Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The food niche and the interactions between different groups of bees and plants can be studied, in dissimilar systems, using the association of tools, such as plant-bait, pollen analysis and interaction network approach. In this context, the general aim of this work was to study the interactions between bees and plants in two ecological systems: one natural, using species of Malpighiaceae as plant-baits, and other crop area, using the consortium between eggplant (Solanum melongena) and pumpkin (Cucurbita moschata) as bait plants. In the natural system, observations of the foraging behaviour and the analysis of pollen loads of oil-collecting bees sampled in Byrsonima spp. showed that: 1) the behaviour of foraging for pollen and oil was significantly associated with the taxonomic groups; 2) the main pollen source for these bees was Byrsonima spp. and 3) the robustness of interaction networks was influenced by the removal of bees according to the abundance, body size and taxonomic groups. Additionally, in this system we also studied the food niche of Exomalopsis fulvofasciata. This species foraged in five floral sources (being Byrsonima the most important) and used predominantly small pollen grains and flowers with non poricidal anthers. In the agrosystem, we observed a low similarity in the communities of flower visitors between the two crops that have been exploited for the collection of complementary resources (pollen and nectar). Furthermore, we observed that the complete system, formed by all bee species, both crops and surrounding plants, showed a greater robustness to the removal of species than all the simplest scenarios, except for the exclusion of bees according to their abundance. Thus, the results obtained in this study contributed to a greater understanding of bees-plants interactions in natural areas in Cerrado and crop areas. Information about the foraging behaviour and food niche, associated with simulations of possible extinction scenarios can be used to support actions of conservation and management of pollinators. / O nicho alimentar e as interações entre diferentes grupos de abelhas e plantas podem ser estudados, em sistemas distintos, usando a associação de ferramentas, como planta-isca, análise polínica e abordagem de redes de interações. Nesse contexto, o objetivo geral deste trabalho foi estudar as interações entre abelhas e plantas em dois sistemas ecológicos: um natural, utilizando espécies de Malpighiaceae como plantas-iscas, e outro cultivado, utilizando-se consórcio de cultivos de abóbora-menina (Cucurbita moschata) e berinjela (Solanum melongena) como plantas-iscas. No sistema natural, a observação do comportamento de forrageamento e a análise das cargas polínicas das abelhas coletoras de óleo amostradas em Byrsonima spp. mostraram que: 1) os comportamentos de forrageamentos para pólen e óleo foram significativamente associados aos grupos taxonômicos; 2) a principal fonte de pólen para esses insetos foi Byrsonima spp. e 3) a robustez das redes de interações foi influenciada pela remoção das abelhas de acordo com a abundância, tamanho corporal e grupos taxonômicos. Além disso, nesse sistema também foi estudado o nicho alimentar de Exomalopsis fulvofasciata (Apidae). Essa espécie forrageou em cinco fontes florais (sendo Byrsonima a principal delas) e usou predominantemente grãos de pólen pequenos e flores com anteras não poricidas. Já no agrossistema, foi verificada uma baixa similaridade entre as comunidades de visitantes florais dos cultivos que foram explorados para a coleta de recursos complementares (pólen e néctar). Além disso, observou-se que o sistema completo, formado por todas as espécies de abelhas, ambos os cultivos e as plantas do entorno, apresentou maior robustez quanto à remoção de espécies do que todos os cenários mais simples, exceto quanto a eliminação das abelhas de acordo com a abundância. Assim, os resultados obtidos contribuiram com o Bmaior entendimento das interações abelhas-plantas em reservas naturais de Cerrado e áreas cultivadas. As informações sobre os comportamentos de forrageamento e o nicho alimentar, associada às simulações de possíveis cenários de extinções, podem ser usadas como subsídio para ações de conservação e manejo dos polinizadores. / Doutor em Ecologia e Conservação de Recursos Naturais

A teoria das redes complexas é uma área relativamente nova da Ciência, inspirada por dados empíricos tais como os obtidos de interações biológicas e sociais. Esta área apresenta uma natureza altamente interdisciplinar, de modo que tem unido cientistas de diferentes áreas, tais como matemática, física, biologia, ciência computação, sociologia, epidemiologia e muitas outras. Um dos problemas fundamentais nessa área é entender como a organização de redes complexas influencia em processos dinâmicos, como sincronização, propagação de epidemias e falhas e ataques. Nessa dissertação, é apresentada uma análise da relação entre estrutura e robustez de redes complexas através da remoção de vértices. Para a aplicação deste estudo, foram adquiridas bases de dados de interações de proteínas de quatro espécies, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster e Homo sapiens, como também mapas das malhas de rodovias de sete países, Brasil, Portugal, Polônia, Romênia, Austrália, Índia e África do Sul. Foi estudada a robustez dessas redes através de simulação de falhas e ataques, segundo uma dinâmica de remoção de vértices. Nesse caso, a variação na estrutura das redes devido a essa remoção foi quantificada pelas medidas do tamanho da maior componente conectado, do diâmetro e da média dos comprimentos dos menores caminhos. Ademais, foram utilizadas duas medidas para quantificar a robustez, isto é, a entropia da distribuição das conexões e entropia dinâmica, baseada em cadeias de Markov. Tais medidas foram aplicadas nas redes reais onde se verificou que as espécies mais complexas, como o homem e a mosca, apresentam as redes mais robustas. Com relação aos países, Romênia, Portugal e Brasil apresentam as malhas rodoviárias mais resistentes a perturbações. A correlação entre essas medidas de entropia e as medidas topológicas permitiu identificar que a média do grau dos vizinhos e o coeficiente da lei de potência da distribuição do número de conexões são as medidas que apresentam maior correlação com as medidas de entropia. Tal resultado sugere que a presença de conexões alternativas entre os vizinhos dos vértices removidos favorece a resiliência das redes, pois tendem a minimizar as perturbações causadas pelas remoções. No caso das