Applied (Meta)-Heuristic in Intelligent Systems

Engineering and business problems are becoming increasingly difficult to solve due to the new economics triggered by big data, artificial intelligence, and the internet of things. Exact algorithms and heuristics are insufficient for solving such large and unstructured problems; instead, metaheuristic algorithms have emerged as the prevailing methods. A generic metaheuristic framework guides the course of search trajectories beyond local optimality, thus overcoming the limitations of traditional computation methods. The application of modern metaheuristics ranges from unmanned aerial and ground surface vehicles, unmanned factories, resource-constrained production, and humanoids to green logistics, renewable energy, circular economy, agricultural technology, environmental protection, finance technology, and the entertainment industry. This Special Issue presents high-quality papers proposing modern metaheuristics in intelligent systems

Sistema Anti-Melgas I: identificação e localização de fontes sonoras

This dissertation addresses the development of an acoustic localisation system with the aim of detecting mosquitoes indoors. It starts with a brief study of the sound produced by insects, with special focus on the case of female mosquitoes, aimed at understanding the spectral characteristics; A review was carried out on our auditory system and its ability to spatially locate sound sources. The main 2D cues are ITD (interaural time difference) and ILD (interaural level difference). The example of human hearing shows how spatial diversity of sensors is indispensable for sound localisation; A 2D scenario was assumed, thus reducing the problem to azimuth estimation, which requires two microphones. Assuming that the distance from the source to the receiver is much greater than the distance between microphones (far-field approximation) the sought azimuth angle can be obtained by an approximate formula. The intrinsic error caused by the far-field approximation itself was assessed, as well as the impact of possible estimation errors in the calculation parameters: speed of sound, microphone spacing and time delay; The development work, carried out on a MATLAB environment, was based on an existing simulator. The central element of the system is the digital processing of the signals received at the two microphones. The cross-correlation method is used to work out the time delay between them. Interpolation was applied to increase the resolution of the cross-correlation peak estimate; A script featuring a graphical interface was developed to combine the predictor with the simulator. It makes it easy for the user to specify the trajectory to be reproduced in the simulator. The audio file to be injected is also chosen by the user. The simulator returns a stereo file with the microphone signals. The script generates a pointer moving in real time to indicate the estimated position of the source; Several other simulations and experimental tests were carried out, based on an anechoic room without additional sources of noise. The azimuth estimation error measured in simulation confirmed the predicted behaviour taking into account the sources of error intrinsic to the far-field approximation. The error is smaller when the source is between 45° and 135°. Outside this range, it increases, peaking at the extremes (0° and 180°). It approaches zero when the source is at 90°, forming a symmetric U-shaped pattern around this value. When noise is introduced, the estimations made lose quality, as expected; for SNR less than -10 dB, the error exceeds 10°; The experimental tests involved two microphones, a loudspeaker and an audio interface for communication with the computer. An absorbing chamber has been created to reduce sound reflections and external noise. Recordings of long duration were made for each azimuth angle. With all the files processed, the pattern of the azimuth estimation error was also U-shaped, although not perfectly symmetric.Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um sistema de localização acústica com o objectivo de detectar mosquitos dentro de casa. Começou com um breve estudo do som produzido pelos insectos, especialmente os mosquitos fêmea, com o objectivo de compreender as características espectrais; Foi realizada uma revisão do nosso sistema auditivo e da sua capacidade de localizar espacialmente fontes sonoras. As principais pistas 2D são ITD (interaural time difference) e ILD (interaural level difference). O exemplo da audição humana mostra como a diversidade espacial dos sensores é indispensável para a localização do som; Assumiu-se um cenário 2D, reduzindo assim o problema da estimativa de azimute, que requer dois microfones. Assumindo que a distância da fonte ao receptor é muito maior do que a distância entre microfones (aproximação “far-field”), o ângulo de azimute procurado pode ser obtido através de uma fórmula aproximada. Foi avaliado o erro intrínseco causado pela própria aproximação “far-field”, bem como o impacto de possíveis erros na estimativa dos parâmetros de cálculo: velocidade do som, espaçamento entre microfones e atraso temporal; O trabalho de desenvolvimento, realizado no ambiente MATLAB, foi baseado num simulador existente. O elemento central do sistema é o processamento digital dos sinais recebidos nos dois microfones. O método de correlação cruzada é utilizado para calcular o tempo de espera entre eles. A interpolação foi aplicada para aumentar a resolução da estimativa do pico de correlação cruzada; Foi desenvolvido um script com uma interface gráfica para combinar o preditor com o simulador. Facilita ao utilizador a especificação da trajectória a reproduzir no simulador. O ficheiro de áudio a ser injectado é também escolhido pelo utilizador. O simulador devolve um ficheiro estéreo com os sinais do microfone. O script gera um ponteiro que se move em tempo real para indicar a posição estimada da fonte; Foram realizadas simulações e testes experimentais, numa sala anecóica sem fontes adicionais de ruído. O erro da estimativa de azimute medido na simulação confirmou o comportamento previsto, tendo em conta as fontes de erro intrínsecas à aproximação “far-field”. O erro é menor quando a fonte se situa entre 45° e 135°. Fora deste intervalo, aumenta, atingindo um pico nos extremos (0° e 180°). Aproxima-se de zero quando a fonte está a 90°, formando um padrão simétrico em forma de U em torno deste valor. Quando o ruído é introduzido, as estimativas feitas perdem qualidade, como esperado; para SNR inferior a -10 dB, o erro ultrapassa os 10°; Os testes experimentais consistiram em dois microfones, um altifalante e uma interface de áudio para comunicar com o computador. Foi criada uma câmara de absorção para reduzir os reflexos acústicos e o ruído externo. Foram feitas gravações para cada ângulo de azimute, com longa duração. Com todos os ficheiros processados, o padrão do erro de estimativa do azimute também teve a forma de U, embora não tenha tido uma simetria perfeita.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

