Connectionist systems for image processing and anomaly detection

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia InformáticaA Inteligência Artificial (IA) e a Ciência de Dados estão cada vez mais presentes no nosso quotidiano e os benefícios que trouxeram para a sociedade nos últimos anos são notáveis. O sucesso da IA foi impulsionado pela capacidade adaptativa que as máquinas adquiriram e está estreitamente relacionada com a sua habilidade para aprender. Os sistemas conexionistas, apresentados na forma de Redes Neurais Artificiais (RNAs), que se inspiram no sistema nervoso humano, são um dos mais importantes modelos que permitem a aprendizagem. Estes são utilizados em diversas áreas, como em problemas de previsão ou classificação, apresentando resultados cada vez mais satisfatórios. Uma das áreas em que esta tecnologia se tem destacado é a Visão Computacional (Computer Vision (CV)), permitindo, por exemplo, a localização de objetos em imagens e a sua correta identificação. A Deteção de Anomalias (Anomaly Detection (AD)) é outro campo onde as RNAs vêm surgindo como uma das tecnologias para a resolução de problemas. Em cada área são utilizadas diferentes arquiteturas de acordo com o tipo de dados e o problema a resolver. Combinando o processamento de imagens e a deteção de anomalias, verifica-se uma convergência de metodologias que utilizam módulos convolucionais em arquiteturas dedicadas a AD. O objetivo principal desta dissertação é estudar as técnicas existentes nestes domínios, desenvolvendo diferentes arquiteturas e modelos, aplicando-as a casos práticos de forma a comparar os resultados obtidos em cada abordagem. O caso prático principal consiste na monitorização de pavimentos rodoviários por meio de imagens para a identificação automática de áreas degradadas. Para isso, dois protótipos de software são propostos para recolher e visualizar os dados adquiridos. O estudo de arquiteturas de RNAs para o diagnóstico da condição do asfalto por meio de imagens é o foco central no processo científico apresentado. Os métodos de Machine Learning (ML) utilizados incluem classificadores binários, Autoencoders (AEs) e Variational Autoencoders (VAEs). Para os dois últimos modelos, práticas supervisionadas e não supervisionadas são também comparadas, comprovando a sua utilidade em cenários onde não há dados rotulados disponíveis. Usando o modelo VAE num ambiente supervisionado, este apresenta uma excelente distinção entre áreas de pavimentação em boas condições e degradadas. Quando não existem dados rotulados disponíveis, a melhor opção é utilizar o modelo AE, utilizando a distribuição de semelhanças das reconstruções para calcular o threshold de separação, atingindo accuracy e precision superiores a 94%). O processo completo de desenvolvimento mostra que é possível construir uma solução alternativa para diminuir os custos de operação em relação aos sistemas comerciais existentes e melhorar a usabilidade quando comparada às soluções tradicionais. Adicionalmente, dois estudos demonstram a versatilidade dos sistemas conexionistas na resolução de problemas, nomeadamente no projeto de estruturas mecânicas, possibilitando a modelação de campos de deslocamento e pressão em placas reforçadas; e na utilização de AD para identificar locais de aglomeração de pessoas através de técnicas de crowdsensing.Artificial Intelligence (AI) and Data Science (DS) have become increasingly present in our daily lives, and the benefits it has brought to society in recent years are remarkable. The success of AI was driven by the adaptive capacity that machines gained, and it is closely related to their ability to learn. Connectionist systems, presented in the form of Artificial Neural Networks (ANNs), which are inspired by the human nervous system, are one of the principal models that allows learning. These models are used in several areas, like forecasting or classification problems, presenting increasingly satisfactory results. One area in which this technology has excelled is Com puter Vision (CV), allowing, for example, the location of objects in images and their correct identification. Anomaly Detection (AD) is another field where ANNs have been emerging as one technology for problem solving. In each area, different architectures are used according to the type of data and the problem to be solved. Combining im age processing and the finding of anomalies in this type of data, there is a convergence of methodologies using convolutional modules in architectures dedicated to AD. The main objective of this dissertation is to study the existent techniques in these domains, developing different model architectures, and applying them to practical case studies in order to compare the results obtained in each approach. The major practical use case consists of monitoring road pavements using images to automatically identify degraded areas. For that, two software prototypes are proposed to gather and visualise the acquired data. Moreover, the study of ANN architectures to diagnose the asphalt condition through images is the central focus of this work. The experimented methods for AD in images include a binary classifier network as a baseline, Autoencoders (AEs) and Variational Autoen coders (VAEs). Supervised and unsupervised practises are also compared, proving their utility also in scenarios where there is no labelled data available. Using the VAE model in a supervised setting, it presents a excellent distinction between good and bad pavement areas. When labelled data is not available, using the AE and the distribution of similarities of good pavement reconstructions to calculate the threshold is the best option with both accuracy and precision above 94%. The full development process shows it is possible to build an alternative solution to decrease the operation costs relatively to expensive commercial systems and improve usability when compared with traditional solutions. Additionally, two case studies demonstrate the versatility of connectionist systems to solve problems, namely in Mechanical Structural Design enabling the modelling of displacement and pressure fields in reinforced plates; and using AD to identify crowded places through crowd-sensing techniques