malhas rodoviárias, foi proposta uma nova medida de acessibilidade e esta se mostrou altamente correlacionada com a entropia dinâmica. Nesse caso, verificou-se que as cidades localizadas no litoral e nas fronteiras dos países são as que menos contribuem para robustez das redes de rodovias. Desse modo, os resultados obtidos sugerem que o planejamento do sistema de transporte de um país deve priorizar o investimento em infra-estrutura rodoviária próximo das cidades com menor acessibilidade, de forma a torná-las mais acessíveis, visando melhorar o transporte de mercadorias e pessoas. Os métodos aqui propostos permitem identificar tais cidades. Ademais, na análise de redes de proteínas, os resultados obtidos podem auxiliar no desenvolvimento de novos modelos de redes, bem como entender os mecanismos evolutivos que priorizam a robustez dos organismos. / The study of complex networks is a relatively new area of science inspired by the empirical studies of real-world networks, such as social and biological networks. This are has a highly multidisciplinary nature, which has brought together researchers from many areas including mathematics, physics, biology, computer science, sociology, epidemiology, statistics and others. One of the main problems in this area is to know how the network organization is related to dynamic process, such as synchronization, epidemic spreading and topological perturbation due to deletion of nodes and edges. In this dissertation, it is presented a study of the relationship between the structure and resilience of complex networks. This investigation was applied to the protein-protein networks of four species, namely Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster and Homo sapiens, as well as the road networks of seven countries, i.e. Brazil, Portugal, Romania, Australia, India, and South Africa. It was studied the resilience of such networks through simulations of random fails and attacks by node deletion. The topological changes due to this simulation were quantified by measures, including the size of the largest component, the diameter and the average shortest path length. In addition, the network robustness was quantified by the entropy of the degree distribution and the dynamic entropy, related to Markov chains. This analysis in real-world networks revealed that more complex species, such as the H. sapiens and D. melanogaster are the most resilient. In addition, Romania, Brazil and Portugal have the most robust road maps. The correlation analysis between topological and dynamic measures revealed that the average neighborhood degree and the coefficient of scaling in the power law of the degree distribution quantify the proprieties that most contribute for the resilience in protein networks. Moreover, with respect to the road networks, it was introduced a new accessibility measure, which revealed to be correlated to the dynamic entropy. In fact, cities localized in the border of networks are the ones with the smallest contribution for the network resilience. Therefore, the obtained results suggest that the traffic planning should mainly connect cities near the frontiers of countries, in order to improve the resilience and accessibility. In addition, the obtained results with respect to protein networks allow improving network modeling and understanding the biological processes that reinforce the resilience of organisms.

O estudo das vibrações é importante para prevenir danos em equipamentos ou mesmo evitar catástrofes de grande natureza. Nesse sentido, aproveitar a energia que seria dissipada na vibração e contribuir no controle do sistema representa um grande avanço tecnológico. O termo Energy Harvesting (Colheita de Energia) está relacionado ao contexto do aproveitamento energético, utilizando sistema de conversão para transformação da energia em eletricidade. Através de um dispositivo com viga engastada e massa inercial na extremidade, é possível realizar o estudo de vibração e coleta de energia, ao se considerar uma estrutura piezelétrica acoplada na viga e conectada a um circuito elétrico com resistor. Estruturas inteligentes que atuam na conversão de energia mecânica em elétrica, ou vice-versa, são fundamentais para esse estudo, o que motiva a inclusão dos sensores piezelétricos no projeto de dispositivos estudados e sujeitos a vibrações. Por outro lado, otimizar parâmetros de projeto é fundamental para aumentar a amplitude de vibração e tornar o processo com maior desempenho, tendo em vista maior captação de energia. Ainda, parâmetros otimizados podem estar sujeitos a incertezas do projeto e variações, devido a flutuações ambientais, como temperatura, pressão, propriedades dos materiais, geometria, etc. Por isso, técnicas robustas que tornem os projetos menos sensíveis a variações são interessantes para serem abordadas. Embora métodos de projetos robustos sejam eficientes, poucas pesquisas têm sido feitas na área da dinâmica de vibrações e alguns processos podem demandar tempo computacional dependendo do estudo ou projeto. Este trabalho tem como propósito abordar um método específico de projeto robusto focado em uma metodologia com matrizes chamadas ortogonais. Além disso, o método determinístico via algoritmo de Programação Sequencial Quadrático (SQP) é utilizado. O trabalho consiste numa abordagem para coleta de energia em um modelo de viga engastada, otimizando parâmetros e inserindo incertezas no sistema para análise de robustez e verificação de comprimentos adequados de vigas para os dispositivos. Os resultados mostram um aumento da energia coletada, analisando funções de resposta em frequências para saída de potência, diante de uma entrada de deslocamento no engaste do dispositivo, projetado via otimização determinística, além de aumento de robustez de acordo com certos critérios considerando circuito elétrico com resistência corretamente selecionada. / The study of vibrations is important to prevent damage to equipment or even prevent major catastrophes. In this sense harvesting the energy that would otherwise be dissipated in vibration and contributing to the control of the system represents a great technological advance. The term Energy Harvesting is related to the context of energy use, using a conversion system to transform energy into electricity. Through a device with clamped beam and inertial mass at the end, it is possible to study the vibration and energy harvesting, considering a piezoelectric structure coupled to the beam and connected to a resistance electric circuit. Smart structures that act in the conversion of mechanical energy to electrical energy, or vice versa, are