A multiple criteria route recommendation system

The work to be developed in this dissertation is part of a larger project called Sustainable Tourism Crowding (STC), which motivation is based on two negative impacts caused by the tourism overload that happens, particularly, in the historic neighborhoods of Lisbon. The goal of this dissertation is then to mitigate those problems: reduce the tourist burden of points of interest in a city that, in addition to the degradation of the tourist experience, causes sustainability problems in different aspects (environmental, social and local). Within the scope of this dissertation, the implementation of one component of a recommendation system is the proposed solution. It is based on a multi-criteria algorithm for recommending pedestrian routes that minimize the passage through more crowded places and maximizes the visit to sustainable points of interest. These routes will be personalized for each user, as they consider their explicit preferences (e.g. time, budget, physical effort) and several constraints taken from other microservices that are part of the global system architecture mentioned above (e.g. weather conditions, crowding levels, points of interest, sustainability). We conclude it is possible to develop a microservice that recommend personalized routes and communicate with other microservices that are part of the global system architecture mentioned above. The analysis of the experimental data from the recommendation system, allows us to conclude that it is possible to obtain a more balanced distribution of the tourist visit, by increasing the visit to more sustainable places of interest and avoiding crowded paths.O trabalho a desenvolver nesta dissertação insere-se num projeto de maior dimensão denominado Sustainable Tourism Crowding (STC), cuja motivação assenta, essencialmente, em dois impactos negativos provocados pela sobrecarga turística que se verifica, nomeadamente, nos bairros históricos de Lisboa. O objetivo desta dissertação é, então, mitigar esses problemas: reduzir a sobrecarga turística dos pontos de interesse mais visitados numa cidade que, além da degradação da experiência turística, causa problemas de sustentabilidade em diversos aspetos (ambiental, social e local). No âmbito desta dissertação, a implementação de um componente de um sistema de recomendação é a solução proposta. Baseia-se num algoritmo multicritério de recomendação de percursos pedonais que minimiza a passagem por locais mais apinhados e maximizam a visita a pontos de interesse mais sustentáveis. Essas rotas serão personalizadas para cada utilizador, pois consideram as suas preferências (por exemplo, tempo, orçamento, nível de esforço físico) e várias restrições retiradas de outros microsserviços que fazem parte da arquitetura do sistema global mencionado acima (por exemplo, condições meteorológicas, níveis de apinhamento, pontos de interesse, níveis de sustentabilidade). Concluímos que é possível desenvolver um microsserviço que recomenda rotas personalizadas e que comunica com outros microsserviços que fazem parte da arquitetura global do sistema mencionada acima. A análise dos dados experimentais do sistema de recomendação, permite-nos concluir que é possível obter uma distribuição mais equilibrada da visita turística, aumentando a visita a pontos de interesse mais sustentáveis e evitando percursos mais apinhados