Nova Forum: developing a sme´s strategy go-to-market approach in the non-degree executive education market

This thesis analyses the current panorama of Executive Education for SMEs in Portugal, while identifying a go-to-market strategy to be developed by Nova Forum. Combining the insights given by the existent literature on the topic of executive education and SMEs with first-hand feedback from executives that fit in the targetable market, findings suggest that Nova has a major opportunity to exploit an untapped market. In order to increase its presence and benefit from a first-mover position in the Portuguese market, it is recommended that the school develops and communicates hybrid programs, using online platforms while maintaining its in-person lectures. This should be done through a strategy that includes diversified communication channels and approaches the immediate needs of Portuguese SMEs, particularly internationalization and digitalization

Augmenting High-Level Petri Nets to Support GALS Distributed Embedded Systems Specification

Part 9: Embedded Systems and Petri NetsInternational audienceHigh-level Petri net classes are suited to specify concurrent processes with emphasis both in control and data processing, making them appropriate to specify distributed embedded systems (DES). Embedded systems components are usually synchronous, which means that DES can be seen as Globally-Asynchronous Locally-Synchronous (GALS) systems. This paper proposes to include in high-level Petri nets a set of concepts already introduced for low-level Petri nets allowing the specification of GALS systems, namely time domains, test arcs and priorities. Additionally, this paper proposes external messages and three types of (high-level) asynchronous communication channels, to specify the interaction between distributed components based on message exchange. With these extensions, GALS-DES can be specified using high-level Petri nets. The resulting models include the specification of each component with well-defined boundaries and interface, and also the explicit specification of the asynchronous interaction between components. These models will be used not only to specify the system behavior, but also to be the input for model-checking tools (supporting its verification) and automatic code generation tools (supporting its implementation in software and hardware platforms), giving a contribution to the model-based development approach and hardware-software co-design of DES based on high-level Petri nets

Impacto das novas tecnologias no aumento da eficiência da iluminação pública: caso de estudo do parque das nações