fundamental for this study, which motivates the inclusion of piezoelectric sensors in the design of studied devices and subject to vibrations. On the other hand, optimizing design parameters is fundamental to increase the amplitude of vibration and increase process performance, in view of greater power uptake. Furthermore, optimized parameters may be subject to design uncertainties and variations due to environmental fluctuations such as temperature, pressure, material properties, geometry, etc. Therefore, robust techniques that make designs less sensitive to variations are interesting to be addressed. Although robust design methods are efficient, few researches have been done in the area of vibration dynamics and some processes may require computational time depending on the study or project. This work aims to address a specific method of robust design focused on a methodology with matrices called orthogonal. In addition, the deterministic method using Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is used. The work consists of an approach to harvest energy in a clamped beam model, optimizing parameters and inserting uncertainties in the system for robustness analysis and verification of adequate beam lengths for the devices. The results show an increase in the harvested energy, analyzing frequency response functions for power output, in the face of a displacement input in the device clamp, designed through deterministic optimization,besides increasing robustness according to certain criteria considering electric circuit with correctly selected resistance.

Concretos com baixo consumo de cimento Portland se justificam por motivos técnicos (menor calor de hidratação, retração e fissuração) e de sustentabilidade (menores consumos de energia e matérias-primas, emissão de CO2 e demanda por transporte). A variabilidade nas matérias-primas, nas condições ambientais e no processo de confecção de um concreto resultam em variabilidade de diversas propriedades no estado fresco e endurecido. A viabilidade da aplicação de concretos com baixo consumo de cimento, em escala no campo, depende da sensibilidade que estes apresentam diante das variabilidades presentes. Concretos com robustez adequada, ou seja, suficientemente tolerantes às variações, são desejáveis. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar a robustez de concretos com baixo consumo de cimento, com foco principal em desvios no proporcionamento e variabilidade granulométrica e morfológica dos agregados. Aplicando conceitos de empacotamento e dispersão de partículas, uso de fílers calcários, escolha adequada dos materiais e aplicação de métodos reológicos para desenvolvimento da composição, desenvolveu-se um concreto com efetivo baixo consumo de ligantes (3,66 kg/m3/MPa). Os resultados obtidos indicam que as mudanças granulométricas são as mais impactantes, em especial devido à variabilidade no teor de pó fino nos agregados britados. Mudanças morfológicas, em especial na fração de tamanho que mais impacta no empacotamento (fração dominante), também são relevantes. O cenário de desvios de pesagem proporcionou o menor impacto dentre os três avaliados. Estas conclusões são específicas do concreto analisado e das particularidades dos cenários de variabilidade considerados. Por este motivo esta pesquisa buscou explicar de modo mais geral a influência das diversas variáveis. A distância que separa as partículas (IPS e MPT), a área específica dos materiais granulares e as concentrações de sólidos são alguns dos parâmetros que se correlacionam com o comportamento reológico nos diversos cenários avaliados. Com base no processo experimental e de análise dos resultados aplicados, propôs-se uma metodologia para avaliação de robustez e um índice numérico para avaliação quantitativa da robustez. Foram ainda propostas algumas ferramentas que visam atribuir mecanismos robustos ao processo de produção de concreto: sistema computacional para previsão de propriedades baseado em caracterização fundamental dos constituintes, uso de reômetro de concreto como instrumento de controle de qualidade e medida no campo da robustez e instrumentação de misturador como mecanismo de detecção de mudanças na etapa de mistura. / The use of concretes with low Portland cement content is justified by technical reasons (lower hydration heat, shrinkage and cracking) and sustainability (lower energy and raw materials consumptions, CO2 emissions and demand for transport). Variability in raw materials, environmental conditions and production process result in variability of various concrete properties in the fresh and hardened states. The feasibility of applying low cement concretes in large production scale depends on the sensitivity that these concretes show, given the existing variability. Concretes with adequate robustness, that is, sufficiently tolerant to variations are desirable. This research evaluated the robustness of concretes with low cement consumption, with focus on deviations in proportioning and particle size and morphological variability of the aggregates. Applying particle packing and dispersion concepts, rheological control, use of limestone fillers and appropriate of material choice a concrete with effective low binder consumption (3.66 kg/m3/MPa) was developed. The obtained results indicate that among the considered scenarios, the particle size changes are the most impactful, especially due to the presence of fine dust in the crushed aggregates. Morphological changes, especially in the size fraction that most impacts the packing (dominant fraction), are also relevant. Weighing deviations provided the smallest impact among the three evaluated scenarios. These findings, however, are specific to the analyzed concrete and the considered variability scenarios. For this reason, this research aimed to explain more generally the influence of several variables. The distance between the particles (IPS and MPT), the specific area of the granular material and the solids concentrations are some of the parameters that explain the rheological behavior. Based on the experimental process and the analysis of the applied results, a methodology was proposed for robustness evaluation and a numerical index for the quantitative evaluation of the robustness. Some additional tools to confer robust mechanisms to the concrete production process were proposed: a computer system for forecasting concrete properties, based on fundamental characterization of the constituents, use of a mobile rheometer as a quality control instrument and mixer instrumentation as change detection mechanism during the mixing process.

