Nas últimas décadas, avanços em tecnologias de geração, coleta e armazenamento de dados têm contribuído para aumentar o tamanho dos bancos de dados nas diversas áreas de conhecimento humano. Este aumento verifica-se não somente em relação à quantidade de amostras de dados, mas principalmente em relação à quantidade de características descrevendo cada amostra. A adição de características causa acréscimo de dimensões no espaço matemático, conduzindo ao crescimento exponencial do hipervolume dos dados, problema denominado “maldição da dimensionalidade”. A maldição da dimensionalidade tem sido um problema rotineiro para cientistas que, a fim de compreender e explicar determinados fenômenos, têm se deparado com a necessidade de encontrar estruturas significativas ocultas, de baixa dimensão, dentro de dados de alta dimensão. Este processo denomina-se redução de dimensionalidade dos dados (RDD). Do ponto de vista computacional, a conseqüência natural da RDD é uma diminuição do espaço de busca de hipóteses, melhorando o desempenho e simplificando os resultados da modelagem de conhecimento em sistemas autônomos de aprendizado. Dentre as técnicas utilizadas atualmente em sistemas autônomos de aprendizado, as redes neurais artificiais (RNAs) têm se tornado particularmente atrativas para modelagem de sistemas complexos, principalmente quando a modelagem é difícil ou quando a dinâmica do sistema não permite o controle on-line. Apesar de serem uma poderosa técnica, as RNAs têm seu desempenho afetado pela maldição da dimensionalidade. Quando a dimensão do espaço de entradas é alta, as RNAs podem utilizar boa parte de seus recursos para representar porções irrelevantes do espaço de busca, dificultando o aprendizado. Embora as RNAs, assim como outras técnicas de aprendizado de máquina, consigam identificar características mais informativas para um processo de modelagem, a utilização de técnicas de RDD frequentemente melhora os resultados do processo de aprendizado. Este trabalho propõe um wrapper que implementa um modelo neural de aprimoramento progressivo para RDD em sistemas autônomos de aprendizado supervisionado visando otimizar o processo de modelagem. Para validar o modelo neural de aprimoramento progressivo, foram realizados experimentos com bancos de dados privados e de repositórios públicos de diferentes domínios de conhecimento. A capacidade de generalização dos modelos criados é avaliada por meio de técnicas de validação cruzada. Os resultados obtidos demonstram que o modelo neural de aprimoramento progressivo consegue identificar características mais informativas, permitindo a RDD, e tornando possível criar modelos mais simples e mais precisos. A implementação da abordagem e os experimentos foram realizados no ambiente Matlab, utilizando o toolbox de RNAs. / In recent decades, advances on data generation, collection and storing technologies have contributed to increase databases size in different knowledge areas. This increase is seen not only regarding samples amount, but mainly regarding dimensionality, i.e. the amount of features describing each sample. Features adding causes dimension increasing in mathematical space, leading to an exponential growth of data hypervolume. This problem is called “the curse of dimensionality”. The curse of dimensionality has been a routine problem for scientists, that in order to understand and explain some phenomena, have faced with the demand to find meaningful low dimensional structures hidden in high dimensional search spaces. This process is called data dimensionality reduction (DDR). From computational viewpoint, DDR natural consequence is a reduction of hypothesis search space, improving performance and simplifying the knowledge modeling results in autonomous learning systems. Among currently used techniques in autonomous learning systems, artificial neural networks (ANNs) have becoming particularly attractive to model complex systems, when modeling is hard or when system dynamics does not allow on-line control. Despite ANN being a powerful tool, their performance is affected by the curse of dimensionality. When input space dimension is high, ANNs can use a significant part of their resources to represent irrelevant parts of input space making learning process harder. Although ANNs, and other machine learning techniques, can identify more informative features for a modeling process, DDR techniques often improve learning results. This thesis proposes a wrapper which implements a Progressive Enhancement Neural Model to DDR in supervised autonomous learning systems in order to optimize the modeling process. To validate the proposed approach, experiments were performed with private and public databases, from different knowledge domains. The generalization ability of developed models is evaluated by means of cross validation techniques. Obtained results demonstrate that the proposed approach can identify more informative features, allowing DDR, and becoming possible to create simpler and more accurate models. The implementation of the proposed approach and related experiments were performed in Matlab Environment, using ANNs toolbox.

