Thesis (MScEng (Process Engineering))--University of Stellenbosch, 2006. / The natural immune system is an exceptional pattern recognition system based on memory and learning that is capable of detecting both known and unknown pathogens. Artificial immune systems (AIS) employ some of the functionalities of the natural immune system in detecting change in dynamic process systems. The emerging field of artificial immune systems has enormous potential in the application of fault detection systems in process engineering. This thesis aims to firstly familiarise the reader with the various current methods in the field of fault detection and identification. Secondly, the notion of artificial immune systems is to be introduced and explained. Finally, this thesis aims to investigate the performance of AIS on data gathered from simulated case studies both with and without noise. Three different methods of generating detectors are used to monitor various different processes for anomalous events. These are: (1) Random Generation of detectors, (2) Convex Hulls, (3) The Hypercube Vertex Approach. It is found that random generation provides a reasonable rate of detection, while convex hulls fail to achieve the required objectives. The hypercube vertex method achieved the highest detection rate and lowest false alarm rate in all case studies. The hypercube vertex method originates from this project and is the recommended method for use with all real valued systems, with a small number of variables at least. It is found that, in some cases AIS are capable of perfect classification, where 100% of anomalous events are identified and no false alarms are generated. Noise has, expectedly so, some effect on the detection capability on all case studies. The computational cost of the various methods is compared, which concluded that the hypercube vertex method had a higher cost than other methods researched. This increased computational cost is however not exceeding reasonable confines therefore the hypercube vertex method nonetheless remains the chosen method. The thesis concludes with considering AIS’s performance in the comparative criteria for diagnostic methods. It is found that AIS compare well to current methods and that some of their limitations are indeed solved and their abilities surpassed in certain cases. Recommendations are made to future study in the field of AIS. Further the use of the Hypercube Vertex method is highly recommended in real valued scenarios such as Process Engineering.

<p>U radu su istražene mogućnosti za razvoj modela za izbor<br />lokacije proizvodnih sistema. Razvijen je model za izbor<br />lokacije proizvodnih sistema i verifikovan u studiji<br />slučaja na teritoriji AP Vojvodine i opštine Inđija.<br />Posebno značajan rezultat je fazi ekspertni sistem za<br />analizu kriterijuma odlučivanja, geografski informacioni<br />sistem za skrining i prostorni sistem za podršku u izboru<br />lokacije proizvodnih sistema.</p> / <p>This paper examines the possibilities of model development for<br />production systems site selection. Developed model for production<br />systems site selection is presented and tested in case study of AP<br />Vojvodina and Indjija municipality. A particularly important result is<br />developed fuzzy expert system for factor analysis, geographic<br />information system for screening and spatial decision support system.</p>

Orientador: Norian Marranghello / Banca: Adilson Gonzaga / Banca: Rodrigo Capobianco Guido / Resumo: A presença de sistemas automatizados é cada vez mais comum para as pessoas. Seus exemplos vão desde máquinas de lavar, que executam praticamente todo o processo de lavagem e secagem de roupas, até linhas de produção em fábricas dos mais diversos produtos. Esses são exemplos de aplicações que exigem pouca interferência humana no processo, já que as etapas realizadas pelos sistemas são bem definidas e iterativas. Porém, outros tipos de processos podem exigir capacidade de discernimento daquele - ou daquilo - que os executam. Para automatizar esse tipo de processo uma das alternativas é o uso de técnicas de inteligência artificial. Esse trabalho visa realizar uma análise comparativa entre técnicas de inteligência artificial, quais sejam Redes Neurais Artificiais e Máquinas de Vetores de Suporte. Com essa análise espera-se estabelecer qual técnica é mais vantajosa para implementação em hardware de sistemas inteligentes, por meio do uso das principais métricas de projeto de circuitos digitais: tamanho do circuito gerado, consumo de energia e desempenho. Para tanto, foram realizados diversos testes com técnicas de pré-processamento e extração de características das imagens para determinar requisitos necessários para o funcionamento do sistema. A partir desses requisitos foram implementadas diversas arquiteturas de sistemas inteligentes para obter-se o classificador mais adequado para resolver o problema. Por fim, o classificador escolhido foi implementado em FPGA na forma de um módulo, o qual se integrará a um sistema maior, para interpretação de imagens digitais para detecção de ervas daninhas em plantações de soja / Abstract: Automated systems have become common for people. Examples range from washing machines, which perform almost the entire cloth washing and drying process, to the production of many products. These are examples of applications that require modest human interference, since the steps taken by the systems are well defined and iterative. However, other processes may require a capacity of judgment of the natural or artificial system performing them. An alternative to automate this kind of process is the use of artificial intelligence techniques. This study aims at a comparative analysis of artificial intelligence techniques, namely Artificial Neural Networks and Support Vector Machines. With this analysis we hope to establish which technique is more advantageous for hardware implementation of an intelligent system, through the use of key metrics for digital circuit design: circuit size, power consumption and performance. Therefore, several tests were performed with image preprocessing and feature extraction techniques to determine requirements for system operation. From these requirements, various architectures for intelligent systems were implemented to obtain the most appropriate classifier to solve the problem. Finally, the chosen classifier was implemented in FPGA as a module to fit into a larger system for digital image interpretation for the detection of weeds in crops of soybeans / Mestre

