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Classificação multiclasse de sinais de eletroencefalograma para tarefas de imaginação motora utilizando processamento estatístico de sinais e deep learning
Get PDFResearch Interests: Efficient classification of electroencephalogram (EEG) signals is
crucial for the development of brain-computer interface systems. However, the complexity
and variability of EEG signals pose significant challenges for accurate classification. Additionally,
this study has social relevance as it can contribute to the development of assistive
brain-computer interfaces, benefiting individuals with severe motor impairments, such as
those who have experienced a stroke. These interfaces have the potential to improve the
quality of life for these individuals by enabling communication and device control through
brain activity.
Objectives: This study aimed to compare the performance and computational cost of an
artificial neural network using different signal processing techniques for the classification
of resting state and left/right wrist movement imagination states from EEG signals. Three
statistical signal processing techniques, Principal Component Analysis (PCA), Independent
Component Analysis (ICA), and Singular Spectrum Analysis (SSA), were explored
in conjunction with a Convolutional Neural Network (CNN) to enhance the classification
of EEG signals.
Results Obtained: The results revealed that the PCA technique led to a reduction in
training time of up to 63.5% without significantly compromising performance in terms
of classification accuracy. PCA proved to be a promising approach, capturing relevant
information from the EEG signals and improving the CNN’s ability to classify accurately.
On the other hand, both ICA and SSA techniques did not yield promising results. ICA
had negative effects on feature extraction, resulting in decreased classification accuracy
by the CNN. SSA, on the other hand, showed consistently low performance across all
evaluated metrics, indicating challenges in capturing discriminative information from the
EEG-IM signals.Interesses de pesquisa: A classificação eficiente dos sinais de eletroencefalograma (EEG)
é fundamental para a construção de sistemas com interface cérebro-computador. No entanto,
a complexidade dos sinais de EEG e sua variabilidade entre indivíduos apresentam
desafios significativos para a classificação precisa. Este estudo tem relevância social, pois
pode contribuir para o desenvolvimento de interfaces cérebro-computador assistivas, beneficiando
pessoas com severos danos motores, como aquelas que sofreram acidente vascular
cerebral (AVC). Essas interfaces têm o potencial de melhorar a qualidade de vida desses
indivíduos, permitindo a comunicação e o controle de dispositivos através da atividade
cerebral.
Objetivos: Este estudo teve como objetivo comparar o desempenho e o custo computacional
de uma rede neural artificial utilizando diferentes técnicas de processamento de sinal
na classificação de estados de repouso e imaginação do movimento do punho esquerdo e
direito a partir de sinais de EEG. Foram exploradas três técnicas estatísticas de processamento
de sinais: Análise de Componentes Principais (PCA), Análise de Componentes
Independentes (ICA) e Análise Espectral Singular (SSA), em conjunto com uma Rede
Neural Convolucional (CNN).
Resultados obtidos: Os resultados obtidos revelaram que a técnica de PCA proporcionou
uma redução no tempo de treinamento de até 63,5%, sem comprometer significativamente
o desempenho em termos de acurácia na classificação. A PCA demonstrou ser
uma abordagem promissora, permitindo a captura de informações relevantes nos sinais de
EEG e aprimorando a capacidade da CNN em realizar a classificação com precisão. Por
outro lado, as técnicas de ICA e SSA não apresentaram resultados promissores. A ICA
teve efeitos negativos na extração de características, resultando em uma diminuição na
acurácia da classificação realizada pela CNN. A SSA, por sua vez, mostrou um desempenho
geralmente baixo em todas as métricas avaliadas, indicando uma dificuldade em
capturar as informações discriminativas presentes nos sinais de EEG-IM
Reflexões metodológicas sobre a operação de sistemas hidrotérmicos de energia elétrica
Get PDFThere are three forms of a hidroelectric system to self-protect by hydrological and
load risks: the first one is the water storage; the second is the complementarities
thermal; the third is the increase of the elasticity of the demand, with strong signal of
generation price. Historically, the use of reservoirs was the way of protecting of the
uncertainties. In this phase the concepts of firm energy and critical period had
appeared, and the economic criterion had minor value than the technical criteria. With
the entrance of some thermal generation, it was transferred to operate the reservoir,
according to criterion of the rule curve. The great advantage of the rule curve is the
transparency. Moreover, it has a certain isonomy between the reservoirs, not allowing
that one if finds emptied total, while the other meets full or almost full. All the reservoirs
have that to be in the same band.
With the evolution of the computational models, Brazil abandoned the previously
criterion, evolving for one with strong economic bias, that if based on the costs of the
thermal generation and the deficit, beyond the expansion of the generating park. The
sophistication of the models demanded a simplification of the physical reality. Thus,
this second phase of the electro-energy operation in the country if did not worry about
the aspects to maximize the hydroelectric generation (that it is the same that to
minimize the thermal generation).
The 2001 crisis presented the fragility of the sector, imposing the creation of the
aversion risk curve, that is a rule curve; when the storage in the reservoirs is less than
established level, determines the forwarding of all the thermal capacity. Today, the
sector indicates the necessity of other curves of aversion that determines the
forwarding of parts of thermal the generating grid, before if transgressing to the current
aversion curve. This nothing more is that the rescue of the rule curve, only that still
applied to the reservoir equivalent.
The objective of this paper is to develop a strength and plain method for the
hydroelectric plants reservoirs operation. It is understood that strength way is the
capacity for the operation without major economic losses under unexpected conditions.
The plain way means the capacity of for reproducing or projecting the operation results
with no major differences, is that to say, forecasting and repeatability.Existem três formas de um sistema hidrelétrico se proteger dos riscos
hidrológicos e de carga: o primeiro é o armazenamento de água; o segundo é a
complementaridade térmica; o terceiro é o aumento da elasticidade da demanda, com
forte sinal de preço na geração. Historicamente, o uso de reservatórios foi a maneira
de se proteger das incertezas. Nesta fase surgiram os conceitos de energia firme e
período crítico, e o critério econômico tinha menor valor que o critério técnico. Com a
entrada de alguma geração térmica, passou-se a operar o mesmo, segundo o critério
das curvas-guia. A grande vantagem das curvas-guia é a transparência. Além disto, há
uma certa isonomia entre os reservatórios, não permitindo que um se encontre
totalmente esvaziado, enquanto o outro se encontra cheio ou quase cheio. Todos os
reservatórios têm que estar na mesma faixa.
Com a evolução dos modelos computacionais, o Brasil abandonou o critério
anteriormente exposto, evoluindo para um com viés fortemente econômico, que se
baseava nos custos da geração térmica e do déficit, além da expansão do parque
gerador. A sofisticação dos modelos exigia uma simplificação da realidade física.
Assim, esta segunda fase da operação eletro-energética no país não se preocupava
com os aspectos de maximizar a geração hidrelétrica (que é o mesmo que minimizar a
geração termelétrica), e garantir o nível de confiabilidade do suprimento.
A crise de 2001 mostrou a fragilidade da confiabilidade do setor, impondo a
criação da curva de aversão a risco, que nada mais é do que uma curva-guia, que,
quando da existência de um armazenamento nos reservatórios inferior ao por ela
estabelecido, determina o despacho de toda a capacidade térmica. Hoje, já se percebe
a necessidade de outras curvas de aversão que determine o despacho de partes do
parque gerador térmico, antes de se transgredir à curva de aversão atual. Isto nada
mais é que o resgate das curvas-guia, só que ainda aplicadas ao reservatório
equivalente. Neste trabalho é feita uma análise dos modelos conceituais utilizados pelo setor
elétrico para operação de reservatórios e propõe-se o resgate das curvas-guia, através
de um modelo de faixas operativas, que nada mais são do que curvas guias
inteligentes, definidas através de algoritmos genéticos
Mapping of vulnerabilities and opportunities to enhance water security in the watersheds of Minas Gerais
No full textThe water crisis scenario faced by several Brazilian regions in recent years, including Minas Gerais, imposes the urgency of water security actions, a movement that must include, among other aspects, the universalization of water and sanitation services and water management by the multiple actors involved, including the implementation of instruments recommended by the National Water Resources Policy - instituted by Law nº. 9.433/97. Concrete improvements in sanitation directly favor water management, especially sanitary sewage and water supply. In terms of sewage collection and treatment services, the proportion of the watershed exposed to pollution by domestic sewage is reduced, in relation to water supply, loss management favors the availability of water in springs. The importance of the dialogue between these sectors became more evident after the update of the regulatory framework for basic sanitation, Federal Law nº 14.026/2020, when the National Water and Sanitation Agency (ANA) expanded its scope. Given that and considering the Minas Gerais area of influence, which with its 853 municipalities welcomes different contexts of urban and rural territories governance, this study proposes to identify critical areas in terms of water resources management and sanitation, considering the reality of the 36 Hydrographic Circumscriptions (HCs) of Minas Gerais, to discuss vulnerabilities and opportunities to increase water security in the State. For 2022 five indicators were analyzed in the context of Hydrographic Circumscriptions: (i) Water Resources Management Instruments Implementation Index (WRMI); (ii) Sanitary Sewage Collection Index (SCI); (iii) Sanitary Sewage Treatment Index (STI); (iv) Water Quality Index (WQI); and (v) Water Loss per Connection Index (LCI). Data for this research were collected at the Minas Gerais Water Management Institute and at the National Sanitation Information System. The fundamental prerogative is understand the hydrographic basins realities, in order to verify priority areas and encourage public policies by, for example, members of the State Water Resources Management System and actors in the sanitation sector. The product of this study are Vulnerabilities and Opportunities Maps to support decision-making to increase water security in Minas Gerais, mainly to enlarge the water supply. According to the methodology adopted, for WRMI 15 HCs were allocated in the alert scenario; in moderate scenario 05; and in the favorable scenario 16. In the case of SCI and STI, 17 HCs were allocated in the alert scenario; 09 in the moderate scenario; and 10 in the favorable scenario. For WQI it was noticed that the main result in the collection points is the average index, being also observed places with bad and good quality, however it was not observed collection points with very bad result. For LCI, 07 HCs were allocated in the alert scenario; 12 in the moderate scenario; and 17 in the favorable scenario.Agência 1O cenário de crise hídrica enfrentado por diversas regiões brasileiras nos últimos anos, incluindo Minas Gerais, impõe a urgência de ações direcionadas à segurança hídrica, movimento que deve abranger, dentre outros aspectos, a universalização dos serviços de saneamento básico e a gestão das águas pelos múltiplos atores envolvidos, incluindo a implementação dos instrumentos preconizados pela Política Nacional de Recursos Hídricos - instituída pela Lei nº 9.433/97. Sabe-se que melhorias concretas no saneamento favorecem diretamente a gestão das águas, destaque para os eixos de esgotamento sanitário e abastecimento de água. Em termos dos serviços de coleta e tratamento de esgoto, reduz-se a proporção da bacia hidrográfica exposta à poluição por esgoto doméstico, já no eixo de abastecimento de água, a gestão de perdas favorece a disponibilidade de água nos mananciais. A importância da interlocução entre esses setores tornou-se mais evidente a partir da atualização do novo marco do saneamento básico, Lei Federal nº 14.026/2020, quando a Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA) ampliou seu escopo de atuação. Diante do exposto e considerando a abrangência do Estado de Minas Gerais, que com seus 853 municípios acolhe contextos diversos no que se refere à governança dos territórios urbano e rural, este estudo propõe identificar áreas críticas em termos de gestão de recursos hídricos e saneamento básico, considerando a realidade das 36 Circunscrições Hidrográficas (CHs) de Minas Gerais, a fim de discutir as vulnerabilidades e oportunidades para ampliar a segurança hídrica no Estado. Foram analisados, para o ano de 2020, cinco indicadores no contexto das CHs (i) Índice de Implementação dos Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos - IGRH; (ii) Índice de Coleta de Esgoto - ICE; (iii) Índice de Tratamento de Esgoto Sanitário - ITE; (iv) Índice de Qualidade da Água Bruta - IQA; e (v) Índice de Perdas de Água por Ligação - IPL. Os dados para esta pesquisa foram coletados no Instituto Mineiro de Gestão das Águas - IGAM e no Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento - SNIS. Tem-se como prerrogativa fundamental a compreensão das realidades no contexto de bacias hidrográficas para, assim, verificar áreas prioritárias e incentivar políticas públicas por parte, por exemplo, de integrantes do Sistema Estadual de Gerenciamento de Recursos Hídricos e dos atores do setor de saneamento. Como produto final deste trabalho tem-se os Mapas de Vulnerabilidades e Oportunidades para subsidiar a tomada de decisão em busca do aumento da segurança hídrica em Minas Gerais, principalmente no sentido de ampliar a oferta de água. Pela metodologia adotada, no que se refere ao IGRH foram alocadas no cenário de alerta 15 CHs; no cenário moderado 05; e no cenário favorável 16. No caso do ICE e do ITE, 17 CHs foram alocadas no cenário de alerta; 09 no cenário moderado; e 10 no cenário favorável. Para o IQA percebeu-se que o principal resultado nos pontos de coleta é o índice médio, sendo observados também locais com qualidade ruim e boa, no entanto não se observou pontos de coleta com resultado muito ruim. Para o IPL, 07 CHs foram alocadas no cenário de alerta; 12 no cenário moderado; e 17 no cenário favorável
Identificação matemática e simulação do equilíbrio hídrico do corpo humano
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Otimização de modelos SARIMA-DEA com ensembles e delineamento de misturas
Get PDFAccurate forecasting is crucial for several areas of knowledge, such as Economics, Management, Engineering and Statistics. There are several approaches to perform forecasting: time series analysis, regression analysis, artificial neural networks, etc. However, both researchers or analysts must be aware when applying any of the aforementioned techniques because of overfitting – which occurs when a given model has so many parameters that it fits well to the training set, but predicts the test set very poorly. Recently, model combination techniques are widely spread, since the ensemble of models is proven to make the forecast metrics better. However, the overfitting problem may still occur in these cases. To overcome this, this thesis suggests the application of an intermediate step between the selection of models for the ensemble and the optimization of their weights, which is the application of a Data Envelopment Analysis model suitable for the presence of fractional variables so as not to harm the assumption of convexity. To analyze this method, this thesis applies Box & Jenkins models. Therefore, Decision Making Units (DMU) are created through a Complete Factorial Arrangement, modifying the computational parameters. Super-efficiency analysis is applied and the 4 DMUs with the highest efficiency indexes are retained for later combination through Response Surface (RSM) optimization in the context of Mixture Design. It is also proposed the application of multivariate statistical techniques for dimensionality reduction, in order to make the problem computationally smaller. To validate the proposed method, a simulation study was created, comparing the results with the Naive method. The simulation showed that the method proposed in this thesis presents, on average, better results. Finally, the method was applied to series about electricity demand from Brazil and its five geographic regions.Realizar previsões acuradas é de suma importância para diversas áreas do conhecimento, como Economia, Gestão, Engenharias, Estatística etc. Existem várias abordagens para se realizar previsões: análise de séries temporais, análise de regressão, redes neurais artificiais etc. Contudo, um cuidado que todo pesquisador ou analista deve ter ao aplicar qualquer uma das referidas técnicas é o cuidado com o overfitting – que ocorre quando um determinado modelo possui tantos parâmetros que se ajusta bem ao conjunto de treino, mas prevê muito mal o conjunto de teste. Recentemente, técnicas de combinação de modelos estão em voga, uma vez que comprovadamente o ensemble de modelos faz com que as métricas de previsão sejam melhores. Entretanto, o problema do overfitting ainda pode estar presente nestes casos. Para contornar este problema, esta tese sugere a aplicação de um passo intermediário entre a seleção de modelos e a otimização dos pesos que é a utilização de um modelo de Análise por Envoltória de Dados adequado à presença de variáveis fracionadas para não ferir o pressuposto de convexidade. Para analisar este método, esta tese aplicará modelos de Box & Jenkins. Criam-se, portanto, Decision Making Units (DMUs) por meio de um Arranjo Fatorial Completo, modificando os parâmetros computacionais. Aplica-se a análise de supereficiência e retem-se as 4 DMUs com maiores índices de eficiência para posterior combinação por meio de otimização de Superfície de Resposta no contexto de Delineamento de Misturas. Propõe-se também a aplicação de técnicas estatística multivariadas para redução de dimensionalidade, a fim de tornar o problema computacionalmente menor. Para validar o método proposto, foi criado um estudo de simulação, comparando os resultados com o método Naive. A simulação mostrou que o método proposto nesta tese apresenta em média melhores resultados. Por fim, o método foi aplicado em séries de demanda de energia elétrica do Brasil e suas cinco regiões
Aplicação do método dos volumes finitos em escoamentos internos de fluidos com transferência de calor
Get PDFIn this work a code has been developed to solve the convection heat transfer problems
with laminar flow and forced, natural and mixed convection.
The Volume Finite Method has been used with Semi-Implicity Sola method to make the
time discretization and two convective schemes are used: Upwind and Quick.
The work has been developed to newtonian fluid in laminar flow, transient, twodimensional
with rectangular and cylindrical coordinates.
Graphics was developed of the distribution of the stream functions and temperature. The
approach of values also was indicated in grhafics. The Nusselt number are determined in natural
and mixed convection.
For the validation of the developed computer program, some tests were carried out for the
flow of Poiseuille (between plain plates), tubes and in rectangular cavity to obtain results for the
for the forced, natural an mixed convection.
The results of this work are showed to natural and mixed convection in rectangular cavity
with aspect ratio 0,5 and 2 and vertical tubes with aspect ratio 2 and hot central disc in the
botton.No presente trabalho é desenvolvido um código de cálculo para a solução dos problemas
de transferência de calor com escoamento laminar e convecção forçada, natural e mista.
É utilizado o Método dos Volumes Finitos com discretização temporal através do método
Sola e com dois esquemas de discretização espacial: Quick e Upwind, para os termos convectivos.
O trabalho foi desenvolvido para fluido newtoniano em escoamento laminar, não permanente,
bidimensional, em coordenadas retangulares e cilíndricas.
Foram desenvolvidos gráficos de distribuição da função corrente e temperatura. A convergência
dos valores foi mostrada também em gráficos apropriados, bem como os números de
Nusselt médios.
A validade do código computacional foi verificada no escoamento de Poiseuille (entre
placas planas) e em tubos para a convecção forçada, bem como em cavidades quadradas para se
obter resultados relacionados com as convecções natural e mista.
Os resultados deste trabalho na aplicação do método dos volumes finitos nos processos de
transferência de calor são apresentados para convecção natural e mista em cavidades retangulares
com razões de aspecto iguais a 0,5 e 2, bem como em cilindro vertical com razão de aspecto
igual a 2 e disco central inferior aquecido, utilizando o sistema de coordenadas cilíndricas
Avaliação termodinâmica da produção de eletricidade e etanol a partir da cana-de-açúcar
Get PDFThe main objective of this work is the exergoeconomic evaluation of an electric
energy generation and steam production process in the sugar and alcohol segment. The
study results are presented of the thermal efficiency increase potential and the economic
viability of the current project of the plant cogeneration “Usina Colombo”. It is also
evaluated the options for the project modification aiming at an increase in the excess
electricity generation. It had been determined the costs the main flow system for the crop
corresponding to 2003 year, considering the installation costs as a new cogeneration plant,
for these calculation was considered a 15% yearly tax rate and ten years amortization. It
was done a detailed study about the thermodynamic limits of the ethanol and electricity
production by sugar cane, at this case the plant in study has a capacity different of the
mentioned before.O objetivo principal deste trabalho é a avaliação exergoeconômica de um processo
de geração de energia elétrica e de produção de vapor no segmento de açúcar e álcool.
Apresentam-se os resultados de um estudo do potencial de acréscimo da eficiência térmica
e da viabilidade econômica do esquema atual da central de cogeração da “Usina Colombo”.
Avalia-se também as opções para modificações deste esquema visando um aumento no
índice de eletricidade excedente. Foram determinados os custos dos principais fluxos do
sistema para a safra de 2003, considerando os custos de instalação da planta de cogeração
como se fosse um sistema novo, que será amortizado em 10 anos com uma taxa de juros de
15% ao ano. Faz-se também um estudo detalhado sobre os limites termodinâmicos da
produção de etanol e eletricidade a partir da cana-de-açúcar, neste caso a usina em estudo
tem uma capacidade diferente da antes citada
Conhecimentos matemáticos para o ensino mobilizados por licenciandos no estudo de tópicos da história da matemática
Get PDFThe contributions in the studies of the History of Mathematics (HM) for the formation of teachers has been the subject of various academic works in our country in the last years. In this context, considering that we can identify in the mathematics Degree courses in Brazil, different approaches on HM, such as History of Mathematics, History of Mathematics in Teaching and History of Mathematics Education (HME), on this investigation we focus, specially, in investigating the contributions on the study of theme "History of Mathematics in Teaching" for the training of teachers. For such, we start from the model "Mathematical Knowledge for Teaching" (MKT). In this sense, the present investigation was guided by the following question: Which Mathematical Knowledges for Teaching are mobilized by undergraduates when studying aspects of the History of Mathematics in teaching in a subject of the Mathematics Degree course? Therefore, we collected data throughout the development of a Teaching Practice subject at a federal university in the state of Minas Gerais, whose syllabus provided for the approach of the theme "History of Mathematics in teaching". The classes of this subject were recorded and transcribed, in which we tried to search and identify, in the words of the participants, knowledge referent in the Mathematical Knowledges for Teaching that were mobilized by the undergraduates. Throughout the investigation, an adaptation of the MKT model was realized, in which we divided the knowledges of mathematics teachers in three domains: Subject Matter Knowledge, Pedagogical Content Knowledge and Curriculum Knowledge. The results indicated that when studying the theme “HM in Teaching” and when developing activities on the theme, the undergraduates mobilized the knowledge in all three domains, especially in the Pedagogical Content Knowledge. The undergraduates mainly manifested this domain, due to the discipline giving more focus to the pedagogical issues of teaching. Curriculum Knowledge was also well mobilized, with the students referring to official documents such as the BNCC. However, the Subject Matter Knowledge was the least mobilized since mathematical questions were not the focus of the discipline. Thus, it can be perceived that the study of “HM in teaching” can contribute to the formation of future Mathematics teachers.As contribuições do estudo da História da Matemática (HM) para a formação de professores têm sido objeto de variados trabalhos acadêmicos em nosso país nos últimos anos. Neste contexto, e considerando que podemos identificar nos cursos de licenciatura em Matemática no Brasil, diferentes enfoques da HM, tais como: História da Matemática, História da Matemática no Ensino e História da Educação Matemática (HEM), nesta investigação nos focamos, especificamente, em investigar as contribuições do estudo da temática “História da Matemática no ensino” para à formação de docentes. Para tanto, partimos do modelo “Conhecimentos Matemáticos para o Ensino”, amplamente conhecido pela sua sigla em inglês, MKT. Nesse sentido, a presente investigação se norteou pela seguinte questão: Que Conhecimentos Matemáticos para o Ensino são mobilizados por licenciandos ao estudarem aspectos da História da Matemática no ensino em uma disciplina do curso de Licenciatura em Matemática? Para tanto, os dados foram construídos ao longo do desenvolvimento de uma disciplina de Prática de Ensino de uma universidade federal do estado de Minas Gerais, cuja ementa previa a abordagem de tópicos da “História da Matemática no ensino”. As aulas desta disciplina foram gravadas e transcritas, nas quais buscamos identificar e analisar, nas falas dos participantes, conhecimentos referentes aos Conhecimentos Matemáticos para o Ensino que foram mobilizados pelos licenciandos. Destaca-se que ao longo da investigação foi realizada uma adaptação do modelo MKT, na qual dividimos os conhecimentos de professores de Matemática em três domínios: o Conhecimento do Conteúdo, o Conhecimento Pedagógico do Conteúdo e o Conhecimento do Currículo. Os resultados indicaram que ao estudarem a temática “HM no Ensino” e ao desenvolverem atividades sobre esta, os licenciandos mobilizaram conhecimentos em todos os três domínios, especialmente o Conhecimento Pedagógico de Conteúdo. Os licenciandos manifestaram principalmente esse domínio, em virtude da disciplina dar mais enfoque as questões pedagógicas do ensino. O Conhecimento do Currículo também foi bem mobilizado, com os licenciandos buscando os documentos oficiais, como a BNCC. Por outro lado, o Conhecimento do Conteúdo foi o menos mobilizado, uma vez que as questões matemáticas não eram o foco principal da disciplina. Assim, pode-se perceber que o estudo da “HM no ensino” pode trazer contribuições para a formação do futuro professor de Matemática