A melhora da confiabilidade em redes de distribuição de energia elétrica é um tema importante para as indústrias de fornecimento de eletricidade, devido aos regulamentos estritos em muitos países. Depois de uma falha na rede, algumas chaves são usadas para isolar a falha, enquanto outras restauram a energia a alguns consumidores. A ótima seleção das chaves que serão abertas ou fechadas para restaurar a energia é conhecido como o problema de restauração de serviço. A instalação de chaves em posições estratégicas pode reduzir o tempo de parada, e assim melhorar a confiabilidade da rede. A seleção ótima de posições para instalar chaves é conhecido como o problema de alocação de chaves. Estes dois problemas estão relacionados estreitamente. Esta dissertação estuda o problema de alocação de chaves, considerando o problema de restauração de serviço como um subproblema. Dois métodos são propostos para estimar a confiabilidade de uma rede de distribuição com um conjunto dado de chaves instaladas. O foco principal está nas heurísticas para resolver o problema composto. Propõe-se aqui métodos como busca tabu, procedimento de busca gulosa adaptativa aleatória (sigla em inglês: GRASP), e procedimento iterativo de construção por amostras com reconexão de caminhos. Também estuda-se o benefício dos métodos de construção gulosa, semigulosa, aleatória e por amostras, e estuda-se o desempenho das estratégias de busca local por amostras, primeira melhoria e melhor melhoria. Os diferentes métodos são comparados e analisados. Os resultados mostram que os métodos por amostras são baratos e levam a soluções de boa qualidade. O procedimento iterativo de construção por amostras com reconexão de caminhos é o melhor método proposto para resolver o problema composto que é proposto nesta dissertação. / The improvement of reliability in electrical power distribution networks is an important issue for electricity supply industries, due to strict regulations in many countries. After a failure in the network, some switches are used to isolate the failure, while others restore the energy to some consumers. The optimal selection of the switches to open or close to restore energy is called the service restoration problem. The installation of switches in strategic places may reduce the outage time in case of blackouts, and thus improve the reliability of the network. The optimal selection of places to install switches is called the switch allocation problem. These two problems are closely related. This dissertation studies the switch allocation problem, considering the service restoration problem as a sub-problem. Two methods are proposed to estimate the reliability of a distribution network with a given set of installed switches. The main focus is in heuristics to solve the joint problem. It proposes methods like tabu search, greedy randomized adaptive search procedure, and iterated sample construction with path relinking. It also studies the benefit of greedy, semigreedy, random, and sample construction methods, and studies the performance of sample, first improvement and best improvement local search strategies. The different methods are compared and analyzed. The results show that sample approaches are inexpensive and lead to solutions of good quality. Iterated sample construction with path relinking is the best method to solve the joint problem that is proposed in this dissertation.

abstract: This teacher research study examined the effects of utilizing an intervention of Science Writing Heuristics (SWH) as a tool to increase learning during laboratory activities. Five of my eighth grade general science classes participated in this study. Two classes utilized SWH during their laboratory activities (the treatment group) and three classes performed and wrote up their labs in the more traditional, teacher-directed approach (the control group). The assessment scores of the students in the treatment group were compared to the assessment scores of the students in the control group. The post-assessments were analyzed utilizing a t-test. I was teacher in this study and the teacher of all five classes. Data from 41 students were analyzed in this study. A pre-assessment, six laboratory activities, instruction, and a post-assessment occurred within three weeks. The assessments were generated by myself and I performed a t-test using a two-sample analysis, assuming unequal variances (n=16 for treatment group, n=25 for control group) to compare the post-assessments from each group. Results indicated that there was no significant difference between the post-assessment scores of the treatment group with the post-assessment scores of control group (p=0.25). However, the t-test results revealed that when the pre- and post-assessments were compared, there was a significant difference (p=<0.05 for treatment group, p=<0.05 for control group). Each group showed considerable cognitive improvement between pre-assessment (mean scores: 52%-treatment group and 53%-control group) and the post-assessment (mean scores: 72%-treatment group and 80%-control group). This suggests that the presentation of the curriculum lacked a clear distinction between the treatment group and the control group yet benefited most students. Due to circumstances described in the limitations, further research is warranted. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Curriculum and Instruction 2015

[pt] A principal contribuição desta tese consiste no desenvolvimento de uma heurística híbrida, robusta e eficiente, para o problema de empacotamento unidimensional. A heurística proposta utiliza os seguintes componentes: limites inferiores e superiores do número de caixas; reduções; abordagem dual para a obtenção de soluções iniciais; heurísticas para redistribuição dos pesos; e busca tabu. O outro objetivo desta tese é a aplicação desta heurística para a solução do problema de escalonamento em processadores paralelos idênticos. São apresentados resultados computacionais obtidos sobre centenas de problemas testes da literatura. / [en] We propose in this work a hybrid improvement procedure for the bin packing problem. This heuristic has several components: lower and upper bounds; reductions, construction of initial solutions by reference to the dual problem;heuristics for load redistribution based on dominance, differencing, and unbalancing; and tabu search. We also investigate the application of this hybrid heuristic to the problem of task scheduling on identical parallel processors. Computational results on hundreds of benchmark test problem are presented.

O presente trabalho aborda o sistema logístico usualmente denominado Vendor Managed Inventory (VMI), no qual o fornecedor controla e coordena as decisões de reabastecimento, sendo responsável por manter os estoques de seus clientes dentro de limites fixados de antemão. O modelo proposto incorpora ainda as decisões relativas à produção e manutenção de estoque por parte do fornecedor, além da utilização de frota heterogênea na distribuição, e busca a minimização dos custos totais do sistema. Quatro heurísticas de duas etapas são propostas para a resolução do problema abordado. A primeira etapa, comum a todas as heurísticas, baseia-se em uma heurística recentemente publicada na literatura e fornece uma solução inicial viável, utilizada como ponto de partida para a etapa de melhoria subsequente, na qual é utilizada a metaheurística busca tabu ou busca em vizinhança variável. As heurísticas propostas foram avaliadas em um conjunto de teste, sendo obtidos resultados melhores que os reportados na literatura em todas as instâncias testadas. Dentre as estratégias de solução avaliadas, destaca-se a heurística baseada em busca tabu com diversificação, que demonstrou ser superior às demais heurísticas propostas. Os resultados obtidos indicam ainda que, no caso da frota disponível ser heterogênea, é vantajosa a utilização de uma adaptação do procedimento de obtenção da solução inicial, como forma de privilegiar a utilização de veículos de maior eficiência. / This thesis deals with the logistic system usually called Vendor Managed Inventory (VMI). In this system the supplier controls and coordinates the supply decisions and is responsible for keeping the inventory of each of his clients within predetermined minimum and maximum levels. Heterogeneous fleet and production/stocking decisions at the supplier are considered as well, and the proposed model seeks to minimize the total system cost. Four two-stage heuristics are proposed for this problem. The first stage consists in an adaptation of a heuristic found in the bibliography, which provides an initial viable solution that will be improved in the second stage by means of the metaheuristics tabu search or variable neighborhood search. The proposed heuristics were tested on a set of benchmark instances with improvements found on the best known results in all of the tested instances. The obtained results indicate that the tabu search based heuristic with diversification strategy is clearly superior to the other proposed heuristics and that a better fleet utilization can be obtained in the case of heterogeneous fleet by a simple improvement in the first stage, that favors the selection of more efficient vehicles.

Orientador: Sergio Azevedo de Oliveira / Banca: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Antônio César Baleeiro Alves / Resumo: Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de uma interface gráfica voltada para a resolução do problema de planejamento da expansão das linhas de transmissão, que utiliza-se de programas para a obtenção das soluções ótimas ou de boas soluções. A grande dificuldade encontrada por usuários ao interagir com estes programas, motivou o desenvolvimento de uma aplicação com interface gráfica, a qual disponibiliza ao usuário diversas metodologias para a resolução do problema do planejamento da expansão das linhas de transmissão de energia elétrica. Espera-se que software como este, agregado ao sistema de ensino tradicional que normalmente 'e utilizado num curso de engenharia elétrica, possa fortalecer o processo de aprendizagem do aluno. Assim, o software educacional Transmission Expansion Planning (TEP 1.0) está sendo desenvolvido visando propiciar um ambiente agradável para a realização de simulações e testes e favorecer a aprendizagem dos conceitos que envolvem o problema do planejamento da expansão da transmissão. É possível através deste software fazer simulações para os sistemas: Garver (6 barras/ 15 ramos), Sul brasileiro (46 barras/79 ramos) e Norte-Nordeste brasileiro (87 barras/179 ramos). O software se beneficia de recursos oferecidos por programas que são executados em background, bem como da utilização de meta-heurísticas e do ambiente de processamento de máquinas paralelas virtuais, as quais podem ser selecionadas para realização dos testes em determinado sistema / Abstract: This work proposes the development of a computational tool aimed at solving the problem of the transmission expansion planning, which uses programs in the background to obtain optimal solutions or good solutions. The great difficulty for users to interact with these programs, motivated the development of an application with a graphical interface, which provides the user with various methodologies for solving the problem of expansion planning of transmission lines of electricity. It is expected that software like this, added to the traditional school system which is normally used in electrical engineering courses, can strengthen the process of student learning. Thus, the educational software Transmission Expansion Planning (TEP 1.0) is being developed to provide a pleasant environment for simulations and testing and promote the learning of concepts involving the issue of transmission expansion planning. It is possible using this software to do simulations for the systems: Garver (6 nodes / 15 branches), South Brazilian (46 nodes / 79 branches) and North-Northeast Brazilian (87 nodes / 179 branches). The software takes advantage of capabilities offered by programs that run on background, and using meta-heuristics and the processing environment, parallel virtual machine, which can be selected to test on a system / Mestre

Escalonamento de processos é um tipo de problema de otimização combinatória no qual devemos alocar máquinas à tarefas por períodos específicos de tempo. A literatura contém diversos estudos propondo técnicas para resolver modelos de escalonamento de processos como o job shop e o open shop. Esses modelos permitem que os passos no processo produtivo sejam ou completamente ordenados ou sem ordenação alguma. Com o aumento da complexidade das aplicações industriais no encontramos, mais recentemente, diversos trabalhos que propõe problemas de escalonamento de processos mais gerais para modelar mais precisamente os processos produtivos. O mixed shop, group shop e partial shop são exemplos de tais modelos. Nesse trabalho nós propomos uma busca tabu iterada para o partial shop, que é um modelo geral que inclui diversos modelos mais restritivos. Os componentes novos mais importantes da técnica são o gerador de solução inicial, a vizinhança e o limite inferior para a vizinhança. Em experimentos computacionais nós conseguimos demonstrar que a heurística genérica e única é capaz de competir, e as vezes superar, as técnicas de estado de arte desenvolvidas especificamente para partial, open, mixed e group shop. Algumas vezes uma máquina é o gargalo de um processo produtivo, e é replicada. Na literatura o caso das máquinas paralelas foi incluído em diversas extensões de problemas de escalonamento de processos. Nessa tese nós também propomos uma técnica para escalonar as máquinas paralelas, sem incluí-las explicitamente na representação do problema. Nós usamos técnicas gerais para os casos sem máquinas paralelas para produzir uma busca heurística tabu rápida, e estado da arte, para o caso do job shop com máquinas paralelas. / Shop scheduling is a combinatorial optimization type of problem in which we must allocate machines to jobs for specific periods time. A set of constraints defines which schedules are valid, and we must select one that minimizes or maximizes an objective function. In this work we use the makespan, which is the time the last job finishes. The literature contains several studies proposing techniques to solve shop problems such as the job shop and open shop. These problems allow the steps of the production processes to be either fully ordered or not ordered at all. With increasing complexity and size of industrial applications we find, more recently, several works which propose more general shop problems to model the production processes more accurately. The mixed shop, group shop and partial shop are examples of such problems In this work we propose an iterated tabu search for the partial shop, which is a general problem and includes several other more restrictive shop problems. The most important novel components of the solver are the initial solution generator, the neighbourhood, and the lower bound for the neighbourhood. In computational experiments we were able to show that the general partial shop solver is able to compete with, and sometimes surpass, the state-of-the-art solvers developed specifically for the partial, open, mixed and group shops. Sometimes a machine is a bottleneck in the production process, and is replicated. In the literature the parallel machines case has being included in several extensions of shop problems. In this thesis we also propose a technique to schedule the parallel machines heuristically, without including them explicitly in the representation of the problem. We use general techniques for the non-parallel machine cases to produce a fast tabu search heuristic results for the job shop with parallel machines.

Com as crescentes expansão e popularização dos jogos digitais, sua utilização para fins além do simples entretenimento é cada vez mais visada por educadores, especialistas e estudantes. No entanto, os jogos educativos nem sempre conseguem concorrer com jogos comerciais. Nesse contexto, a presente pesquisa tem por objetivo desenvolver e avaliar um conjunto de heurísticas projetuais que contribuam com o desenvolvimento, adaptação de conteúdo instrucional e avaliação de jogos digitais educativos. Para isso, foram investigados aspectos relativos ao design instrucional e abordagens de aprendizagem, bem como características referentes a elementos que constituem os jogos digitais comerciais. Esses dados, obtidos a partir de base teórica composta por autores diversos das áreas supracitadas, foram analisados e comparados a partir de informações similares e/ou complementares, gerando um conjunto inicial de heurísticas. Esse foi revisado e incrementado com informações obtidas através de entrevistas com especialistas da área, realizadas para compreender as percepções e aspectos relacionados à prática do desenvolvimento de jogos educativos. O conjunto de heurísticas foi, então, testado e avaliado por especialistas e readequado conforme o feedback recebido. Os resultados permitiram a construção de um protótipo funcional para a adaptação de conteúdo instrucional, desenvolvimento e avaliação de jogos digitais educativos. / With the growth and popularization of videogames, their use to purposes beyond simple entertainment is increasingly targeted by educators, professionals and students. However, educational games are not always able to compete with commercial games. In this context, this research intends to develop and evaluate a set of heuristics for projects, with the purpose of contribute on the development, measurement and adaptation of instructional content on educational games. In order to achieve this goal, aspects related to instructional design and learning approaches have been researched, as well as characteristics of commercial games. These data, obtained through theoretical research, were analyzed and compared through similar/complementary informations, generating a primary set of heuristics, which has been complemented by data obtained through interviews with experts on the subject. The set of heuristics was, then, tested and evaluated by experts, and reviewed according to this feedback. The results allowed the construction of a functional prototype to improve adaptation of instructional content, development and evaluation of educative games.

Re-entrant permutation flow shop problems occur in practical applications such as wafer manufacturing, paint shops, mold and die processes and textile industry. A re-entrant material flow means that the production jobs need to visit at least one working station multiple times. A comprehensive review gives an overview of the literature on re-entrant scheduling. The influence of missing operations received just little attention so far and splitting the jobs into sublots was not examined in re-entrant permutation flow shops before. The computational complexity of makespan minimization in re-entrant permutation flow shop problems requires heuristic solution approaches for large problem sizes. The problem provides promising structural properties for the application of a variable neighborhood search because of the repeated processing of jobs on several machines. Furthermore the different characteristics of lot streaming and their impact on the makespan of a schedule are examined in this thesis and the heuristic solution methods are adjusted to manage the problem’s extension.

Este trabalho aborda o problema de programação da produção em um flexible flow line com tempos de setup. De acordo com a literatura, este ambiente pode ser considerado como um caso especial do Flow Shop com múltiplas máquinas, onde as tarefas podem saltar estágios. Neste estudo, foram analisados dois problemas: o primeiro, com tempos de setup independentes da sequência, e o segundo, com setup dependente da sequência de tarefas. Além disso, o setup das máquinas para as tarefas pode ser antecipado ou não. No primeiro caso, as máquinas de um estágio podem ser preparadas para o processamento de uma tarefa antes do seu término no estágio anterior. Se o setup não pode ser antecipado, a tarefa deve esperar o seu término no estágio de produção anterior. Este ambiente produtivo pode ser encontrado em um vasto número de indústrias tais como química, eletrônica, automotiva e têxtil. A medida de desempenho dos problemas é a duração total da programação (makespan). Este é um critério apropriado para sistemas de produção com grandes cargas de trabalho e em que a utilização dos recursos produtivos em longo prazo deve ser otimizada. O exame da literatura mostrou que há poucos estudos abordando a programação em flexible flow line. Considerando este aspecto, este trabalho apresenta heurísticas construtivas originais para a obtenção de programações apropriadas ao problema mencionado. Uma extensiva experimentação computacional foi executada para avaliar o desempenho relativo das heurísticas. Os resultados experimentais foram analisados e discutidos. / This work addresses the job scheduling on a flexible flow line with separate setup times. According to the literature, this scheduling problem can be considered as a special case of the Flow Shop with multiple machines, where the jobs may skip stages. Two modeled problems have been studied. In the first scheduling problem the setup times are sequence independent, and in the second one these times are sequence dependent. Moreover, the machine setup task can be either anticipatory or non-anticipatory. In the first case, a k-stage machine may be prepared for a job processing before its completion on the k-1 production stage. Otherwise, the setup task must wait for the job completion on the former production stage. This production environment can be found in a number of industries such as chemicals, electronics, automotive, and textiles. The performance measure of the production schedules is the makespan, that is, the total time to complete the schedule. This is an appropriate performance criterion for production systems with large workloads, and where the utilization of productive resources in the long term should be optimized. The literature examination has shown that there is a small number of studies dealing with flexible flow line scheduling. Having this in mind, this work introduces original constructive heuristics in order to obtain suitable schedules for the aforementioned scheduling problem. An extensive computational experience has been carried out in order to evaluate the relative performance of the heuristics. Experimental results are discussed.