Neste trabalho foi realizada uma busca por relações, regras e transformações entre duas metodologias constituintes da Inteligência Computacional - a Computação Nebulosa e a Computação Evolutiva. Com a organização e sistematização da existência de tais transformações, obtém-se uma mudança na modelagem de soluções que as utilizam de forma conjunta, possibilitando que teorias e modelos bem estabelecidos em uma das metodologias possam ser aproveitados pela outra de uma forma mais robusta, correta por construção, intrínseca e transparente. Um modelo foi proposto para direcionar o trabalho de pesquisa. Através da análise desse modelo e de uma revisão bibliográfica realizada, transformações pontuais entre as metodologias foram elencadas, e posteriormente consolidadas por meio de experimentos práticos: uma Base de Conhecimento (BC) de um Controlador Lógico Nebuloso foi criada e modificada, conforme a necessidade, através de um Algoritmo Genético (AG). Com a abordagem desenvolvida, além da criação de BCs a partir de pouquíssimo conhecimento sobre o domínio do problema, tornou-se possível a inserção de novos \"comportamentos desejados\" em BCs já existentes, automaticamente, através de AGs. Os resultados desses experimentos, realizados sobre uma plataforma computacional especificada e implementada para este fim, foram apresentados e analisados. / This work addressed a search of relations, rules and transformations between two Computational Intelligence constituent methodologies - Fuzzy Computing and Evolutionary Computing. The existence of these relations changes the actual way of solutions modeling that uses these methodologies, allowing the utilization of well established theories and models of one technique by the other in a more robust, intrinsic and transparent way. Besides the research and systematization of points that indicate the existence of relations between the two methodologies, a model to guide these exploration was proposed. By this model analysis and by the bibliographic revision made, punctual transformations were pointed out, and further consolidated through practical experiments: a Knowledge Base (KB) of a Fuzzy Logic Controller was created and modified automatically by a Genetic Algorithm. With the developed approach, besides the creation of KBs, it became possible to automatically insert new \"desired behaviors\" to existent KBs. The results of such experiments, realized through a computational platform specified and implemented to this task, were presented and analyzed.

Neste trabalho é apresentado um instrumento para auxílio à tomada de decisão em processos que envolvem avaliações da resistência do solo à penetração de raízes. Seu desenvolvimento fundamenta-se na concepção de uma nova ferramenta instrumental avançada, que viabiliza em tempo quase real informações para análise da variabilidade espacial da resistência do solo à penetração de raízes, tanto para área como para perfil, devido aos processos de compactação natural ou artificial do solo. Ensaios para a medida da resistência do solo à penetração de raízes podem ser realizados tanto em ambiente laboratorial como diretamente em campo agrícola. Para o desenvolvimento utilizou-se o enfoque da instrumentação inteligente, bem como uma microsonda (ângulo de cone de 30º, diâmetro de base de 1,6 mm e comprimento total de 30 mm) sensoriada por célula de carga. Resultados mostram que medidas de resistência do solo à penetração de raízes podem ser realizadas até um limite de (49,03 +/- 0,07) Kgf com resolução de 1,57 Kgf. Adicionalmente, a versatilidade do sistema é verificada para a coleta de dados e interpretação da resistência do solo à penetração de raízes, uma vez que podem ser apresentados na forma de tabelas, gráficos unidimensionais, mapas bidimensionais e mapas tridimensionais. Desta maneira, o sistema possibilita ao usuário uma rápida interpretação sobre o estado de agregação do solo em áreas de cultivo agrícolas. / This work is presented an instrument for decision-making in agricultural processes based on the measurements and mapping of soil resistance to the root penetration. Its development was based on a new and advance instrumentation tool, which enables in almost real-time to acquire the necessary information for spatial variability analysis of the resistance to root of plants penetration in soils, due to, either, natural or artificial compaction soil processes, i.e., not only for an area of soil but also to soil profile. The system allows soil resistance essays for both laboratory and agricultural field. Moreover, intelligent instrumentation concept was focused in the development, as well as a microprobe (30º for the spire angle, 1,6 mm for the base diameter, and 30 mm of total length), sensored by strain-gage transducers. Results have shown that measurements of soil resistance to root of plant penetration are allowed up to the limit of (49,03 +/- 0,07) Kgf, with 1,57 Kgf of resolution. Additionally, the suitability of the system is verified for soil resistance data collection and its interpretation to root plant penetration, since they can be presented in format of tables, one-dimensional graphics, two-dimensional maps and three-dimensional maps. Therefore, this system allows to the users a fast interpretation of soil aggregation state in agricultural areas.