Portugal comprometeu-se em finais de 2009 com novos objetivos para a política energética e estabeleceu como prioridade a eficiência energética, designadamente através da aplicação de programas de redução do consumo de energia na Administração Pública e da promoção de comportamentos e escolhas que minimizem o consumo energético. Neste contexto, o principal objetivo a que se propõe este trabalho é: contribuir para a nova política energética do Governo, através do estudo do impacto das novas tecnologias e novos procedimentos, no aumento da eficiência da Iluminação Pública. Nesta dissertação é efetuada uma análise aos sistemas de Iluminação Pública existentes e, também o estudo das inovações tecnológicas disponíveis no mercado. Feita esta caracterização e com base em critérios económicos e técnicos suportados por normas nacionais e internacionais em vigor, as soluções que maximizem a eficiência energética na sua globalidade são identificadas e propostas para implementação no terreno. Será igualmente analisado o impacto no sistema elétrico existente das alterações propostas. A componente experimental desta dissertação foi realizada no Parque das Nações com a colaboração da Parque Expo – Gestão Urbana do Parque das Nações, S.A., entidade gestora do espaço público do Parque das Nações. O Parque das Nações apresenta-se como um local de inegável interesse para os objetivos desta dissertação porque: dispõe de uma grande diversidade de soluções na Iluminação Pública; encontra-se a curta distância do ISEL e funciona, não raras vezes, como “montra” tecnológica do País.Portugal made a compromise at the end of 2009 with new objectives for an energy policy and established as priority energy efficiency, namely through the implementation of programs for the reduction of energy consumption in public administration and promoting behaviors and choices that minimize energy consumption. In this context, the main objective of this work is: to contribute to the new energy policy of the Government, through the study of the impact ofnew technologies and new procedures, increasing the efficiency of public lighting. This dissertation makes an analysis of the existing Public Lighting systems and also the study of technological innovations available on the market. Presented this characterization and based on economic and technical criteria supported by national and international current standards, the solutions that maximize energy efficiency as a whole are identified and proposed for implementation on the ground. The impact on existing electrical system of the proposed amendments will also be analyzed. The experimental component of this dissertation was held in the “Parquedas Nações” with the collaboration of Parque Expo – Urban Management of Parque das Nações, S.A., the managing body of the public space of Parque das Nações. The “Parque das Nações” presents itself as a place of undeniable relevance for the aims of this dissertation because: offers a wide variety of solutions in Public Lighting; is within walking distance of the ISEL and works often as technological "showcase" of the country

IFPortal : uma plataforma Web para a caracterização e comparação de Frameworks nacionais de interoperabilidade

Dissertação de mestrado em Engenharia e Gestão de Sistemas de InformaçãoAs iniciativas relacionadas com o governo eletrónico têm proliferado consideravelmente na última década, quer ao nível internacional, quer ao nível nacional, não só devido à poupança de recursos que proporcionam mas também pelo impacto que podem ter na melhoria da eficiência e eficácia dos serviços prestados pela administração pública. A interoperabilidade entre os sistemas de informação que suportam o funcionamento dos organismos da administração e a prestação de serviços públicos ao cidadão, tanto ao nível regional, como nacional e internacional, tem sido recorrentemente apontado como um requisito fundamental para que se consigam alcançar os tão desejados níveis de eficiência e eficácia operacional da administração pública. Por este facto, tem-se assistido ao desenvolvimento de esforços significativos em numerosos países, um pouco por todo o globo, no que concerne à definição de estratégias e à criação de instrumentos que visam a promoção e desenvolvimento de maiores e mais adequados níveis de interoperabilidade nas suas administrações públicas. Um dos instrumentos mais desenvolvidos e dotados com este intuito são os denominados National Interoperability Frameworks (NIFs). Face a esta realidade, revela-se cada vez mais pertinente o desenvolvimento de ferramentas que permitam, de forma simples e adequada agregar as informações constituintes nestes frameworks por forma a permitir a sua consulta, comparação e cruzamento segundo diversas perspetivas. A criação de um instrumento, nomeadamente, uma plataforma web de tal tipologia, constitui num dos objetivos deste trabalho de investigação, a par de todo o desenho da arquitetura web e da arquitetura de informação que suporta o funcionamento da mesma e da definição de um modelo de exploração. Para a elaboração da arquitetura de informação foi necessário o estudo prévio de referenciais comparativos de frameworks que permitissem determinar a adoção de uma estrutura de dados que desse suporte ao armazenamento das informações relativas aos NIFs. O serviço de informação desenvolvido, denominado de IFPortal encontra-se online e disponível no endereço eletrónico http://ifportal.zlangoo.com.Initiatives related to electronic government have proliferated in the last decade, both at international or national level, not only due to saving features that provide but also by the impact they can have on improving the efficiency and effectiveness of services provided by public administration. The interoperability among information systems that support the operation of government bodies and the provision of public services to citizens, both at regional, national and international, have been repeatedly identified as a key requirement to be able to achieve the desired levels as the operational efficiency and effectiveness of public administration. For this fact, we have witnessed the development of significant efforts in many countries all over the globe, concerning the definition of strategies and the creation of tools aimed at promoting and developing larger and more appropriate levels of interoperability in their public administrations. One of the most developed and equipped for this purpose are called National Interoperability Frameworks (NIFS). Considering this fact, it appears increasingly relevant development tools that allow, in a simple and appropriate to aggregate the information constituents in these frameworks so as to permit consultation, comparison and cross according to different perspectives. The creation of an instrument, namely, a web platform such typology, is one of the goals of this research, along with the entire design of the web architecture and information architecture that supports the operation of the same and the definition of a model exploitation. In developing the information architecture required the previous study of comparative references to frameworks that allow determining the adoption of a data structure that supports the storage of information on the NIFs. The information service developed, called IFPortal and is available online and in the electronic address http://ifportal.zlangoo.com

