O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

[pt] Nesta Tese, o design robusto, com um modelo incerto de um sistema de vibro-impacto eletromecânico é feito. O sistema é composto de um carrinho, cujo movimento é aciondo por um motor de corrente contínua e um martelo embarcado neste carrinho. O martelo é ligado ao carrinho por um mola não linear e por um amortecedor linear, de modo que existe um movimento relativo entre eles. Uma barreira linear flexível, colocada fora do carrinho, restringe aos movimentos do martelo. Devido ao movimento relativo entre o martelo e a barreira, impactos podem ocorrer entre estes dois elementos. O modelo metemático desenvolvido para sistema leva em conta a influência do motor no comportamento dinâmico do sistema. Alguns parâmetros do sistema são incertos, tais como a rigidez e os coeficientes de amortecimento da barreira flexível. O objetivo da Tese é realizar uma otimização deste sistema eletromecânico com respeito a parâmetros de projeto, a fim de maximizar a potência de impacto sob a restrição de que a potência elétrica consumida pelo motor seja menor do que um valor máximo. Para escolher os parâmetros de projeto no problema de otimização, uma análise de sensibilidade foi realizada a fim de definir os parâmetros mais sensíveis do sistema. O problema de otimização é formulado no âmbito de otimização robusta, devido à presença de incertezas no modelo. As distribuições de probabilidades das variáveis aleatórias são construídas através do Princípio da Máxima Entropia e estatísticas da resposta estocástica do sistema são calculadas pelo método de Monte Carlo. O conjunto de equações não-lineares é apresentado, e um integrador temporal adaptado é desenvolvido. O problema de otimização não-linear estocástico com restrição é resolvido para diferentes níveis de incertezas e também para o caso determinístico. Os resultados são diferentes e isto mostra a importância da modelagem estocástica. / [en] In this Thesis, the robust design with a uncertain model of a vibro-impact eletromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, a sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling. / [fr] Dans cette Thèse, nous étudions l optimization robuste avec un modèle incertain d un système étrectromécanique avec vibro-impact. Le système életromécanique est contitué d un chariot dont le mouvement est généré par un moteur à courant continu, et d un mateau embarqué dans ce chariot. Le Marteau est relié au chariot par un resort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu un mouvement relative existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placée à l extérieur du chariot limite les mouvements du Marteau. En raison du mouvement relative entre le Marteau et la barrière, des impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système dèveloppé prend en compte l influence du moteur à courant continu dans la comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tells que les coefficients de rigidité et d amortissement de la barreire flexible. L objectif de la Thèse est de réaliser une optimization de ce système életromécanique en jouant sur les paramètres de conception. Le but est de maximizer la puissance d impact sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu soit inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramétres de conception dans le probléme d optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de definir les paramètres du système les plus sensibles. L optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste em raison de la présence d incertitudes dans le modele. Les lois de probabilités des variables aléatoires du problème sont construites em utilisant le Principle du Maximum d Entropie. Les statistiques de la réponse stochastique du système sont caçculées em utilisant la méthode de Monte Carlo. L emsemble de équations non linéaires est presente, et um solveur temporel adapte est développé. Le probléme d optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d incertitudes, ainsi que pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l importance de la modélisation stochastique.

[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / As reservas brasileiras de petróleo e gás natural apresentarão um significativo crescimento a partir do desenvolvimento das reservas da camada do pré-sal. Segundo estimativas elaboradas pela EPE e pela EIA, nos próximos vinte anos, haverá um quadro de grande oferta de gás natural no país, com a oferta excedendo a demanda. Como o segmento de transporte do gás natural tem grande importância na formação do custo desse energético, uma tecnologia de transporte menos onerosa irá proporcionar um cenário mais vantajoso para a entrada do gás no mercado. A presente dissertação analisa duas tecnologias disponíveis para escoamento do gás natural da camada pré-sal gasoduto submarino e gás natural liquefeito embarcado e as possibilidades de utilização no mercado interno ou para ser exportado. De acordo com dados da Petrobras, foram utilizadas três rotas para escoar o gás do pré-sal. A metodologia Valor Presente Líquido (VPL) foi utilizada para analisar qual dos investimentos em transporte é mais viável economicamente. Os resultados mostraram que de acordo com as perspectivas de produção do gás natural no horizonte de tempo analisado as duas tecnologias serão viáveis, com o transporte por gasodutos a alternativa mais viável economicamente. / The Brazilian reserves of oil and natural gas will present a significant growth from the development of the reserves of the pre-salt layer. According to estimates prepared by the EPE and the EIA, the next twenty years, the supply of natural gas will exceed demand. As the transportation sector natural gas has great importance in the formation of the cost of energy, a less costly transport technology will provide a more advantageous to enter the gas market. This dissertation examines two technologies available to transport the gas from the pre-salt layer - offshore pipeline and liquefied natural gas shipped - and the possibilities of using the domestic market or for export. According to data from Petrobras, three routes were used to drain the gas from the pre-salt. The methodology Net Present Value (NPV) was used to analyze which of the investments in transport is more economically viable. The results showed that according to the outlook for natural gas production in the time horizon analyzed the two technologies will be feasible to transport by pipeline economically the most viable alternative.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / As reservas brasileiras de petróleo e gás natural apresentarão um significativo crescimento a partir do desenvolvimento das reservas da camada do pré-sal. Segundo estimativas elaboradas pela EPE e pela EIA, nos próximos vinte anos, haverá um quadro de grande oferta de gás natural no país, com a oferta excedendo a demanda. Como o segmento de transporte do gás natural tem grande importância na formação do custo desse energético, uma tecnologia de transporte menos onerosa irá proporcionar um cenário mais vantajoso para a entrada do gás no mercado. A presente dissertação analisa duas tecnologias disponíveis para escoamento do gás natural da camada pré-sal gasoduto submarino e gás natural liquefeito embarcado e as possibilidades de utilização no mercado interno ou para ser exportado. De acordo com dados da Petrobras, foram utilizadas três rotas para escoar o gás do pré-sal. A metodologia Valor Presente Líquido (VPL) foi utilizada para analisar qual dos investimentos em transporte é mais viável economicamente. Os resultados mostraram que de acordo com as perspectivas de produção do gás natural no horizonte de tempo analisado as duas tecnologias serão viáveis, com o transporte por gasodutos a alternativa mais viável economicamente. / The Brazilian reserves of oil and natural gas will present a significant growth from the development of the reserves of the pre-salt layer. According to estimates prepared by the EPE and the EIA, the next twenty years, the supply of natural gas will exceed demand. As the transportation sector natural gas has great importance in the formation of the cost of energy, a less costly transport technology will provide a more advantageous to enter the gas market. This dissertation examines two technologies available to transport the gas from the pre-salt layer - offshore pipeline and liquefied natural gas shipped - and the possibilities of using the domestic market or for export. According to data from Petrobras, three routes were used to drain the gas from the pre-salt. The methodology Net Present Value (NPV) was used to analyze which of the investments in transport is more economically viable. The results showed that according to the outlook for natural gas production in the time horizon analyzed the two technologies will be feasible to transport by pipeline economically the most viable alternative.

[pt] Aplicações em Internet das Coisas (IoT) baseadas em agentes têm surgido como aplicações que podem envolver sensores, dispositivos sem fio, máquinas e softwares que podem compartilhar dados e que podem ser acessados remotamente. Essas aplicações vêm sendo propostas em vários domínios de aplicação, incluindo cuidados em saúde, cidades inteligentes e agricultura. Uma terminologia comumente utilizada para representar agentes embarcados inteligentes é embodied agents, a qual é proposta esse trabalho para projetar agentes para o domínio de IoT. Embodied agents significa agentes que possuem corpo, o qual pode ser definido pelos tipos de sensores e atuadores, e controlador, normalmente representada por uma rede neural artificial. Apesar da capacidade de reconfiguração ser essencial para embodied agents inteligentes, existem poucas tecnologias para suportar sistemas reconfigurfuaveis. Além disso, é necessário novas abordagens para lidar com as variabilidades dos agentes e do ambiente, e novos procedimentos para investigar a relação o entre o corpo e o controlador de um embodied agent, assim como as interações entre as mudanças do agente e do ambiente. Além da variabilidade do corpo e do controlador desses agentes, a exemplo do número e tipos de sensores, assim como o número de camadas e tipos de função de ativação para a rede neural, também é preciso lidar com a variabilidade do ambiente em que esses agentes estão situados. A fifim de entender melhor e esclarecer os conceitos de embodied agents, este trabalho apresenta um modelo de referência para embodied agents autoconfifiguráveis de IoT. A partir desse modelo de referência, três abordagens foram criadas para projetar e testar agentes embarcados reconfifiguráeis: i) um software framework para o desenvolvimento de embodied agents no domínio de internet das coisas; ii) uma arquitetura para configurar o corpo e controlador dos agentes de acordo com as variantes do ambiente; e iii) uma ferramenta para testar embodied agents. As abordagens foram avaliadas através de estudos de caso e experimentos em diferentes domínios de aplicação. / [en] Agent-based Internet of Things (IoT) applications have recently emerged as applications that can involve sensors, wireless devices, machines and software that can exchange data and be accessed remotely. Such applications have been proposed in several domains including health care, smart cities and agriculture. Embodied Agents is a term used to denote intelligent embedded agents, which we use to design agents to the IoT domain. Each agent is provided with a body that has sensors to collect data from the environment and actuators to interact with the environment, and a controller that is usually represented by an artificial neural network. Because reconfigurable behavior is key for autonomous embodied agents, there is a spectrum of approaches to support system reconfigurations. However, there is a need for approaches to handle agents and environment variability, and for a broad spectrum of procedures to investigate the relationship between the body and the controller of an embodied agent, as the interaction between the agent and the environment changes. In addition to the body and controller variability of these agents, such as those variations related to the number and types of sensors as well as the number of layers and types of activation function for the neural network, it is also necessary to deal with the variability of the environment in which these agents are situated. A discussion of the embodied agents should have some formal basis in order to clarify these concepts. Notwithstanding, this thesis presents a reference model for selfcon figurable IoT embodied agents. Based on this reference model, we have created three approaches to design and test self-configurable IoT embodied agents: i) a software framework for the development of embodied agents to the Internet of Things (IoT) applications; ii) an architecture to configure the body and controller of the agents based on environment variants; and iii) a tool for testing embodied agents. To evaluate these approaches, we have conducted diffierent case studies and experiments in difierent application domains.

[pt] Com o aumento da expectativa, de vida o envelhecimento da população vem se tornando uma realidade cada vez mais presente no Brasil e no mundo. Esse novo panorama demográfico já é vivenciado por países ricos, que vêm cada vez mais investindo para se enquadrar nessa nova realidade, seja por meio da adaptação de suas cidades ou pelo desenvolvimento de novas tecnologias para melhora da qualidade de vida. Na área da robótica, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de reabilitação e melhora da qualidade de vida da população idosa. Nesses trabalhos são desenvolvidos, por exemplo, dispositivos que buscam auxiliar o idoso na realização de suas atividades diárias, provendo, principalmente, suporte e prevenção de quedas. Essa dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento do protótipo de um dispositivo para assistência a locomoção de pessoas idosas que possuam alguma deficiência visual, motora e/ou cognitiva. O dispositivo tem como objetivo guiar o usuário em ambientes urbanos de maneira autônoma. O protótipo deve ser capaz de desviar de qualquer obstáculo que possa levar o idoso à queda, além de ter uma estrutura que ofereça apoio para o seu deslocamento. O dispositivo proposto possui uma estrutura semelhante a um andador, cuja base é um robô móvel diferencial. Para que possa obter informações do ambiente, o dispositivo está equipado com sensores de distância, uma central inercial e encoders nas rodas. Todo o processamento ocorre em uma CPU de baixo custo, Raspberry Pi 1 versão 2, embarcada no próprio dispositivo e o controle de navegação ocorre por meio de um algoritmo baseado em lógica Fuzzy. Os acessos ao hardware e software de controle do dispositivo são gerenciados pelo framework de robótica Player (Gerkey e contribuidores, 2010). Para que o dispositivo receba a rota de navegação ele está conectado a um celular, com sistema operacional Android, via protocolo TCP/IP. Esse celular está executando uma API (Application Programming Interface) do Google Maps que fornece direção e distância ao objetivo a cada passo da interação, além da localização global do dispositivo, por meio do sensor GPS do celular. O objetivo deve ser inicialmente estabelecido pelo usuário por meio da API desenvolvida, para que a navegação autônoma ocorra. Além da navegação autônoma, o dispositivo permite que usuário envie comandos diretamente para os motores por meio de sensores de força instalados próximos aos pontos de apoio do usuário. / [en] With the increase in life expectation, the ageing population has become more present in Brazil and the world. This new demographic scenery has been already framed by rich countries, which are increasingly investing to fit this new reality, either through the adaptation of their cities or the development of new technologies to improve the quality of life. In the area of robotics, several researches have been developed with the aim of rehabilitation and improvement of the quality of life of the elderly population. These researches are developing, for example, devices to assist the elderly in carrying out their daily activities, providing support and prevention of falls. This work presents the development of the prototype of a device to assist elderly person with any visual, cognitive and/or motor impairment to locomotion by itself. The device aims to guide the user autonomously in urban environments. The prototype should be able to avoid any obstacle that can cause the elderly to fall, besides having a structure that offers support for his balance. The proposed device has a structure similar to a walker whose base is a differential mobile robot. For the device be able to get information from the environment, it is embedded with range sensors, a measurement central unit and encoders at the wheels. All processing occurs in a low-cost CPU, Raspberry Pi 1 B version 2, which is embedded in the mobile device, and the navigation control algorithm is based on fuzzy logic. The robotic framework Player (Gerkey and contributors, 2010) provides the access to the hardware and software of the device. For the device to receive the navigation route, it is connected to an Android operating system phone, by TCP/IP protocol. This phone runs an API (Application Programming Interface) from Google Maps that provides the direction and the distance to the goal in every step of its interaction, besides the global location of the robot, provided by the GPS sensor of the phone. The user should firstly set the goal with the API developed, so that the autonomous navigation will occur. In addition to the autonomous navigation, the device allows the user to send commands directly to the motors by means of the force sensors installed at the robot cane.