Forest fire warning system

Orientadores: João Frederico da Costa Azevedo Meyer, Laécio Carvalho de BarrosTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação CientíficaResumo: O principal objetivo desta tese é apresentar um sistema de alerta antecipado de incêndio florestal. Este sistema é baseado em três subsistemas acoplados: um \textbf{classificador kNN fuzzy}, que a partir das variáveis distâncias para curso d'água e estrada mais próximos, altitude e tipologia florestal, gera o índice de risco de incêndio florestal, um algoritmo \textit{\textbf{Subtractive Clustering}} e um \textbf{sistema fuzzy} que geram o perigo de incêndio florestal. De modo acoplado o risco e perigo de incêndio florestal podem simular a evolução espaço-temporal do índice de alerta de incêndio. A saída destes sistemas é entendida como pertinências de subconjuntos fuzzy. O alerta de incêndio florestal é utilizado para gerar simulações de propagação de incêndio a partir de metodologia de autômatos celulares. Propomos duas metodologias distintas para obtermos o perigo de incêndio florestal: a primeira consiste em utilizar um sistema fuzzy, que realiza métodos de aprendizagem supervisionada e não supervisionada, para fornecer uma série temporal de valores de perigo e que depende apenas de variáveis climáticas (umidade relativa do ar e precipitação); a segunda envolve um sistema dinâmico fuzzy que gera a mesma série temporal a partir de um sistema baseado em regras fuzzy com as mesmas variáveis de entrada do modelo de aprendizado de máquina. O índice de perigo gerado por esses modelos funciona também como regulador da dinâmica temporal do alerta de incêndio. Os modelos matemáticos são aplicados a dados reais geo-referenciados do Estado do Acre-BrasilAbstract: The main purpose of this thesis is to present a fire forest early warning system. This system is based on three coupled subsystems: a fuzzy kNN classifier, which generates the forest fire risk index from the distances to the nearest watercourse and road, altitude and forest typology; a \textbf{Subtractive Clustering} algorithm and a \textbf{fuzzy system} that create the danger of forest fire. In a coupled way the risk and danger of forest fire can simulate the spatio-temporal evolution of the fire warning index. The forest fire warning is used to generate simulations of fire spread using cellular automata methodology. We propose two different methodologies to obtain the forest fire danger: the first is based upon a fuzzy system that performs supervised and unsupervised learning methods providing a time series of danger values and depends only on climatic variables (air relative humidity and rainfall); The second involves a dynamic fuzzy system which generates the same time series from a system based on fuzzy rules with the same input variables as the machine-learning model. The index of danger generated by these models also acts as a regulator of the temporal dynamics of the warning of fire. The mathematical models are applied to real georeferenced data from the State of Acre-BrazilDoutoradoMatematica AplicadaDoutor em Matemática AplicadaCAPE