Emissão de aldeídos durante a combustão doméstica de biomassa

Mestrado em Engenharia do AmbienteA combustão de biomassa é uma importante fonte de poluentes gasosos e particulados para a atmosfera, os quais apresentam diversos efeitos quer a nível ambiental, quer a nível da saúde humana. O presente trabalho teve como objectivo a caracterização de emissões durante a combustão doméstica de biomassa, no que diz respeito a um conjunto de compostos a que se tem prestado pouca atenção: os compostos de carbonilo, nomeadamente os aldeídos. Estes compostos ocorrem na atmosfera e resultam de um vasto número de fontes de emissão ou de reacções químicas, e são conhecidos pelo importante papel que desempenham na química e física da atmosfera e pelos efeitos nocivos na saúde humana. No presente trabalho, foram realizadas experiências de combustão com madeira de quatro das espécies florestais mais abundantes no território nacional (carvalhonegral, pinheiro-bravo, eucalipto e sobreiro) com o propósito de se medirem emissões de formaldeído e acetaldeído, os dois compostos de carbonilo libertados para a atmosfera em maiores concentrações. Os resultados obtidos mostraram que a emissão de formaldeído foi superior à de acetaldeído, qualquer que fosse o tipo de madeira utilizada como combustível. Durante a combustão de carvalho-negral observaram-se os valores mais elevados para os factores de emissão (1725 mgHCHO/kgbiomassa, base seca e 1096 mgCH3CHO/kgbiomassa, base seca), sendo que durante a combustão de madeira de pinheiro-bravo se observaram os valores mais baixos para os factores de emissão (645 mgHCHO/kgbiomassa, base seca e 366 mgCH3CHO/kgbiomassa, base seca).Biomass combustion is an important source of gaseous and particulate pollutants to the atmosphere, which can cause a variety of environmental and human health effects. The purpose of this study was to characterize emissions during domestic biomass combustion, with a focus on a set of compounds which have received little attention: the carbonyl compounds, more specifically the aldehydes. Such compounds are present in the atmosphere through a large number of emissions sources or chemical reactions, and are well known by the important role they play in the chemistry and physics of the atmosphere and by their human health effects. Combustion experiences were performed with wood from four of the most abundant tree species growing in Portugal (pyrenean oak, maritime pine, blue gum and cork oak), in order to measure formaldehyde and acetaldehyde emissions, the two carbonyl compounds that are known to be emitted to the atmosphere in higher concentrations. Results show that formaldehyde emission was prevalent over acetaldehyde emissions whatever the type of burned wood. The highest emission factors were observed during pyrenean oak combustion experiments (1725 mgHCHO/kgbiomass, dry basis and 1096 mgCH3CHO/kgbiomass, dry basis) and the lowest emissions factors were observed during maritime pine combustion experiments (645 mgHCHO/kgbiomass, dry basis e 366 mgCH3CHO/kgbiomass, dry basis)