Os marcadores de estresse músculo-esqueletal (MSMs), assim denominados, surgem pela primeira vez em 1995 no trabalho pioneiro de Hawkey e Merbs. De lá pra cá, diversos estudos se prestaram a aprimorar o método desenvolvido pelos pesquisadores e, ainda, associar de maneira mais concreta os graus de desenvolvimento de enteses a atividades desenvolvidas ao longo da vida de um indivíduo. Sob tais circunstâncias, buscamos neste trabalho a verificação da implementação de uma metodologia de análise revisada, testada e aprimorada dos marcadores de estresse músculo-esqueletal e a possibilidade de correlação entre os graus de desenvolvimento das enteses estudadas com as possíveis atividades desenvolvidas pelos indivíduos analisados, provenientes do sambaqui costeiro catarinense Jabuticabeira II (JAB-II). A escolha pela análise dos remanescentes ósseos deste sítio decorreu da vasta informação disponível em relação aos mesmos e ao sítio em si, provindos de outros trabalhos desenvolvidos previamente. Assim, estudos de paleopatologia e arqueologia possibilitaram melhores interpretações dos resultados obtidos pelas análises de MSMs. Neste trabalho procuramos adaptar a metodologia desenvolvida por Mariotti (2004,2007) para amostras antigas (mais de 2000 anos atrás) e de baixa conservação. Além disso, realizamos inferências sobre as atividades desenvolvidas pelos indivíduos sepultados em JAB-II, a divisão de tais atividades baseada em sexo e faixa etária, a avaliação dos graus de entesopatias (lesões na região entesal que vão além do desenvolvimento saudável de uma entese) e sua frequência na população estudada, a correlação do grau de desenvolvimento de entese com outro marcador muito comum em estudos de paleopatologia, a osteoartrose e, por fim, estabelecer, ainda que de forma tímida, o perfil físico típico do indivíduo de JAB-II, baseado na avaliação de todas as enteses disponíveis para estudo (1067 enteses disponíveis entre homens e mulheres adultos). A metodologia de estudo se mostrou eficaz, feitas às devidas adaptações metodológicas, com aprovação da proponente do método original. O erro intra-observacional, valor de erro de concordância calculado entre duas análises para o mesmo conjunto de enteses, com intervalo de tempo longo (3 meses), pelo mesmo avaliador, ficou dentro dos padrões aceitáveis pela comunidade científica (20%). Verificou-se, ainda, grande prevalência de alta robustez para a totalidade de enteses avaliadas. Quando analisados os complexos funcionais (conjunto de músculos e articulações envolvidas na realização de um movimento) verificou-se também alta prevalência de robustez elevada, com destaque para os complexos dos membros inferiores, antes tidos como pouco requisitados devido à baixa prevalência de osteoartrose nos mesmos. A avaliação de complexos funcionais é mais efetiva para a correlação dos graus de robustez com atividades realizadas no dia-a-dia já que várias destas envolvem a ação de mais de um músculo para a sua realização. Homens e mulheres apresentaram diferenças estatisticamente significantes com relação ao desenvolvimento de suas enteses, sendo os homens mais robustos que as mulheres. O mesmo verificou-se em relação às faixas etárias, sendo os indivíduos mais velhos mais robustos. Com relação às entesopatias, não verificamos diferenças na prevalência de entesofitóses tanto quanto a sexo quanto a faixas etárias. Com relação às lesões líticas (outra entesopatia analisada) verificaram-se diferenças estatisticamente significantes entre os sexos, com maior prevalência de tal marcador na parcela masculina. Já em relação às faixas etárias, não se verificaram diferenças estatisticamente relevantes. Por fim, por ser um traço esqueletal associado à atividade física, procuramos relacionar as osteoartroses previamente estudadas na amostra com os graus de desenvolvimento de entese avaliados neste trabalho. Não foram encontradas correlações de qualquer natureza entre os dois marcadores mas, devemos chamar atenção ao elevado número de enteses nas quais se verificaram alta robustez com baixo nível de osteoartrose. Tal observação poderia indicar possíveis relações de proteção da articulação devido à atividade física intensa, inferida indiretamente pelo grau de desenvolvimento da entese. Podemos assim supor que o indivíduo sepultado em JAB-II, independentemente de sexo e idade, seria um indivíduo robusto, de musculatura avantajada, compatível com o grau de atividade física desempenhada possivelmente em seu dia a dia e com seus possíveis hábitos alimentares / The so called Musculo-Skeletal Stress markers (MSM) enriched the wealth of possibilities to infer past life styles since 1995 with the Hawkey and Merbs work on Inuit populations. Since then, many studies tried to improve the method developed by these two researchers and associate the development of the entheses to certain physical activities . Under these circumstances, in this work we tested, modified and adapted this method to analyze MSM, and the possibility to correlate the degrees of development of the entheses with the possible activities performed by the individuals of individuals excavated from the costal Shellmound of Santa Catarina (BR) called Jabuticabeira II (JAB-II). We choose to analyze the osteological collection from this site due to extensive previous information available on its burials and on the site itself, because palaeopathology and archaeology studies render better interpretations of the results obtained by the MSM analyses. In this work, we adapt the methodology developed by Mariotti (2004,2007) to ancient samples (more than 2000 years old), with low state of preservation. We also used MSM to infer about the daily activities performed by the people buried at JAB-II, the division of labour based on sex and age, the evaluation of the severity of enthesopaties (pathological lesions on the enthesis) and it´s frequency in the population studied, the correlation between the enthesis´ severity and osteoarthrosis, and, finally, establish, even if in a very cautious way, the typical body type profile of the JAB-II population, based on the evaluation of the 1067 entheses available for analysis. The method adopted was effective as long as adapted to our sample, with the acceptance of the method developer (Mariotti). The intra-observer error, concordance error value between two analyses, three months