Perception and intelligent localization for autonomous driving

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaVisão por computador e fusão sensorial são temas relativamente recentes, no entanto largamente adoptados no desenvolvimento de robôs autónomos que exigem adaptabilidade ao seu ambiente envolvente. Esta dissertação foca-se numa abordagem a estes dois temas para alcançar percepção no contexto de condução autónoma. O uso de câmaras para atingir este fim é um processo bastante complexo. Ao contrário dos meios sensoriais clássicos que fornecem sempre o mesmo tipo de informação precisa e atingida de forma determinística, as sucessivas imagens adquiridas por uma câmara estão repletas da mais variada informação e toda esta ambígua e extremamente difícil de extrair. A utilização de câmaras como meio sensorial em robótica é o mais próximo que chegamos na semelhança com aquele que é o de maior importância no processo de percepção humana, o sistema de visão. Visão por computador é uma disciplina científica que engloba àreas como: processamento de sinal, inteligência artificial, matemática, teoria de controlo, neurobiologia e física. A plataforma de suporte ao estudo desenvolvido no âmbito desta dissertação é o ROTA (RObô Triciclo Autónomo) e todos os elementos que consistem o seu ambiente. No contexto deste, são descritas abordagens que foram introduzidas com fim de desenvolver soluções para todos os desafios que o robô enfrenta no seu ambiente: detecção de linhas de estrada e consequente percepção desta, detecção de obstáculos, semáforos, zona da passadeira e zona de obras. É também descrito um sistema de calibração e aplicação da remoção da perspectiva da imagem, desenvolvido de modo a mapear os elementos percepcionados em distâncias reais. Em consequência do sistema de percepção, é ainda abordado o desenvolvimento de auto-localização integrado numa arquitectura distribuída incluindo navegação com planeamento inteligente. Todo o trabalho desenvolvido no decurso da dissertação é essencialmente centrado no desenvolvimento de percepção robótica no contexto de condução autónoma.Computer vision and sensor fusion are subjects that are quite recent, however widely adopted in the development of autonomous robots that require adaptability to their surrounding environment. This thesis gives an approach on both in order to achieve perception in the scope of autonomous driving. The use of cameras to achieve this goal is a rather complex subject. Unlike the classic sensorial devices that provide the same type of information with precision and achieve this in a deterministic way, the successive images acquired by a camera are replete with the most varied information, that this ambiguous and extremely dificult to extract. The use of cameras for robotic sensing is the closest we got within the similarities with what is of most importance in the process of human perception, the vision system. Computer vision is a scientific discipline that encompasses areas such as signal processing, artificial intelligence, mathematics, control theory, neurobiology and physics. The support platform in which the study within this thesis was developed, includes ROTA (RObô Triciclo Autónomo) and all elements comprising its environment. In its context, are described approaches that introduced in the platform in order to develop solutions for all the challenges facing the robot in its environment: detection of lane markings and its consequent perception, obstacle detection, trafic lights, crosswalk and road maintenance area. It is also described a calibration system and implementation for the removal of the image perspective, developed in order to map the elements perceived in actual real world distances. As a result of the perception system development, it is also addressed self-localization integrated in a distributed architecture that allows navigation with long term planning. All the work developed in the course of this work is essentially focused on robotic perception in the context of autonomous driving

Play JBT – Mobile Application for the Tropical Botanical Garden of Lisbon

Trabalho de projecto de mestrado, Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Com o progresso das tecnologias de informação e comunicação (TIC), as instituições culturais diversificaram as modalidades de interação com as pessoas. TIC permite hoje as várias instituições culturais de assumir papeis diferentes perante a comunidade (por exemplo, educação dos cidadãos e das suas associações; formador de várias competências; e de perito em vários programas governamentais para desenvolvimento de comunidades). Neste documento está apresentado o trabalho de desenvolvimento de uma aplicação móvel para Jardim Botânico Tropical de Lisboa. Técnicas diversas foram utilizadas no desenvolvimento de aplicação móvel (por exemplo, entrevistas, listagem de conteúdos, prototipagem, avaliação heurística, testes de usabilidade). São apresentados detalhes das tecnologias usadas (software e hardware), procedimentos de implementação, como também sobre arquitetura final do sistema desenvolvido. A aplicação móvel permite aos visitantes de Jardim Botânico Tropical interagir de formas diferentes com os componentes de jardim (plantas, aves e edifícios). Vários recursos educativos são incluídos na aplicação de modo a ser adaptados de modo automático ao perfil do utilizador. A aplicação permite também captar e armazenar os dados produzidos por utilizadores da aplicação de modo a serem utilizados para melhoria de experiência dos visitantes do jardim. Vários serviços Web foram incluídos para melhorar apresentação dos conteúdos e para melhorar os serviços do jardim. Foram também realizados testes com peritos no jardim e recolhido feedback dos utilizadores dos quais recebemos boas críticas e sugestões que foram integradas na aplicação. Foram também realizados um conjunto de testes de desempenho do servidor.Through the progress of information and communication technologies (ICT), cultural institutions have diversified the modalities of interacting with people. Today, ICTs allow various cultural institutions to take on different roles in the community (e.g. educating citizens and their associations; shaping various skills; supporting government programs for community development). This document introduces the process of development of a mobile application, which acts mainly as a helping guide for visitors of the Lisbon Tropical Botanical Garden. This mobile application allows these visitors to interact in different ways with garden components (plants, buildings and birds), as well as to have access to the several educational resources included in it, which are to be adapted to the user's profile. The application also allows them to capture and store the data produced, data which is also used for help with improving garden services. Web services have been developed to provide content and to centrally store data on the visitor’s trajectory in the garden and demographics. Furthermore, various techniques were used in the process of development (e.g. interviews, content listing, prototyping, heuristic evaluation, usability testing). Details on the technologies used (software and hardware), implementation procedures, as well as the final architecture of the developed system will be demonstrated. Finally, a set of usability tests is presented, from which we received positive feedback from the users as well as the performance tests executed on the server

Extracting Mobility-Relevant Information from Crowdsourced GPS Data

Learning knowledge from users GPS traces can provide rich context information to be applied in several areas. However, without processing, extraction of meaning can be impractical or a time consuming activity. The data used was collected using SenseMyFEUP application and represents real data, as a research involving real data the first step is to clear the data of errors like outliers in position, speed and time. The main focus of this research isn't the data filtering but the treatment of crowdsourced data, for that an approach is proposed to reduce the GPS trace to meaningful aggregated data and automatically infer the transportation mode used in a trip. The approach consists of four parts: a change-point based segmentation method, a clustering algorithm, an inference model to deduce the transportation mode and a trip chaining algorithm to merge trips identified at first as one but that are more meaningful together

Performance assessment of mobility solutions for IPv6-based healthcare wireless sensor networks

This thesis focuses on the study of mobile wireless sensor networks applied to healthcare scenarios. The promotion of better quality-of-life for hospitalized patients is addressed in this research work with a solution that can help these patients to keep their mobility (if possible). The solution proposed allows remote monitoring and control of patients’ health in real-time and without interruptions. Small sensor nodes able to collect and send wirelessly the health parameters allow for the control of the patients' health condition. A network infrastructure, composed by several access points, allows the connection of the sensor nodes (carried by the patients) to remote healthcare providers. To ensure continuous access to sensor nodes special attention should be dedicated to manage the transition of these sensor nodes between different access points’ coverage areas. The process of changing an access point attachment of a sensor node is called handover. In that context, this thesis proposes a new handover mechanism that can ensure continuous connection to mobile sensor nodes in a healthcare wireless sensor network. Due to the limitations of sensor nodes’ resources, namely available energy (these sensor nodes are typically powered by small batteries), the proposed mechanism pays a special attention in the optimization of energy consumption. To achieve this optimization, part of this work is dedicated to the construction of a small sensor node. The handover mechanism proposed in this work is called Hand4MAC (handover mechanism for MAC layer). This mechanism is compared with other mechanisms commonly used in handover management. The Hand4MAC mechanism is deployed and validated through by simulation and in a real testbed. The scenarios used for the validation reproduces a hospital ward. The performance evaluation is focused in the percentage of time that senor nodes are accessible to the network while traveling across several access points’ coverage areas and the energy expenditures in handover processes. The experiments performed take into account various parameters that are the following: number of sent messages, number of received messages, multicast message usage, energy consumption, number of sensor nodes present in the scenario, velocity of sensor nodes, and time-to-live value. In both simulation and real testbed, the Hand4MAC mechanism is shown to perform better than all the other handover mechanisms tested. In this comparison it was only considered the most promising handover mechanisms proposed in the literature.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT