies were develo- ped on the optical properties of oil and CO2 in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2 , water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 μm and 2.0 μm, using different experimental techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained from the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 μm. Still in the CO2 were observed, in the gas chamber, the relation between camera pressure with characteristics of absorption lines. Data were obtained for oil fot its optical absorbance in regions of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). The FTIR results allowed to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil; this is in the NIR region of 1.57 μm and MIR spectral region of 2.0 μm and 4.3 μm. In the experimental measurements in the region of 4.3 μm was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was aimed to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR the effects of radiation emissivity to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region have being studied. All the results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study of oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5 o with the metal film, finding a variation the 45 nm of refractive index unit. In the doctorate work the best results were obtained in the IR region of 4.3 μm , using as a source resistive elements and how detectors was utilized a thermopile, these results were obtained for a thick of oil of 6 cm.

Esta dissertação apresenta uma abordagem que aplica a Teoria de Projeto Axiomático à especificação de requisitos de sistemas de software visando melhorar a qualidade da solução de projeto desde a análise do problema até identificação dos requisitos efetivamente. O objetivo da abordagem desenvolvida é propor e integrar métodos que permitam o uso de Projeto Axiomático em um processo de Engenharia de Requisitos. A abordagem de especificação de requisitos proposta estabelece a aplicação do Axioma da Independência no estudo de problemas e necessidades do cliente. Desta forma, incluem-se no processo de engenharia de requisitos novos domínios de estudo, o domínio do problema e o domínio do cliente. É estabelecido um modelo de hierarquia para a decomposição de Problemas, Necessidades e Requisitos. Um processo de ziguezagueamento é sugerido para que se possa aplicar a abordagem proposta em conjunto com um processo de desenvolvimento interativo e incremental como o Processo Unificado. Apresenta-se um estudo de caso de um sistema de teste de equipamentos em uma linha de produção. O estudo de caso tem por objetivo demonstrar a aplicação prática da abordagem de especificação de requisitos proposta nesta dissertação. Além disso, apresentam-se os experimentos realizados durante o trabalho de pesquisa e seus resultados. Para exemplificar a execução dos experimentos é demonstrado o processo de especificação de requisitos para um sistema de relatórios de visitas a clientes. Este exemplo ajuda a ilustrar como a abordagem apresentada pode ser utilizada para aumentar a consistência e a qualidade dos requisitos de projetos de software. / This dissertation presents an approach that applies the Axiomatic Design Theory to the specification of software systems requirements. This Approach intends to improve the quality of design solution since its inception, which involves from the problem analysis to the requirements identification. The purpose of the proposed approach is to offer methods that allow the use of axiomatic design in a process of requirements engineering. The proposed requirements specification approach establishes the application of the Axiom of Independence in the study of problems and costumer needs. In this way, new domains, the problem domain and the costumer domain, are included in the requirements engineering process. It is established a hierarchical model for the decomposition of Problems, Needs and Requirements. A zig-zag process is suggested in order to use the propose approach in conjunction with a development process as the Unified Process. It is presented a case study of a system for equipment testing in a production line. The case study aims to demonstrate the practical application of the requirements specification approach proposed in this dissertation. In addition, the results of the experiments performed during the research are presented. The requirements specification process for a reporting system is shown to illustrate the experiments. This example helps billustrate how the proposed approach can be used to increase the consistency and quality of software requirements.

CAPES / O segmento downstream da cadeia de suprimentos da indústria brasileira de petróleo é composta por bases de produção (e.g. refinarias), armazenamento (e.g. terminais) e consumo (e.g. mercados consumidores) e modais de transportes (e.g. oleodutos, navios, caminhões e trens). O planejamento da transferência de derivados de petróleo nesta rede multimodal é um problema complexo e atualmente é realizado para um horizonte de três meses com base na experiência de profissionais e sem auxílio de um sistema computacional de apoio à decisão. Basicamente, o problema pode ser visto como uma negociação para alocação de recursos disponíveis (tais como derivados de petróleo, tanques e modais de transporte) pelas diferentes bases envolvidas que necessitam enviar ou receber derivados de petróleo. Na literatura, alguns problemas semelhantes, porém mais voltados para o planejamento de redes formadas por um único tipo de modal de transporte, têm sido tratados por diferentes abordagens, com predominância da programação matemática. Estes trabalhos ilustram a difícil tarefa de modelar grandes problemas por meio desta abordagem. Geralmente, tais trabalhos consideram apenas um curto horizonte de planejamento ou apenas uma parte do problema original, tal como uma parte da rede petrolífera brasileira, gerando limitações importantes para os modelos desenvolvidos. Devido às características do problema em estudo, o qual envolve toda a rede de transporte e apresenta perfil de negociação entre as diferentes entidades envolvidas, surge o interesse da utilização do paradigma de sistemas multiagente. O paradigma de agentes tem sido aplicado a problemas de diferentes contextos, particularmente em problemas de gerenciamento de cadeias de suprimentos devido à sua correspondência natural com a realidade e, em geral, em problemas que envolvem a competição por recursos por meio de mecanismos de negociação com base em leilões. Este trabalho apresenta um novo protocolo de negociação baseado em leilões e aplicação deste protocolo em forma de um modelo multiagente na resolução do problema de planejamento em questão. Os agentes que formam a solução representam principalmente os locais de produção, armazenamento, consumo e os modais de transporte na rede petrolífera brasileira. O objetivo destes agentes é manter um nível de estoque diário factível de cada produto em cada local por meio de transferências de produtos pela rede petrolífera brasileira com preferível redução do custo de transporte. Por fim, este trabalho apresenta a satisfação destes objetivos por meio de experimentos em cenários fictícios e reais da rede brasileira de petróleo. / The Brazilian oil supply chain is composed by oil refineries, consumer markets, terminals for intermediary storage and several transportation modals, such as pipelines, ships, trucks and trains. The transportation planning of oil products in this multimodal network is a complex problem that is currently performed manually based on expertise, for a period of three months, due to the lack of a software system to cover the problem complexity. Such problem involves the negotiation of available resources such as oil products, tanks and transportation modals between different sources and consumption points. Similar problems, but more directed to the planning of single modes of transportation, have been treated by different approaches, mainly mathematical programming. Such works illustrate the difficult task of modeling large problems with this mechanism. Generally, they consider a short horizon planning or only part of the original problem, such as a part of the network, rendering important limitations to the models developed. Due to the characteristics of the problem in study where the full network needs to be considered and there exists negotiation amongst the different entities involved, the usage of multi-agent models seems to be worth to explore. Such models have been applied in different contexts such as to supply chain problems due its natural correspondence with the reality. Furthermore, in problems involving competition for resources, multi-agents negotiation mechanisms based on auctions are commonly applied. Thus, this thesis presents one auction-based solution formed by the cooperation among agents for them to achieve their goals. The agents involved in the auctions represent mainly the production, storage and consumption locations. Their goal is to maintain a daily suitable inventory level for each product by means of transportation through the multimodal network at a low transport cost. Finally, this paper presents the satisfaction of these objectives through experiments on real and fictional scenarios of Brazilian oil network.

Este trabalho apresenta a modelagem e implementação em FPGA de sistemas digitais de compensação de desvios para TIADC. O desenvolvimento de todo este trabalho seguiu uma metodologia top-down. Seguindo esta metodologia foi elaborada a modelagem comportamental de um TIADC de dois canais e seus respectivos desvios de offset, ganho e clock skew em Simulink. Além da modelagem comportamental de sistemas digitais para a compensação destes desvios. Para o desvio de clock skew foi utilizada a compensação através de filtros de delay fracionário, mais especificamente, a eficiente estrutura de Farrow. A definição de qual método seria utilizado para o projeto do filtro, e da estrutura de Farrow, exigiu um estudo de diversos métodos de projeto apresentados na literatura. Os sistemas digitais de compensação modelados foram convertidos em código VHDL, para implementação e validação em FPGA. A validação destes sistemas foi realizada utilizando a metodologia de teste FPGA In Loop. Os resultados obtidos com os compensadores de desvio do TIADC demonstram o elevado ganho de desempenho fornecido por estas estruturas. Além deste resultado, este trabalho ilustra o potencial das metodologias de desenvolvimento, implementação e teste em FPGA utilizadas para a obtenção destes compensadores. / This work presents the modeling and FPGA implementation of digital TIADC mismatches compensation systems. The development of the whole work follows a top-down methodology. Following this methodology was developed a two channel TIADC behavior modeling and their respective offset, gain and clock skew mismatches on Simulink. In addition was developed digital mismatch compensation system behavior modeling. For clock skew mismatch compensation fractional delay filters were used, more specifically, the efficient Farrow struct. The definition of wich filter design methodology would be used, and wich Farrow structure, required the study of various design methods presented in literature. The digital compensation systems models were converted to VHDL, for FPGA implementation and validation. These system validation was carried out using the test methodology FPGA In Loop . The results obtained with TIADC mismatch compensators show the high performance gain provided by these structures. Beyond this result, these work illustrates the potential of design, implementation and FPGA test methodologies.

CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Smart grids representam o futuro das redes elétricas. Estes tipos de redes devem ser robustas a flutuações de carga e devem possuir monitoramento e gerenciamento inteligente e em tempo real. Para que essas demandas sejam possíveis, é preciso uma comunicação de dados de alta velocidade, flexível e de baixo custo. Dentro dessas características, muitos autores propõem a utilização de sistemas de comunicação sem fio, os quais possuem um custo de implantação mais baixo que redes ópticas ou cabeadas, além de possuir flexibilidade para rápidas mudanças de topologia, e não apresentarem barreiras em relação aos padrões e equipamentos, o oposto por exemplo ao caso do sistema PLC (Power Line Communications). Devido à natureza difusora do canal sem fio, segurança nesse tipo de rede é um dos pontos mais críticos, já que um ataque de qualquer natureza pode provocar perturbações e blackouts na rede elétrica, ou gerar problemas de privacidade, na situação em que atacantes passivos (eavesdroppers) interceptam mensagens da rede com o intuito de obter algum tipo de benefício. Esta segunda situação, de ataques passivos, será abordada neste trabalho. Além das tradicionais técnicas de criptografia geralmente utilizadas para aumentar a segurança de redes de comunicação, outra área que vem recentemente despertando interesse da comunidade científica é a área de segurança na camada física, a qual é baseada em conceitos da teoria da informação de Shannon. Neste trabalho, utiliza-se as técnicas de codificação de rede para aumentar a segurança na camada física da parte de múltiplo acesso de uma rede de comunicação sem fio, em que dois transmissores possuem informações independentes para um destino em comum, na presença de um eavesdropper. Utilizando-se a probabilidade de outage com restrições de sigilo como métrica, mostra-se através de resultados analíticos e numéricos que o sigilo pode ser aumentado através da codificação de rede, quando comparada com a transmissão direta e com as técnicas de cooperação tradicionais. / Smart grids represent future of electrical power systems . These kind of networks must be robust to load fluctuations as well as have smart monitoring and intelligent management in real-time fashion . Based on the aforementioned needs, many authors propose the use of wireless communication systems in order to meet these demands, due to their efficient tradeoff between low-cost and high-seed when compared to wired connections such as optical fibens or metallic cables, and, in addition, they are flexible to topology changes and do not have constrainsts in terms of standards and devices, the opposite for example to the case of PLC(Power Line Comminications) .Due to the broadcast nature of the wireless medium , security is onde of the critical issues in smart grids since the occurrence of attacks can lead to load fluctuations and blackouts in the electrical system, or generate secrecy problems, in the situation where passive eaversdroppers intercept messages in the network aiming to obtain some kind of benefit . This second case of passive attacks will be addressed in the work. In addition to classical cryptography strategies commonly used to increase the security in communications systems another area which has been studied by the scientific community is the physical-layer security, which is based on the Shannon’s information theory. In this work, we use the network coding technique as tool to increase the physical-layer in a mulple access wireless network, where two users have independent information to transmit to a common destination, in the presence of an eavesdropper. By using the secrecy outage probability as the metric, we show through theoretic and numerical results that the network security can be increased through the use of network coding when compared to the transmission and traditional cooperative techniques.

CAPES / As crescentes preocupações com as questões ambientais têm levado à consideração de alternativas na mobilidade e transporte urbanos. Dentre as opções disponíveis, os ônibus elétricos movidos a bateria têm sido bastante considerados em termos de flexibilidade, sustentabilidade e emissão de poluentes. Estes ônibus possuem um sistema plug-in de recarga (PEV) que permite sua circulação sem a necessidade de alimentação constante por vias exclusivas. Entretanto, devido à necessidade de recarga das baterias, o número e posicionamento das estações de recarga tem papel fundamental na viabilização da operação deste sistema de transporte. Este trabalho apresenta um modelo de simulação de eventos discretos que captura o padrão de movimentação dos ônibus e respectivo consumo de energia. Uma estratégia de otimização que utiliza um algoritmo genético biobjetivo é então associada à simulação (otimização com simulação) para minimizar tanto o número de estações de recarga quanto o tempo extra necessário para recarga dos ônibus. Foram utilizados dados reais de demanda de passageiros, velocidade dos ônibus, distâncias, relevos, entre outros, do sistema de transporte da cidade de Curitiba. Os parâmetros de mobilidade dos ônibus estão baseados em dados reais adquiridos, filtrados e analisados através de um sistema informatizado da empresa que controla o sistema público e urbanização da cidade para um total de seis linhas expressas. O modelo utilizado para o consumo de energia dos ônibus é baseado no cálculo da energia necessária para movimentar um ônibus, levando em conta diferentes carregamentos e forças de resistência ao movimento. Nas paradas que possuem estações de recarga, considera-se recarga rápida da bateria ajustada para os parâmetros típicos de um ônibus elétrico. Os resultados mostram diferentes arranjos para o número de estações de recarga e atrasos nos itinerários programados, assim como os níveis de operação das baterias. / Growing concerns with environmental issues have resulted in considering alternatives for urban mobility and public transportation. Among the available options, battery- powered electric buses have been fairly considered in terms of flexibility, sustainability and emission of pollutants. These buses have a plug-in recharge system (PEV) that allows their driving in exclusive lanes without providing external power. However, recharge of batteries is necessary, and the number and placement of charging stations have a fundamental role in the operation of this transport system. This work presents a discrete event simulation model that captures the pattern of bus dynamics and its corresponding energy consumption. An optimization strategy that utilizes a biobjective genetic algorithm is then associated with the simulation (simulation with optimization) to minimize both the number of charging stations and average extra time needed to recharge batteries. Information for passenger demand, bus speed, distances, road elevations, among others, have been obtained from the Curitiba public transportation system. The parameters of buses’ mobility are based on real data acquired, filtered and analyzed for six express lines from raw data provided by a computational system of a company that controls the public transportation system and urban area of the city. The mathematical model used to compute the power consumption of a bus is based on the energy required to run it, taking into account different loadings and friction forces. Fast battery recharge with typical parameters of an electric bus is considered at bus stops with charging stations. The results show different arrangements for the number of recharge stations and delays in the bus schedule, as well as the corresponding energy levels of batteries.