apart, of the same set of enthesis, performed by the same observer is acceptable by the scientific community (20%). Were observed a high prevalence of increased robusticiy for all entheses evaluated individually and grouped into functional complexes (set of muscles and joints involved in the performance of a given movement). However, contrary to earlier interpretations based on osteoarthritis, the lower limbs must have been more requested than the upper ones. The evaluation of functional complexes is more effective for the correlation between robusticity and daily activities, given the requirement of more than one muscleusually used to perform one single movement. We found statistically significant differences between the male and female samples for the development of the entheses, with the male portion presenting more entheses with high robusticity than females. The same was observed within age classes, where older adults present higher enthesis robusticiy. We did not find significant statistical differences in the prevalence of enthesophytic formations between sexes and age classes. For the osteolytic formations we found significant statistical differences between the sexes, with higher prevalence among males, whereas no differences were observed between the age classes. Finally, for being an skeletal marker associated to physical activity, we tried to correlate osteoarthrosis (previously studied in this sample) with the developmental degrees of the entheses. No correlations of any nature were found between the two markers. Nevertheless,the elevated number of entheses with high robusticity and low levels of osteoarthrosis suggest that frequent and/or intense physical activity may protect the joints from osteoarthritis

Atualmente, diversas empresas e organizações estão cada vez mais empreendendo esforços para transformar rapidamente as suas potenciais ideias em produtos e serviços. Esses esforços também têm estimulado a evolução dos sistemas de informação que passaram a ser apoiados por modelos de alto nível de abstração para descrever a lógica do processo. Neste contexto, destaca-se o sucesso dos Sistemas de Informação cientes de Processos (PAIS, do inglês Process-Aware Information Systems) para o gerenciamento de processos de negócios e automação de processos científicos de larga escala (e-Science). Grande parte do sucesso dos PAIS é devido à capacidade de prover funcionalidades genéricas para modelagem, execução e monitoramento dos processos. Essas características são bem-sucedidas quando os modelos de processos têm um caminho bem-comportado no sentido de atingir os seus objetivos. No entanto, situações anômalas que desviam a execução desse caminho bem-comportado ainda representam um significativo desafio para os PAIS. Por causa dos vários tipos de falhas que desviam a execução do comportamento esperado, prover uma execução robusta e confiável é uma tarefa complexa para os atuais PAIS, uma vez que nem todas as situações de falha podem ser eficientemente descritas dentro da estrutura do fluxo tradicional. Como consequência, o tratamento de tais situações geralmente envolve intervenções manuais nos sistemas por operadores humanos, o que resulta em custos adicionais e significativos para as empresas. Neste trabalho é introduzido um método de composição para recuperação ciente de custos e benefícios que é capaz de encontrar e seguir caminhos alternativos que reduzam os prejuízos financeiros do tratamento de exceções. Do ponto de vista prático, esse método provê o tratamento de exceção automatizado e otimizado ao calcular os custos e benefícios de cada caminho de recuperação e escolher o caminho com a melhor relação custo-benefício disponível. Mais especificamente, o método de recuperação proposto estende a abordagem WED-flow (Workflow, Event processing and Data-flow) para permitir a composição ciente de custos e benefícios de passos de recuperação transacionais backward e forward. Por fim, os experimentos mostram que esse método de recuperação pode ser adequadamente incorporado para manipular exceções em uma ampla variedade de processos. / Nowadays, many corporations and organizations are increasingly making efforts to transform quickly and effectively their potential ideas into products and services. These efforts have also stimulated the evolution of information systems that are now supported by higher-level abstract models to describe the process logic. In this context, several sophisticated Process-Aware Information Systems (PAIS) have successfully been proposed for managing business processes and automating large-scale scientific (e-Science) processes. Much of this success is due to their ability to provide generic functionality for modeling, execution and monitoring processes. These functionalities work well when process models have a well-behaved path towards achieving their objectives. However, anomalous situations that fall outside of the well-behaved execution path still pose a significant challenge to PAIS. Because of the many types of failures that may deviate execution away from expected behaviors, provision of robust and reliable execution is a complex task for current PAIS, since not all failure situations can be efficiently modeled within the traditional flow structure. As a consequence, the treatment for such situations usually involves interventions in systems by human operators, which result in significant additional cost for businesses. In this work, we introduce a cost/benefit-aware recovery composition method that is able to find and follow alternative paths to reduce the financial side effects of exception handling. From a practical point of view, this method provides the automated and optimized exception handling, by calculating the cost and benefits of each recovery path, and choosing the recovery path with the best cost/benefits available. More specifically, our recovery method extends the WED-flow (Workflow, Event processing and Data-flow) approach for enabling cost/benefit-aware composition of forward and/or backward transactional recovery steps. Finally, the experiments point out that this recovery method can be suitably incorporated into exception handling within a wide variety of processes.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TODOROV.pdf: 2505366 bytes, checksum: 70fea144a82f0db66f9a5ee795fc9c45 (MD5) Previous issue date: 2011-06-02 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esta tese apresenta contribuições para a teoria de controle robusto de sistemas lineares a tempo continuo sujeitos a variações abruptas em sua estrutura, modeladas através de um processo de Markov com espaço de estados discreto e, possivelmente, infinito contável. Esta classe é denominada sistemas lineares com saltos Markovianos na literatura especializada. Os principais resultados do trabalho se fundamentam em um estudo do raio de estabilidade dessa classe de sistemas, que inclui sua introdução para o caso de dimensão infinita, além da caracterização espectral de um limitante para o raio de estabilidade real. Adicionalmente, é feito um estudo detalhado do caso de sistemas escalares, e uma margem de robustez com respeito a perturbações na matriz de taxas de transição do processo de saltos é proposta. Outra contribuição introduzida na tese é a proposição de uma abordagem alternativa para o controle robusto, baseada em um operador adjunto, que parece nao ter antecedentes na literatura de sistemas lineares com saltos Markovianos. Através desse resultado prova-se que a abordagem usual para o controle robusto de sistemas lineares com saltos Markovianos, baseada no teorema do ganho pequeno e em análise H1, pode ser arbitrariamente conservadora em algumas situacoes. Também são tratados problemas variados envolvendo o controle H2 robusto e H2=H1, e a robustez de sistemas lineares com saltos Markovianos sujeitos a múltiplas perturbações. Alguns exemplos práticos, incluindo o controle de um manipulador robótico sub-atuado, o acoplamento de osciladores lineares, e o controle de um modelo macroeconômico, são tratados através dos algoritmos apresentados na tese. Os métodos computacionais aqui desenvolvidos se baseiam em programação convexa, com eficiência polinomial.

Image segmentation consists on its partition into relevant regions, such as to isolate the pixels belonging to desired objects in the image domain, which is an important step for computer vision, medical image processing, and other applications. Many times automatic segmentation generates results with imperfections. The user can correct them by editing manually, interactively or can simply discard the segmentation and try to automatically generate another result by a different method. Interactive methods combine benefits from manual and automatic ones, reducing user effort and using its high-level knowledge. In seed-based methods, to continue or repair a prior segmentation (presegmentation), avoiding the user to start from scratch, it is necessary to solve the Reverse Interactive Segmentation Problem (RISP), that is, how to automatically estimate the seeds that would generate it. In order to achieve this goal, we first divide the segmented object into its composing cores. Inside a core, two seeds separately always produce the same result, making one redundant. With this, only one seed per core is required. Cores leading to segmentations which are contained in the result of other cores are redundant and can also be discarded, further reducing the seed set, a process called Redundancy Analysis. A minimal set of seeds for presegmentation is generated and the problem of interactive repair can be solved by adding new seeds or removing seeds. Within the framework of the Image-Foresting Transform (IFT), new methods such as Oriented Image-Foresting Transform (OIFT) and Oriented Relative Fuzzy Connectedness (ORFC) were developed. However, there were no known algorithms for computing the core of these methods. This work develops such algorithms, with proof of correctness. The cores also give an indication of the degree of robustness of the methods on the positioning of the seeds. Therefore, a hybrid method that combines GraphCut and the ORFC cores, as well as the Robustness Coefficient (RC), have been developed. In this work, we present another developed solution to repair segmentations, which is based on IFT-SLIC, originally used to generate supervoxels. Experimental results analyze, compare and demonstrate the potential of these solutions. / Segmentação de imagem consiste no seu particionamento em regiões, tal como para isolar os pixels pertencentes a objetos de interesse em uma imagem, sendo uma etapa importante para visão computacional, processamento de imagens médicas e outras aplicações. Muitas vezes a segmentação automática gera resultados com imperfeições. O usuário pode corrigi-las editando-a manualmente, interativamente ou simplesmente descartar o resultado e gerar outro automaticamente. Métodos interativos combinam os benefícios dos métodos manuais e automáticos, reduzindo o esforço do usuário e utilizando seu conhecimento de alto nível. Nos métodos baseados em sementes, para continuar ou reparar uma segmentação prévia (presegmentação), evitando o usuário começar do zero, é necessário resolver o Problema da Segmentação Interativa Reversa (RISP), ou seja, estimar automaticamente as sementes que o gerariam. Para isso, este trabalho particiona o objeto da segmentação em núcleos. Em um núcleo, duas sementes separadamente produzem o mesmo resultado, tornando uma delas redundante. Com isso, apenas uma semente por núcleo é necessária. Núcleos contidos nos resultados de outros núcleos são redundantes e também podem ser descartados, reduzindo ainda mais o conjunto de sementes, um processo denominado Análise de Redundância. Um conjunto mínimo de sementes para a presegmentação é gerado e o problema da reparação interativa pode então ser resolvido através da adição de novas sementes ou remoção. Dentro do arcabouço da Transformada Imagem-Floresta (IFT), novos métodos como Oriented Image-Foresting Transform (OIFT) e Oriented Relative Fuzzy Connectedness (ORFC) foram desenvolvidos. Todavia, não há algoritmos para calcular o núcleo destes métodos. Este trabalho desenvolve tais algoritmos, com prova de corretude. Os núcleos também nos fornecem uma indicação do grau de robustez dos métodos sobre o posicionamento das sementes. Por isso, um método híbrido do GraphCut com o núcleo do ORFC, bem como um Coeficiente de Robustez (RC), foram desenvolvidos. Neste trabalho também foi desenvolvida outra solução para reparar segmentações, a qual é baseada em IFT-SLIC, originalmente utilizada para gerar supervoxels. Resultados experimentais analisam, comparam e demonstram o potencial destas soluções.

Our society is heavily dependent on commodities, as water and electricity, supplied to final users by engineered systems, which are known as critical infrastructures. In such context, the understanding of how such systems handle damaging events is an important aspect and is a current concern of researchers, public agents, and society. How much of performance a system loses due to damages is related to its vulnerability, and the ability to absorb and recover successfully from damages is its resilience. In this study, approaches to assess the vulnerability and resilience of power distribution systems by evaluating dynamic features, as the processes of failure and repair, and system reconfiguration for vulnerability, and the effects of extreme weather scenarios for resilience together with the processes of failure of repair are presented. Such approaches were applied on systems previously presented in the literature, and also on a Brazilian power distribution system. A Monte Carlo simulation was applied to evaluate this systems, models for time-to-failure and time-to-repair under different circumstances were obtained from historical data, and a method to use the models of time-to-failure during the vulnerability analysis was introduced. In addition, an assessment of the impact of reconfiguration capability on vulnerability is also carried out, and a resilience assessment under different climate scenarios has been developed. The time-to-failure and repair models highlighted how external factors modifies the Brazilian system failure and repair dynamics, the use of time-to-failure models during vulnerability analysis showed that the consideration of the failure dynamic of the types of elements give different results, and the time domain allows new analysis\' perspectives. The investigation indicated that the vulnerability reduction due to reconfiguration is affected by the number of switches and also the maximum load capacity of the distribution system feeders. The resilience assessment showed that for structural connectivity, larger distribution networks are less resilient, while for electricity delivery, a set of features, related with the topological and electrical organization of such networks, seems to be associated with the network service resilience, such information is useful for system planning and management. The dynamics evaluated in this study are relevant to vulnerability and resilience of such systems, and also to other critical infrastructures. Moreover, the developed approaches can be applied to other systems, as transportation and water distribution. In future studies, other power distribution systems features, as distributed generation and energy storage, will be considered in both, vulnerability and resilience analysis. / Nossa sociedade é altamente dependente de commodities, como água e eletricidade, fornecidas para os usuários por sistemas de engenharia, conhecidos como infraestruturas críticas. A compreensão de como tais sistemas lidam com eventos prejudiciais é uma preocupação atual de pesquisadores, agentes públicos e sociedade. A perda de desempenho de um sistema devido a danos é relacionada à sua vulnerabilidade, e a capacidade de absorver e se recuperar dos danos é a resiliência. Neste estudo, são apresentadas abordagens para avaliar a vulnerabilidade e resiliência de sistemas de distribuição de energia considerando características dinâmicas, como os processos de falha e reconfiguração do sistema, para a vulnerabilidade, e os efeitos de climas extremos na resiliência com os processos de falha e reparo. Tais abordagens foram aplicadas em sistemas previamente apresentados na literatura, e também em um sistema brasileiro. Simulação de Monte Carlo foi utilizada para avaliar as dinâmicas de falha e reparo do sistema utilizando de modelos obtidos a partir de dados históricos, e um método para usar os modelos de tempo-até-falha durante a análise de vulnerabilidade também foi apresentado. Além disso, uma avaliação do impacto da dinâmica de reconfiguração na vulnerabilidade foi realizada e uma avaliação de resiliência sob diferentes cenários climáticos foi desenvolvida. Os modelos tempo-para-falha e reparo destacaram como fatores externos modificam as dinâmicas de falha e reparo do sistema brasileiro, o uso de modelos de confiabilidade na análise de vulnerabilidades mostrou que a consideração dos diferentes tipos de elementos geram resultados diferentes e o domínio de tempo permite novas perspectivas de análise. A investigação da reconfiguração indicou que a redução da vulnerabilidade devido à reconfiguração é afetada pelo número de chaves e também pela máxima capacidade de carga dos alimentadores do sistema de distribuição. A avaliação de resiliência mostrou que, para conectividade estrutural, redes de distribuição maiores são menos resilientes, enquanto que para fornecimento de energia, um conjunto de características, relacionados com a organização topológica e elétrica dessas redes parece ser associado à resiliência do serviço, informação útil para o planejamento. As dinâmicas avaliadas neste estudo são relevantes para a vulnerabilidade e resiliência de tais sistemas, e também para outras infraestruturas críticas. Além disso, essas abordagens podem ser aplicadas a outros sistemas, como transporte e distribuição de água. Em estudos futuros, outras características de sistemas de distribuição de energia, como geração distribuída e armazenamento de energia, serão consideradas nas análises de vulnerabilidade e resiliência.

O presente trabalho propõe a utilização conjunta dos conceitos de modelagem politópica e estabilidade quadrática para avaliação da robustez de desempenho de estabilizadores de sistemas de potência (ou PSSs, do inglês, Power System Stabilizers). Controladores de amortecimento do tipo PSS têm sido amplamente utilizados em sistemas elétricos de potência desde o final da década de 60. A maioria destes estabilizadores que hoje estão em operação foi projetada segundo uma abordagem clássica, que envolve a linearização das equações do sistema em torno de um ponto de equilíbrio e controle através de um compensador de avanço-atraso de fase. Este procedimento de projeto é bastante difundido devido à facilidade do uso de tais técnicas e ao baixo custo de implementação. No entanto, uma das principais desvantagens inerentes a essa abordagem vem justamente da linearização, pois a validade do controle projetado fica restrita a uma vizinhança do ponto de operação no qual o sistema foi linearizado. Sendo assim, não há garantia formal de desempenho satisfatório do controlador, uma vez que as condições operativas do sistema variam normalmente ao longo do dia. Mesmo que o desempenho seja verificado, após o projeto, para pontos de operação diferentes daquele no qual foi feito a linearização (procedimento que é tipicamente empregado em estudos de estabilidade a pequenas perturbações), o mesmo estará garantido formalmente apenas nas proximidades dos pontos verificados. A presente pesquisa busca o preenchimento desta lacuna referente à falta de garantia formal de desempenho em condições não nominais de operação. Com o intuito de garantir formalmente a robustez de desempenho dos controladores, utilizou-se o conceito de estabilidade quadrática associado a uma modelagem politópica do sistema de potência para verificação do fator de amortecimento mínimo dentre todos os modos de oscilação do sistema (o qual é usualmente adotado em sistemas de potência como critério de desempenho ou, equivalentemente, como indicador de margem de estabilidade a pequenas perturbações). A modelagem politópica é usada como alternativa para a obtenção de um modelo de sistema dinâmico que leva em conta as incertezas referentes ao ponto de operação. Neste tipo de modelagem, ao invés de se considerar apenas um ponto de operação nominal, leva-se em conta um conjunto particular de pontos de operação típicos do sistema (os quais comporão os vértices de um conjunto convexo, chamado de politopo). Posteriormente, com base no conceito de estabilidade quadrática, pode-se garantir que um controlador projetado para garantir um desempenho mínimo aos vértices de um politopo estenderá tal garantia também a qualquer ponto de operação que tiver uma descrição linearizada pertencente a este politopo. Os resultados obtidos demonstram que a associação desses dois conceitos fornece uma alternativa viável e vantajosa para a avaliação da robustez de estabilidade e desempenho em sistemas de potência. O procedimento proposto pode ser usado de maneira complementar ao cálculo de autovalores tipicamente empregado na indústria, estendendo a garantia formal de robustez a um conjunto mais amplo de pontos de operação. / The present work proposes the joint use of polytopic modeling and quadratic stability concepts to evaluate the performance robustness of power systems stabilizers (or PSSs). PSS-type damping controllers have been widely used in electric power systems since the end of 6th decade of this century. The majority of these stabilizers, which are in operation nowadays, were designed according to a classical control approach. This method involves linearization of the system equations around an equilibrium point and control through a lead-lag phase compensator. This procedure has a widespread application in power systems due to the simplicity of the technique and the low implementation cost. However, one of the main disadvantages inherent to this method lies exactly in the linearization, since the validity of the designed control is restricted to a neighborhood of the operation point in which the linearization has been done. Since the system operating condition changes throughout the day, we cannot have a formal guarantee of a satisfactory controller performance. Even if the controller performance is checked for different operating points after the design, the performance will be formally guaranteed only in the neighborhoods of the verified points. The present research aims to fill this gap associated to the lack of a formal performance guarantee in an off-nominal operation condition. With the objective of formally guaranteeing the controller performance, the concept of quadratic stability, associated to a polytopic modeling of the system, was used to check the minimum damping factor among all system modes of oscillation (which is usually adopted in power systems as a performance criteria or, equivalently, as an index of small-signal stability margin). The polytopic modeling is used as an alternative to obtain the dynamic system model that accounts for the uncertainty in the operating point. In this type of modeling, instead of considering only one nominal operating point, a particular set of typical system operating points is chosen (which will compose the vertices of a convex set, called polytope). Later, based on the quadratic stability concept, it is possible to guarantee that a controller designed to achieve a minimum performance index at the vertices of the polytopic set will extend this property to any operation point belonging to this set. The obtained results show that the association of these two concepts provides a viable and advantageous alternative for the evaluation of the stability and performance robustness in power systems. The proposed procedure can be used as a complement to the eigenvalue calculation used in the industry, extending the formal robustness guarantee to a broader set of operating points.