Este trabalho de pesquisa objetivou a obtenção de uma nova política de operação que melhor caracterizasse o comportamento ótimo dos sistemas hidrelétricos de potência, mesmo diante das mais variadas condições hidrológicas. Este trabalho teve duas linhas de investigação. Uma tratou do problema de previsão de vazões afluentes mensais, na busca por abordagens e técnicas que definissem bons modelos de previsão. A outra linha de pesquisa tratou de encontrar uma nova política de operação, para o problema de planejamento da operação, que fosse capaz de definir uma seqüência de decisões operativas mais estáveis, confiáveis e de menor custo operativo. Na primeira linha de pesquisa, investigou-se três aspectos importantes na definição de um modelo de previsão: técnicas de pré-processamento dos dados, definição automática do espaço de entrada e avaliação do desempenho de alguns modelos de redes neurais e sistemas Fuzzy como modelos de previsão. Nestes aspectos foram investigadas a utilização da análise dos componentes principais e o tratamento da série temporal de vazões afluentes como um sinal discreto, utilizando-se a representação \"analytic signal\". Para a definição do espaço de entrada de maneira automática utilizou-se a abordagem da \"dynamic modelling\", empregando-se a \"average mutual information\" e \"false nearest neighbors\". Para implementação dos modelos de previsão foram estudados e avaliados quatro modelos inteligentes: rede SONARX, rede SONARX-RBF, modelo ANFIS e a rede ESN. Já na outra linha de pesquisa, foi proposta uma política de operação que fosse capaz de estabilizar os despachos de geração termelétrica e conseqüentemente o custo marginal de operação. A política de operação preditiva estabilizada via termo inercial produziu excelentes resultados operativos, melhorando de forma significativa a performance da política preditiva. / This research work aimed at obtaining a new operation policy which could better describe the optimal behavior of hydropower systems, even when faced with the most varied hydrological conditions. This research had two lines of investigation. The first one dealt with the monthly water inflow forecasting problem, searching for approaches and techniques which could define efficient forecasting models. Three important aspects to define a forecasting model were investigated: data pre-processing techniques, automatic definition of the embedding and the performance assessment of some artificial neural networks and Fuzzy systems. Hence, the use of the principal components analysis was investigated and, considering the water inflow time series as a discrete signal, the analytic signal representation could be used to preprocess the data. Furthermore, the embedding was automatically defined using the dynamic modelling approach, by using the average mutual information and the false nearest neighbors techniques. The forecasting models were implemented by four intelligent models: SONARX network, SONARX-RBF network, ANFIS model and the ESN network. The other line of investigation came up with a new operation policy to solve the operation planning problem, defining a more stable, reliable and less costly operative decision sequence. It was proposed an approach to stabilize the thermoelectric generation dispatches and, as a result, the operative marginal cost. The predictive operation policy stabilized via inertial term produced excellent operation results, improving the performance of the predictive policy.

Neste trabalho foi realizada uma proposta de utilização de Sistemas de Inferência Nebulosos para controlar, em tempo de execução, parâmetros de Algoritmos Genéticos. Esta utilização busca melhorar o desempenho de Algoritmos Genéticos diminuindo, ao mesmo tempo: a média de iterações necessárias para que um Algoritmo Genético encontre o valor ótimo global procurado; bem como diminuindo o número de execuções do mesmo que não são capazes de encontrar o valor ótimo global procurado, nem mesmo para quantidades elevadas de iterações. Para isso, foram analisados os resultados de diversos experimentos com Algoritmos Genéticos, resolvendo instâncias dos problemas de Minimização de Funções e do Caixeiro Viajante, sob diferentes configurações de parâmetros. Com base nos resultados obtidos a partir destes experimentos, foi proposto um modelo com a troca de valores de parâmetros de Algoritmos Genéticos, em tempo de execução, pela utilização de Sistemas de Inferência Nebulosos, de forma a melhorar o desempenho do sistema, minimizando ambas as medidas citadas anteriormente. / This work addressed a proposal of the application of Fuzzy Systems to adjust parameters of Genetic Algorithms, during execution time. This application attempts to improve the performance of Genetic Algorithms by diminishing, at the same time: the average number of necessary generations for a Genetic Algorithm to find the desired global optimum value, as well as diminishing the number of executions of a Genetic Algorithm that are not capable of finding the desired global optimum value even for high numbers of generations. For that purpose, the results of many experiments with Genetic Algorithms were analyzed; addressing instances of the Function Minimization and the Travelling Salesman problems, under different parameter configurations. With the results obtained from these experiments, a model was proposed, for the exchange of parameter values of Genetic Algorithms, in execution time, by using Fuzzy Systems, in order to improve the performance of the system, minimizing both of the measures previously cited.

O uso da tecnologia sensorless é uma tendência crescente para acionamentos industriais aplicados em máquinas elétricas. A estimação dos parâmetros elétricos e mecânicos envolvidos com o controle da máquina elétrica são utilizados freqüentemente para se evitar medir todas as variáveis envolvidas no processo. A redução de custos em acionamentos industriais, além do incremento da robustez do sistema, são algumas das vantagens do uso de técnicas sensorless. Este trabalho propõe o uso de lógica fuzzy para estimar a velocidade de rotação de motores de indução trifásicos. Estão presentes resultados de simulações computacionais e comparação com outras técnicas inteligentes para validação da abordagem apresentada. / The use of sensorless technologies is an increasing tendency on industrial drives for electrical machines. The estimation of electrical and mechanical parameters involved with the electric machine control is used very frequently in order to avoid measurement of all variables from this process. The cost reduction may also be considered in industrial drives, besides the increasing robustness of the system, as advantages of the use of sensorless technologies. This work proposes the use of fuzzy logic to estimate the speed in three-phase induction motors. Simulation results are presented to validate the proposed approach and comparative analyses with other intelligent techniques are also outlined.

Os métodos convencionais para o controle de tensão concentram-se na média tensão. Em alguns casos não são suficientes para a correção da tensão na rede secundária. Este trabalho apresenta os problemas relacionados à regulação de tensão na baixa tensão, os métodos convencionais para correção da tensão e uma estratégia para o controle de tensão na rede secundária de sistema de distribuição de energia elétrica. A solução final proposta é um conjunto de transformador com taps no lado de baixa tensão, hardware e software que promovem a comutação das derivações do transformador de forma automática. Para o desenvolvimento dessa estratégia será abordada a aplicação de sistemas inteligentes, o sistema fuzzy, e a estimação de modelos elétricos dos transformadores de distribuição. O objetivo desse produto é ser uma solução prática, viável técnica e economicamente para a regulação da tensão em cenários onde os métodos convencionais não o são. Os protótipos dessa solução foram montados e testados em laboratório e em campo e os resultados atenderam ao objetivo proposto. / The conventional methods for voltage control concentrated in medium voltage. In some case, they are not enough to correct the voltage on secondary grid of distribuition. This paper presents a strategy to control the voltage on the low voltage of the distribution grid. As proposed for dealing of this problem is made the presentation of an architecture for the intelligent automatic control, that is composed of distribuition transformer with tap on the low side, hardware and software. For the development of this strategy will be approached the application the intelligent systems, Fuzzy Systems, and the estimation of electrical model of distribuition transformers. The goal with this design is to provide grants to set up a system for regulating the voltage on the low side which is technically and economically feasible to be deployed where conventional solutions, with the inclusion of line regulators, are not.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz. / It is important that electrical networks have high levels of reliability in order to maintain the ideal agility and maintenance for better functioning. On the other hand, the often unexpected load growth, failures of protectionrelated equipment and inadequate parameterization of protection functions make the analyses of protection events more complex and time-consuming. Besides, the amount of information that can be retrieved from modern digital relays is constantly increasing. In order to aid a quick decision-making and maintenance practices, this research project aimed to implement a complete diagnosis system that is automatically activated whenever a protection-related event occurs. Information to be analyzed is obtained from a database and from the protection relays, via IEC 61850 communication protocol and oscillography files. The full smart grid system is addressed, including: the data acquisition and communication system developed through a software with an IEC61850 client and an OPC server and another software with an OPC client, which is activated by set triggering events (e.g. protection tripping); the data pre-processing system, in which the data is filtered, preprocessed and formatted; and the diagnostic system. A central database maintains updated all the data. For the diagnostic system, conventional algorithms and artificial intelligence techniques are applied; particularly, an expert system is implemented. The expert system was designed to deal with different sets of input information and uses different techniques to deal with a possible lack of data, always ensuring the delivery of diagnoses. Tests and simulations were performed for short-circuits (three-phase, phase-to-phase, double-phase-to-ground and phase-to-ground) on feeders, transformers and bus bars of a substation. These tests included different states of the protection system (proper functioning and malfunctioning). The diagnostic system proved to be fully effective under both complete and partial availability of information, always providing the fault diagnosis and the analysis of the protection functions. In brief, the system enables a much more efficient maintenance to power distribution utilities, especially when preventing equipment malfunctioning, quick responses towards system problems and the need to re-define some protection functions are required. It was successfully installed in a distribution substation of Companhia Paulista de Força e Luz, a Brazilian power distribution utility.