Simulação do tráfego de veículos usando autômatos celulares

Orientador : Profa. Dra. Liliana Madalena GramaniCoorientador : Prof. Dr. Eloy KaviskiTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 24/04/2015Inclui referências : f. 102-106Área de concentração : Programação matemáticaResumo: Esta tese propôe um modelo para o tráfego de veículos em uma pista com duas faixas, que considera o comportamento do motorista. Os principais modelos encontrados na literatura apresentam em sua estrutura equações diferenciais ou integro-diferenciais que exigem muitas variáveis para calibração do modelo. Por isso, usa-se neste trabalho a modelagem computacional via autômatos celulares. Os autômatos celulares possuem uma estrutura bastante simples e são capazes de modelar diversos fenômenos complexos por meio de regras simples. Sendo assim, desenvolveu-se um modelo de tráfego em uma pista com duas faixas onde avalia-se a mudança do comportamento do motorista a medida em que a densidade da via aumenta. Os perfis considerados neste trabalho são: Calmo, Moderado, Agitado e Agressivo. Esta análise é baseada na modelagem de um parâmetro a em função da densidade, utilizando uma distribuição de probabilidade contínua. Este parâmetro é utilizado para o cálculo da distância efetiva entre dois veículos permitindo o ajuste da velocidade do veículo detrás baseado no seu comportamento. O modelo também considera regras de mudanças de faixas assimétricas baseadas na evolução do comportamento adotado para melhor representar o fenômeno do fluxo de tráfego. Os resultados do modelo proposto mostraram-se satisfatórios quando comparados com outros modelos que consideram o comportamento do motorista em suas regras. A modelagem proposta para o comportamento do motorista resultou em um modelo que possibilita descrever a alteração no comportamento do motorista quando a densidade é aumentada. Palavras-chave: simulação computacional, tráfego de veículos, autômatos celulares, comportamento do motorista.Abstract: This thesis proposes a model for the traffic of vehicles on a double lane track, which considers the driver's behavior. The main models found in literature present in its structure differential or integro-differential equations that require many variables for model calibration. Therefore, in this work, computational modeling via cellular automata is used. The cellular automata have a very simple structure and are capable to model several complex phenomena through simple rules. Thus, a traffic model was developed on a double lane track where the driver's behavior change is evaluated as the track density increases. The profiles considered in this work are: Calm, Moderate, Agitated and Aggressive. This analysis is based on the modeling of a parameter around density, using a continuous probability distribution. This parameter is used to calculate the effective distance between two vehicles, allowing the adjustment of the speed of the vehicle behind based on its behavior. The model also considers rules of asymmetric track changes based on the evolution of the adopted behavior to better represent the traffic flow phenomenon. The results of the model were satisfactory when compared to other models that consider the driver's behavior in your rules. The proposed modeling for driver behavior resulted in a model that allows to describe the change in driver behavior when the density is increased. Key-words: computational simulation, vehicular traffic, cellular automata, driver behavior

SIMULADOR DE CARDUMES EM AUTÔMATO CELULAR

Algumas espécies de animais, tais como peixes, são capazes de se manterem em grupo sem a necessidade de um líder para organiza-los e guia-los (OBOSHI et al, 2003). O modelo biológico de cardume conceituado por Huth e Wissel (1994) propõe que um grupo é capaz de se manter unido através de simples interações com seus indivíduos vizinhos. Fundamentado neste modelo, este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um simulador de cardume hábil suficiente para reproduzir o comportamento deste grupo de animais. Sua modelagem matemática foi embasada em autômatos celulares de forma a garantir que este simulador seja capaz de aproveitar as vantagens dos autômatos celulares em simular com grande qualidade os fenômenos naturais e artificiais (SOUSA, 2002). Contudo a utilização de modelos em autômatos celulares demanda uma grande carga de processamento, o que é um problema, principalmente para dispositivos acessíveis via web. Em vista disto, a computação paralela pode ser uma boa solução desde quando não exija um grande custo adicional como a montagem de um cluster, por exemplo. O desenvolvido deste simulador visa torna-lo um modelo de computação paralela para sistemas de deslocamento espaço-temporal. Portanto a escolha do simulador de cardume esta associada a sua fácil compreensão e desenvolvimento. Neste trabalho o interesse reside em utilizar o poder de processamento das placas de vídeo, que têm um baixo custo se comparadas a um cluster de computadores

Eventos extremos em mercados complexos: robot trading em um modelo de autômato celular

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Sócio-Econômico, Programa de Pós-Graduação em Economia, Florianópolis, 2010Se reconhecermos que mercados financeiros são sistemas complexos, os instrumentos convencionais de política monetária e regulação podem ser inúteis para evitar o surgimento de bolhas e crashes. Para mostrar como esse objetivo pode ser alcançado, utilizamos um modelo de autômato celular estocástico para representar um mercado financeiro complexo, no qual a dinâmica dos preços emerge como resultado de interações diretas entre os agentes. Em seguida, robot traders são socialmente integrados ao modelo. Com isso, a dinâmica dos preços pode ser controlada, de modo a tornar o mercado estável.If stock markets are complex, monetary policy and even financial regulation may be useless to prevent bubbles and crashes. Here, we suggest the use of robot traders as an anti-bubble decoy. To make our case, we put forward a stochastic cellular automata model that generates an emergent stock price dynamics as a result of the interaction between traders. After introducing socially integrated robot traders, the stock price dynamics can be controlled, so as to make the market less volatile

Difusão Anômala no Jogo da Vida

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da Integração Latino-Americana como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Física Aplicada.Autômatos celulares são ferramentas computacionais versáteis, aplicadas em diversos campos multi e interdisciplinares para modelar fenômenos complexos, entre eles a difusão. Dentro deste contexto, o presente estudo dedica-se à análise da difusão no "Jogo da Vida", um modelo de autômato celular desenvolvido por John Horton Conway. Este modelo opera em uma grade de células que podem estar em um de dois estados: 'vivo' ou 'morto'. Utilizando a linguagem Python, implementamos as regras dinâmicas do Jogo da Vida em várias configurações matriciais, com o intuito de conduzir uma análise estatística sobre a distribuição espacial das células vivas e a dinâmica do seu centro de massa em ciclos sucessivos de interação. Além de avaliar métricas como assimetria e curtose, examinamos variáveis associadas ao movimento do centro de massa, como posição, velocidade e aceleração, assim como métricas derivadas, como o deslocamento quadrático médio e autocorrelações. Ao analisar dezoito configurações iniciais em uma rede expansível, identificamos diferentes regimes difusivos a partir do expoente de difusão (α), como subdifusão (02). Os resultados foram contextualizados usando o formalismo de Langevin Generalizado e comparados aos comportamentos assintóticos da função de relaxação, enriquecendo assim a compreensão do teorema de Khinchin

Propriedades decidíveis de autômatos celulares finitos, híbridos, não-lineares, sensíveis e reversíveis

We investigated the decidability and complexity of the Predecessor and the Configuration Reachability problems in Non-Linear, Sensitive, Reversible, Hybridand Finite Cellular Automata. We demonstrated the model’s reversibility (defined here as HSR, Híbrido Sensível Reversível, or Hybrid Reversible Toggle), which, in turn solves the Predecessor’s Problem. Using Disjunctive Normal Form to represent transition functions, by Boolean partial derivatives, we could transform them to the Algebraic Normal Form. We show that using matrix form and Boolean partial derivatives sit is possible to calculate several HSR evolution steps in polynomial time; so we demonstrated that the Configuration Reachability Problem belongs to the complexity class “Arthur-Merlin” AM2 and cannot be NP-Complete (unless the hierarchy collapses). We also proposed a new cryptographic method based on the model HSR, whose cryptographic keys are combinations of elementary transition functions, what increases the method’s eficiency, without compromising security, since even small lattice sizes make the key space cardinality very large.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)Nós investigamos a decidibilidade e complexidade dos problemas do Predecessor e da Alcançabilidade em Autômatos Celulares Finitos, Híbridos, Reversíveis, Sensíveis e Não- Lineares. Demonstramos a reversibilidade do modelo, aqui definido como HSR, resolvendo assim o Problema do Predecessor. Utilizando a Forma Normal Disjuntiva para representar as funções de transição, conseguimos por derivadas parciais booleanas transformá-las para a Forma Normal Algébrica. Mostramos que utilizando a forma matricial e também as derivadas parciais booleanas é possível calcular vários passos da evolução temporal do modelo HSR em tempo polinomial; com isso demonstramos que o Problema da Alcançabilidade pertence à classe “Arthur-Merlin” AM2 e por isso não pode ser NP-Completo (a não ser que a hierarquia colapse). Também propusemos um novo método criptográfico baseado no modelo de AC HSR, cujas chaves criptográficas são combinações de funções de transição elementares, o que aumenta a eficiência do método sem abrir mão da segurança, já que mesmo tamanhos pequenos de reticulado fazem a cardinalidade do espaço de chaves ser muito grande

Um modelo de simulação de autômatos celulares para avaliação de condições de biodiversidade e resiliência na exploração de florestas naturais

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção.Esta tese explora propriedades e aplicações em potencial para modelos espaciais baseados em autômatos celulares probabilísticos. A abordagem é validada por meio da comparação dos resultados de um modelo com base em dados disponíveis. O modelo que valida a abordagem reproduz os dados registrados sem diferença estatística de outro modelo desenvolvido com cadeias de Markov sobre os mesmos dados. Outro modelo desenvolvido visando analisar as conseqüências da exploração fundamenta-se em estudos científicos publicados. Os estudos científicos nos quais o modelo se embasa consideram aspectos ecológicos e fisiológicos. Os resultados deste modelo configuram comportamentos biológicos aceitáveis. A análise de resiliência, que visa determinar as conseqüências da exploração, mostra que o aumento da taxa de extração acarreta em tempos maiores para restauração da comunidade virtual e no aumento da probabilidade de extinção de algum tipo ecofisiológico presente na comunidade. Conseqüentemente, demonstra-se que para haver alguma exploração sustentável dos recursos naturais o nível de extração aplicado não deve acarretar na extinção de algum recurso. Adicionalmente, recomenda-se que experimentos sejam conduzidos em pequena escala antes de proceder-se com a exploração em larga escala. Além disso, demonstra-se haver diferença entre as estimativas de populações em equilíbrio feitas por modelos espaciais e seus análogos não-espaciais. As implicações pairam sobre o gerenciamento de reservas naturais e sobre a aplicação do máximo rendimento sustentável, ainda mais quando praticados sobre espécies em vias de extinção

Simulação do escoamento em canais com obstáculos submersos por meio do método do reticulado de Boltzmann

Orientador : Prof. Dr. Eloy KaviskiCoorientadora : Profª. Drª. Liliana Madalena GramaniTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 27/10/2017Inclui referênciasResumo: Esta tese verifica a capacidade do método do reticulado de Boltzmann (LBM - Lattice Boltzmann Method) na simulação numérica bidimensional de trechos do canal da Piracema, construído no parque da usina hidrelétrica de Itaipu, cuja dinâmica é governada pelas equações de águas rasas. O Canal da Piracema possui grande importância para a região. Pode-se perceber os benefícios que esta obra trouxe, permitindo que diversas espécies de peixes existentes na Costa Oeste do Estado, possam transpor a barragem da usina e, assim, voltam a utilizar sua antiga rota migratória para a desova. Foram simulados um trecho do canal de iniciação e o primeiro trecho do canal de alimentação em trincheira. Estes trechos possuem chicanas submersas, cuja função é reduzir a velocidade da água. A simulação numérica foi realizada por meio do método do reticulado de Boltzmann com múltiplos tempos de relaxamento (MRT - Multiple Relaxation Time). Considerou-se como condições de contorno vazão constante na entrada do canal, altura constante na saída e nãoescorregamento nas paredes do canal. Incorporou-se ao código computacional uma técnica de simulação em grandes escalas (LES - Large Eddy Simulation) e esta permite obter resultados mais próximos do comportamento real do escoamento. Avaliou-se a estabilidade da simulação em todos os pontos da malha para cada passo de tempo e, juntamente com a propriedade da consistência do LBM, obtém-se a convergência da solução. Os resultados apresentados mostram que o modelo desenvolvido foi capaz de reproduzir as condições para a ocorrência da Piracema, ou seja, as velocidades não ultrapassaram 3m/s nas seções transversais ao longo do trecho analisado, a profundidade da água é superior a 0,8m e áreas molhadas nas seções transversais superiores a 6m2. Exceto nos primeiros pontos da entrada do canal, o erro relativo é menor do que 0,01%. Este erro atende aos requisitos de precisão da maioria dos problemas em Engenharia Hidráulica. Palavras-chaves: Simulação numérica. Método do Reticulado de Boltzmann. Equações de águas rasas. Escoamento em canal. Obstáculos submersos.Abstract: This thesis looks at the capacity of the Lattice Boltzmann Method (LBM) to perform the numerical simulation of stretches of the Piracema canal, built in the Itaipu hydropower plant park. Its dynamic is governed by shallow water equations. The Piracema canal is very important for the region. It is possible to note the benefits of this work, enabling various species of fishes in the West Coast of the state to pass the plant dam, and thus return to their old spawning migration route. An excerpt of the initiation channel and the first stretch of the feed channel were simulated. These stretches have submerged chicanes to reduce water velocity. Numerical simulation was peformed using the Lattice Boltzmann method with multiple relaxation times (MRT). Boundary conditions considered were constant flow at the entry to the channel, constant height at the exit, and non-slipping of the channel walls. A large scale simulation technique (LES) was incorporated to the computer code, and this allows obtaining results that are closer to the real flow behavior. Simulation stability was evaluated at all points of the mesh for each time step and together with the property of LBM consistency, solution convergence is obtained. The results show that the model developed managed to reproduce the conditions for the occurrence of Piracema, ie., the velocities did not surpass 3m/s in the cross-sections along the stretch analyzed, the water depth is greater than 0,8 m and wetted areas in the cross-sections are greater than 6m2. Except for the initial points at the entry to the channel, the relative error is less than 0,01% . This error fulfills the requirements for precision of most problems in Hydraulic Engineering. Key-words: Numerical simulation. Lattice Boltzmann method. Shallow water equations. Open-channel flow. Submerged obstacles

Exploração computacional dos espectros de Fourier de autômatos celulares elementares assíncronos

Os tópicos autômatos celulares assíncronos e análise espectral são relevantes em meio à comunidade científica de autômatos celulares. Autômatos celulares assíncronos são variantes de autômatos celulares nos quais as células têm seu estado alterado em diferentes passos de tempo, em vez de serem todas atualizadas em um mesmo passo global, como no modelo convencional. As atualizações assíncronas, determinísticas ou probabilísticas, têm recebido um aumento progressivo de atenção na comunidade científica pertinente, em função da maior flexibilidade que os autômatos celulares adquirem tanto do ponto de vista de computabilidade quanto pela maior naturalidade para modelagem de sistemas naturais. Análise espectral é um conjunto de técnicas para transportar dados do domínio do espaço para o domínio da frequência. Dentre suas muitas aplicações, esta técnica é aplicada ao estudo do comportamento limite das regras dos autômatos celulares, que consiste em calcular o espectro de Fourier destes autômatos celulares, para determinado tamanho de reticulado, número de iterações, e conjunto de reticulados como amostra. Na presente dissertação são efetuados estudos sobre o impacto que sequências de atualização determinísticas distintas têm sobre a forma dos espectros de Fourier das regras do espaço elementar de autômatos celulares. São aqui definidas três famílias distintas de padrões de assincronia, cada qual se apresentando com dez padrões de assincronia distintos, para todas as regras do espaço elementar. São descritas e classificadas as mudanças de forma dos espectros obtidas com a evolução assíncrona do reticulado, bem como outros fenômenos observados com o experimento. Os novos espectros obtidos também foram agrupados em classes de similaridade espectral para estudo. O foco da dissertação é documentar, por meio de explorações computacionais, como a presença da assincronia afeta a formação dos espectros de Fourier dos autômatos assíncronos, e identificar razões para tais fenômenos.The spectral analysis and asynchronous cellular automata subjects are relevant among the cellular automata scientific community. Asynchronous cellular automata are variants of cellular automata at which the cells have their state shifted at distinct time paces, instead of being all updated at the same global pace, as in the conventional model. The asynchronous updates, deterministic or probabilistic, have been receiving a progressive rise of attention by the pertinent scientific community, due to the bigger flexibility the cellular automata acquire concerning computability as well as for the better suitability to model natural systems. Spectral analysis is a set of techniques to transpose data from the space domain to the frequency domain. Among its many applications, this technique is applied to the study the limit behavior of the cellular automata rules, which consist in calculating the Fourier spectrum of these cellular automata, for a given lattice size, number of iterations, and set of lattices as a sampling. At the present dissertation are done studies concerning the impact that distinct deterministic updating sequences have over the shape of the elementary space rules’ Fourier spectra. There have been defined three distinct asynchrony patterns families, each one displaying itself at ten distinct asynchrony patterns, for all the rules of the elementary space of cellular automata. There are described and classified the shape shifts of the spectra obtained by the lattice asynchronous updating, as well as other phenomena described with the experiment. The newly obtained spectra were groped in spectral similarity classes for study as well. The focus of the dissertation is to document, by means of computational explorations, how the presence of asynchrony effects the formation of the asynchronous automata Fourier spectra, and identify reasons for these phenomena.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio