Programa de Pós Graduação em Modelagem Matemática e Computacional - PPGMMC

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A mecânica quântica supersimétrica e suas aplicações
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-03-13) Silva, Wanderley da; Scarpelli, Antônio Paulo Baêta; Negrini Neto, Osvaldo; http://lattes.cnpq.br/6607141415887356; http://lattes.cnpq.br/4164041157405626; http://lattes.cnpq.br/8478442420290310; Scarpelli, Antônio Paulo Baêta; Negrini Neto, Osvaldo; Pallegrino, Giancarlo Queiroz; Brito, Luiz Cléber Tavares de
A supersimetria é um princípio bastante atraente na busca por teorias mais abrangentes, além do Modelo Padrão das partículas elementares, pois envolve o intercâmbio entre campos fermiônicos e bosônicos, além de resolver problemas como o do ajuste fino. A mecânica quântica supersimétrica (MQ SUSI) foi desenvolvida por Witten em 1981, inicialmente como um modelo para testar métodos de teorias de campos. A partir do momento em que a comunidade científica voltou sua atenção para a Mecânica Quântica SUSI, ficou evidente que este campo de estudos era interessante por si mesmo. Além de servir como um modelo para testar métodos de teorias de campos, constatou-se que a MQ SUSI traz novas luzes sobre o método de fatoração de Infeld e Hull, que foi a primeira forma de categorizar os problemas de potenciais solucionáveis analiticamente. Cálculos da mecânica quântica podem ser simplificados por meio de procedimentos da MQ SUSI. Há muito o que ser explorado em MQ SUSI no cenário atual. Este projeto tem como proposta fazer uma revisão dos diversos procedimentos adotados na MQ SUSI , desenvolver procedimentos numéricos para o cálculo de grandezas físicas em MQ SUSI. Neste trabalho vamos estudar os poços quânticos nas dimensões: 1D (finito e infinito), 2D (quadrado e circular), 3D esférico ( finito e infinito) e o átomo de hidrogênio, bem como seus parceiros supersimétricos. Apresentaremos ao fim uma discussão de aplicações da mecânica quântica supersimétrica e algumas aplicações tecnológicas
Abordagem de sistemas complexos aplicada a problemas biologicamente motivados
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-05-13) Lima, Larissa Lopes; Faria, Allbens Atman Picardi; Guimarães, Andréia Rodrigues Marques; http://lattes.cnpq.br/4216801992845696; http://lattes.cnpq.br/9943818682025940; Faria, Allbens Atman Picardi; Guimarães, Andréia Rodrigues Marques; Morais, Maria Helena Franco; Andrade, Roberto Fernandes Silva; Mattos, Thiago Gomes; Wanner, Elizabeth Fialho
O campo de estudo dos sistemas complexos está entrelaçado a muitas áreas da ciência e constitui uma abordagem promissora para a investigação de problemas biológicos. Neste trabalho, algumas ferramentas de sistemas complexos são usadas para estudar três problemas biológicos de grande preocupação atual: a pandemia de COVID-19, a ciclicidade dos surtos de dengue e o impacto das mudanças climáticas no banco de sementes de uma espécie invasora. No estudo de COVID-19, desenvolveu-se um modelo baseado em agentes para simular o espalhamento da doença e o efeito de indivíduos superespalhandores com diferentes cenários de mobilidade. Uma análise de redes foi aplicada para investigar o papel dos superespalhadores, mostrando que há indivíduos chave que interferem no processo de infecção. Ainda, foram feitas simulações para algumas capitais brasileiras usando redes, dados de mobilidade extraídos por telefones celulares e diferentes cenários de infecção. No caso do estudo de dengue, inicialmente foram aplicadas ferramentas de grafo de visibilidade e entropia para interpretar os dados de séries temporais da doença. Além disso, introduziu-se uma ferramenta denominada Histograma de Impacto-Frequência, gerada a partir dos grafos de visibilidade, a qual mostrou resultados melhores para o estudo da ciclicidade da dengue que a abordagem utilizando entropia. Em seguida, foi adaptado um modelo baseado em agentes para investigar a dinâmica de diferentes cenários de infecção por dengue. O resultado permitiu identificar humanos e mosquitos que possuem papel essencial nas redes. Por último, foi adaptado um modelo baseado em agentes para simular a dinâmica de um banco de sementes de uma espécie invasora sob diferentes cenários de mudanças climáticas. Os resultados dos três modelos podem auxiliar na tomada de decisão em diferentes âmbitos. No caso de COVID-19 e dengue, os modelos podem ser adaptados para diferentes cenários e doenças. O modelo de espécie invasora também pode ser adaptado para outras espécies e para auxiliar no manejo dessas espécies. Assim, a abordagem de sistemas complexos permitiu alcançar resultados inéditos no tratamento e análise de problemas biologicamente motivados, como a identificação de superespalhadores no espalhamento da COVID-19, ciclicidade em surtos epidêmicos da dengue e influência das mudanças climáticas no banco de sementes de espécies invasoras. Todos os estudos abordados neste trabalho são passíveis de continuidade, seja para os mesmos problemas ou para aplicações semelhantes.
Abordagens mono e multiobjetivo para o problema de roteamento de veículos capacitados com restrições tridimensionais de carregamento
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2020-02-28) Rocha, Lucas Daniel Padia; Martins, Flávio Vinícius Cruzeiro; http://lattes.cnpq.br/3199420233273400; http://lattes.cnpq.br/1156879770113358; Martins, Flávio Vinícius Cruzeiro; Sarubbi, João Fernando Machry; Wanner, Elizabeth Fialho
Com a expansão da internet, o transporte de produtos ocupa uma das funções mais importantes no comércio eletrônico. Um dos parâmetros com elevado impacto nessa importância está nos altos custos envolvidos com o transporte na economia. Diante desse fato, é considerável analisar os problemas reais enfrentados pelos atores desse ramo de atividade. As questões que se referem ao roteamento e carregamento de veículos, em decorrência de suas complexidades, constituem uma das aplicações com maior potencial na área de otimização. Com o foco de facilitar essas questões, este trabalho tem como objetivo solucionar o problema de roteamento de veículos capacitados com restrições tridimensionais de carregamento (3L-CVRP). Este trabalho traz soluções para o problema em duas modelagens distintas, mono-objetivo e multiobjetivo. No mono-objetivo, a finalidade é minimizar a distância total percorrida pelos veículos. Foram implementados os seguintes algoritmos: Algoritmo Genético, Variable Neighborhood Search (VNS), Simulated Annealing e Busca Tabu. No Algoritmo Genético, utilizou-se as soluções geradas pelas técnicas Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e soluções resolvidas por programação linear inteira (PLI) utilizando o pacote comercial CPLEX aplicadas ao problema de roteamento de veículos capacitados (CVRP) para construir a população inicial. No restante dos algoritmos implementados, as soluções do PLI obtidas pelo CPLEX foram utilizadas como solução inicial. Os resultados obtidos foram comparados aos da literatura e entre os algoritmos construídos. Na abordagem multiobjetivo, acrescentou-se o objetivo de minimizar a quantidade de veículos utilizados para a entrega dos itens. Foi feito a implementação do algoritmo Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) aplicado ao CVRP e 3L-CVRP. Para o CVRP, as soluções encontradas foram comparadas às da literatura. O algoritmo alcançou resultados satisfatórios, se aproximando do estado da arte, e em algumas instâncias, superando as soluções obtidas. Para o 3L-CVRP, os resultados alcançados exploraram novas soluções para o problema em comparação com a literatura.
ADDIC – Algoritmo distribuído para a descoberta de comunidades sobrepostas em grandes grafos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2019-09-26) Nascimento, João Paulo Barbosa; Pereira, Adriano César Machado; http://lattes.cnpq.br/6813736989856243; http://lattes.cnpq.br/8472333663591219; Pereira, Adriano César Machado; Freitas, Henrique Cota de; Martins, Carlos Augusto Paiva da Silva; Almeida, Paulo Eduardo Maciel de; Pádua, Flávio Luis Cardeal
Redes complexas são sistemas grandes e dinâmicos que podem ser modelados por grafos. Muitos sistemas sociais, biológicos ou tecnológicos são considerados redes complexas, dentre eles a Internet e a Web, as redes sociais reais ou virtuais e as redes de infraestrutura física, tais como redes de transporte e de comunicação. A análise destas redes, na forma de grandes grafos, provê informações importantes acerca das características dos sistemas modelados. No entanto, o processamento sequencial destes grafos pode requerer alto custo computacional ou mesmo ser inviável, dependendo de seu tamanho e complexidade. Para solucionar esse problema recorre-se ao processamento paralelo e distribuído. Este trabalho propõe o algoritmo paralelo e distribuído ADDIC, indicado para o processo de detecção de comunidades sobrepostas em uma rede complexa de grande porte. O algoritmo foi projetado a partir de um importante algoritmo da literatura denominado DEMON e também por meio de um estudo criterioso do framework de programação paralela e distribuída Apache Spark, aliado a um planejamento detalhado de experimentos. Os experimentos foram executados em vários tipos de grafos de diferentes tamanhos, reais e sintéticos. O tempo de execução, consumo de recursos (CPU e Memória RAM) e medidas de escalabilidade e eficiência do algoritmo foi avaliado. Os resultados dos experimentos indicam que o ADDIC alcança seu objetivo, que é detectar comunidades sobrepostas, além de apresentar resultados de tempo de execução melhores que o principal algoritmo sequencial da literatura. Além disso, o algoritmo proposto apresenta escalabilidade próxima à linearidade e boas taxas de eficiência.
Adsorção de CO2 em fosfato de cálcio experimento e modelagem computacional
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2019-05-17) Galvão, Breno Rodrigues Lamaghere; Galvão, Breno Rodrigues Lamaghere; Silva, Sidney Nicodemos da; http://lattes.cnpq.br/7962146839706796; http://lattes.cnpq.br/7962146839706796; Galvão, Breno Rodrigues Lamaghere; Silva, Sidney Nicodemos da; Faria, Allbens Atman Picardi; Braga, João Pedro; Belchior, Jadson Cláudio; Lima, Leonardo dos Santos
As propriedades físico-químicas dos fosfatos de cálcio vêm sendo estudadas recentemente. Numa tentativa de explicar os fenômenos físicos da adsorção de CO2 a nível atômico, são feitas neste trabalho, correlações entre a mitigação de gases de efeito estufa (dados experimentais) com as implicações de caráter superficial dos materiais particulados (modelos teóricos baseados na mecânica quântica). Este trabalho teve como proposta a modelagem das características adsortivas do fosfato de cálcio para mitigação de dióxido de carbono (CO2). Ensaios preliminares de adsorção foram realizados com CO2 em níveis compatíveis aos encontrados em chaminés das indústrias siderúrgicas, usinas termoelétricas e de outras fontes a carvão ou gás natural. As propriedades físico-químicas do fosfato de cálcio utilizado no estudo do processo de adsorção do CO2 estão especialmente relacionadas com aspectos da composição química, estrutura cristalina, área superficial e distribuições de tamanhos de partículas ou poros. O objetivo desta pesquisa foi modelar a adsorção da molécula de CO2 nas superfícies de fosfatos de cálcio, através da determinação das energias de ligação que promovem os fenômenos adsortivos de CO2 nos sítios de menor energia. Para calcular as energias utilizadas no processo foi aplicado o programa SIESTA (“Spanish Initiative for Electronic Simulation with Thousands of Atoms”), para dessa forma, quantificar a saturação do material adsorvente a partir da tecnologia de captura do CO2. Os cálculos realizados possibilitaram um entendimento de como as ligações químicas entre o adsorvente e o adsorvato (CO2) ocorrem na interface deste sistema bem como os envolvimentos energéticos a nível quântico. Para o estudo computacional utilizou-se a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e a Teoria do Pseudopotencial. Para avaliação dos resultados obtidos foi utilizado o programa SIESTA, que resolve equações de Kohn-Sham e implementa numericamente a DFT. O funcional que melhor se adequou aos dados experimentais da Hidroxiapatita (HAp) foi o vdW-DF/BH.
Algoritmo GVNS aplicado ao problema das p-medianas capacitado abordagens determinística e robusta
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-12-20) Vasconcelos, Anderson Moreira; Souza, Marcone Jamilson Freitas; Souza, Sérgio Ricardo de; Sá, Elisângela Martins de; http://lattes.cnpq.br/4686246805500174; http://lattes.cnpq.br/6078945717558464; http://lattes.cnpq.br/6195947972246267; Souza, Marcone Jamilson Freitas; Souza, Sérgio Ricardo de; Sá, Elisângela Martins de; Silva, Maria Amélia Lopes; Haddad, Matheus Nohra; Wanner, Elizabeth Fialho; Menezes, Gustavo Campos
O Problema das p-Medianas Capacitado (PPMC) consiste em localizar p instalações em uma rede composta por n vértices e decidir qual mediana atenderá cada vértice, a fim de minimizar a soma das distâncias dos vértices à mediana a qual ele foi alocado e atender às restrições de capacidade de cada mediana. Considerando que as demandas dos clientes são incertas, é proposta a aplicação de uma abordagem de otimização robusta para lidar com a incerteza nestes parâmetros dando origem ao problema das p-Medianas Robusto Capacitado (PPMRC). Esta tese propõe algoritmos para resolução do PPMC e o PPMRC. Para resolver o PPMC, foram propostas quatro variantes da metaheurística General Variable Neighborhood Search (GVNS), que se diferem no método usado para construir uma solução inicial e nos métodos usados para realizar a busca local. Nas duas primeiras variantes, denominadas G-VND e G-RVND, a solução inicial é gerada de forma aleatória e os métodos de busca local são o Variable Neighborhood Descent (VND) e o Random Variable Neighborhood Descent (RVND), respectivamente. Nas duas últimas variantes, denominadas GG-VND e GG-RVND, a solução inicial é gerada através da fase de construção da metaheurística Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e os métodos de busca local são o VND e o RVND, respectivamente. Os resultados de experimentos computacionais usando instâncias da literatura mostraram que o algoritmo GG-RVND apresentou melhor desempenho que os outros três algoritmos. Além disso, os resultados obtidos pelo algoritmo GG-RVND foram melhores do que aqueles da literatura, tanto em termos da qualidade das soluções geradas quanto em relação ao tempo de execução. Para o PPMRC, foi proposto um algoritmo baseado na metaheurística GVNS, com a solução inicial gerada através da fase construtiva do método GRASP e uma busca local realizada via VND. Os experimentos computacionais comparam os resultados do GVNS e as soluções do solver CPLEX. Para realizar esses experimentos computacionais, foram utilizadas instâncias da literatura, variando de 318 nós e cinco medianas a 4461 nós e 1000 medianas. Este estudo considera diversos cenários, valores variados dos parâmetros de robustez e de incerteza na demanda. Os resultados mostram que o Algoritmo GVNS tem um bom desempenho em encontrar boas soluções e supera o solver CPLEX, encontrando soluções melhores mesmo quando aplicado para resolver o conjunto de dados de menor dimensão.
Algoritmo progressive hedging aplicado ao problema de gestão de ativos e passivos de fundos de pensão
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2021-12-01) Rezende, Eugênio Silva; Sá, Elisângela Martins de; http://lattes.cnpq.br/4686246805500174; http://lattes.cnpq.br/1998620692340609; Sá, Elisângela Martins de; Valle, Cristiano Arbex; Souza, Sérgio Ricardo de
Esta dissertação propõe um algoritmo eficiente para resolver um modelo de programação estocástica de gestão de ativos e passivos de fundos de pensão. Para tanto, foi implementada a versão original do algoritmo Progressive Hedging (PH) e outras três diferentes versões desse algoritmo. Essas três versões incluem algumas das diversas melhorias propostas na literatura. As melhorias incluídas ao algoritmo original foram: agrupamento de cenários, fixação de variáveis, atualização do parâmetro de penalidade e paralelização. Para definir a versão mais eficiente, os algoritmos implementados foram usados para resolver um conjunto de instâncias geradas. Os resultados obtidos permitiram concluir que inclusão de melhorias ao PH original afetaram significativamente o desempenho desse algoritmo. Além disso, a melhor versão implementada e o solver do CPLEX foram aplicados para resolver um conjunto especial de instâncias. Os resultados mostraram que a melhor versão do PH conseguiu resolver instâncias que não puderam ser resolvidas pelo CPLEX.
Algoritmos e modelos matemáticos para o problema da k-partição de números
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2017-02-16) Faria, Alexandre Frias; Souza, Sérgio Ricardo de; Silva, Carlos Alexandre; http://lattes.cnpq.br/8465270749629421; http://lattes.cnpq.br/3677015295211434; http://lattes.cnpq.br/7284035698082266; Souza, Sérgio Ricardo de; Silva, Carlos Alexandre; Coleho, Alessandra Martins; Cardoso, Rodrigo Tomás Nogueira
Esta dissertação de mestrado apresenta uma formulação matemática e algoritmos para a versão de otimização do Problema da k-Partição de Números. Este problema consiste em distribuir os elementos de uma sequência numérica em k subconjuntos disjuntos, de modo que os resultados das somas dos elementos de cada subconjunto fiquem contidos no menor intervalo possível. A formulação matemática proposta é baseada em dois problemas semelhantes da literatura. Elimina-se a multiplicidade de soluções do modelo de programação inteira, reduzindo ao mínimo o número de variáveis. Mostra-se a NP-completude do problema estudado. Estudam-se algoritmos heurísticos, aproximados e exatos da literatura aplicáveis aos problemas relacionados. Aplica-se a meta-heurística ILS (Iterated Local Search) à solução gerada por um algoritmo aproximado. A estratégia utilizada é aplicar método guloso em todas as fases do algoritmo, tanto na inicialização quanto para a escolha de movimentos do ILS. Propõe-se uma melhoria de métodos exatos Branch-and-Bound aplicados ao problema e presentes na literatura . Esta modificação refina os limitantes do método, usando a relaxação do modelo matemático e ILS propostos. Insere-se um critério de busca para que os nós mais promissores tenham prioridade. Os resultados mostram a solução do ILS superando as soluções de heurísticas construtivas listadas na literatura. A qualidade da solução do ILS é certificada por métodos exatos, um da literatura e outro com as melhorias propostas neste trabalho. As modificações do algoritmo exato se mostram eficazes em uma comparação entre a solução alcançada sobre o número de nós explorados nas duas versões.
Algoritmos heurísticos para os problemas de localização-alocação de mamógrafos e roteamento de unidades móveis de mamografia
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-07-11) Assis, Romário dos Santos Lopes de; Souza, Marcone Jamilson F.; Silva, Maria Amélia Lopes; http://lattes.cnpq.br/1584173805850799; http://lattes.cnpq.br/6078945717558464; http://lattes.cnpq.br/0327627715414522; Souza, Marcone Jamilson Freitas; Siqueira, Eduardo Camargo de; Silva, Maria Amélia Lopes; Costa, Tatiana Alves; Sá, Elisângela Martins de; Souza, Sérgio Ricardo de
Esta dissertação tem seu foco no problema de cobertura de exames de mamografia no Sistema Único de Saúde do Brasil. Este problema foi decomposto em dois subproblemas que são resolvidos sequencialmente: o Problema de Localização e Alocação de Mamógrafos fixos (PLAM) e o de Roteirização das Unidades Móveis de Mamografia (MMURP). No primeiro problema, o objetivo é determinar a localização de mamógrafos fixos e as cidades por ele atendidas satisfazendo a um conjunto de restrições, entre as quais a limitação da distância de atendimento. Dado que cidades sem infraestrutura hospitalar para sediar um mamógrafo fixo e distantes de outras com infraestrutura não podem ser atendidas por mamógrafos fixos, então, para cobri-las são utilizadas Unidades Móveis de Mamografia (MMUs). A roteirização das MMUs dá origem ao segundo subproblema. Para resolver o PLAM foram desenvolvidos dois algoritmos de otimização baseados nas meta-heurísticas Iterated Greedy Search (IGS) e General Variable Neighborhood Search (GVNS), nomeados IGS-PLAM e GVNS-PLAM, respectivamente. Esses algoritmos utilizam uma nova representação de solução que permite identificar individualmente cada equipamento instalado em uma cidade. Além disso, eles usam novas estruturas de vizinhança. Para testá-los foram utilizadas instâncias da literatura referente a dados reais de estados brasileiros. Os resultados desses algoritmos foram comparados com aqueles produzidos por um algoritmo da literatura e com os do resolvedor CPLEX. Em seguida, para cada instância, o conjunto de cidades não atendidas integralmente pelos mamógrafos fixos na melhor solução gerada pelos algoritmos propostos é utilizado como instância para a solução do MMURP. Esse segundo subproblema é resolvido por meio de um algoritmo heurístico construtivo que determina o número de MMUs e suas respectivas rotas de forma a atender toda a demanda existente. Esta metodologia foi utilizada para gerar soluções para sete estados da federação brasileira.
Algoritmos híbridos aplicados ao problema de roteamento de veículos com janela de tempo
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2017-08-25) Pinto, Aguinaldo Alves; Souza, Sérgio Ricardo de; http://lattes.cnpq.br/3677015295211434; http://lattes.cnpq.br/7686232310898524; Souza, Sérgio Ricardo de; Silva, Carlos Alexandre; França Filho, Moacir Felizardo de; Moita, Gray Farias
Nesta dissertação é tratado o Problema de Roteamento de Veículos com Janela de Tempo (PRVJT). O objetivo é atender um conjunto de clientes geogra camente distribuídos com um número de veículos limitado. É considerado um único depósito, a partir do qual os veículos partem e retornam após visitar todos os clientes de sua respectiva rota. Há uma janela de tempo associada ao depósito, que indica seu período de funcionamento, além de uma janela de tempo correspondente a cada cliente, que indica o intervalo de tempo para iniciar o atendimento. Todos os veículos possuem a mesma capacidade de carga em uma dada instância e há uma demanda correspondente a cada cliente. Esta dissertação propõe, para a solução de instâncias do PRVJT, uma hibridização das metaheurísticas Iterated Greedy Search (IGS) e Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP), integrada às heurísticas Push-Forward Insertion Heuristic (PFIH) e Variable Neighborhood Descent (VND). Os testes computacionais realizados utilizam as 56 instâncias propostas por Solomon (1987) e comparam com os melhores resultados heurísticos da literatura para esta classe de instâncias do PRVJT.
Algorítmos iterated local search e simulated annealing aplicados ao problema de localização com cobertura parcial
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-07-14) Cardoso, Leonardo Correa; Sá, Elisângela Martins de; Souza, Sérgio Ricardo de; http://lattes.cnpq.br/3677015295211434; http://lattes.cnpq.br/4686246805500174; http://lattes.cnpq.br/7295935169153074; Sá, Elisângela Martins de; Souza, Sérgio Ricardo de; Diana, Rodney Oliveira Marinho; Menezes, Gustavo Campos
O Problema de Localização com Cobertura Parcial consiste em localizar um conjunto de instalações de forma a minimizar o custo total de localização e garantir que uma quantidade predeterminada de demanda de clientes seja coberta por estas instalações. Este trabalho apresenta dois algoritmos para a resolução deste problema, sendo o primeiro baseado na meta-heurística Iterated Local Search e o segundo baseado na meta-heurística Simulated Annealing. Além disso, um conjunto de experimentos computacionais foram realizados e resultados demonstram que boas soluções podem ser encontradas para instâncias moderadamente grandes.
Algoritmos para as versões determinística e robusta do problema de localização de concentradores com maximização do lucro
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-02-27) Oliveira, Fabricio Alves; Sá, Elisângela Martins de; Souza, Sérgio Ricardo de; http://lattes.cnpq.br/3677015295211434; http://lattes.cnpq.br/4686246805500174; http://lattes.cnpq.br/4686246805500174; Elisângela Martins de Sá; Sérgio Ricardo de Souza; Mateus, Geraldo Robson; Morabito Neto, Reinaldo; Souza, Marcone Jamilson Freitas; Menezes, Gustavo Campos
Esta tese estuda o problema de localização de concentradores, com objetivo direcionado para a maximização do lucro. Esse problema consiste em estabelecer a localização de concentradores, o projeto da rede e a alocação dos nós de demanda aos concentradores para maximizar o lucro total da rede. O problema considera que a rede de concentradores é incompleta, nenhuma estrutura topológica específica é requerida e é assumido que os concentradores e arcos entre concentradores possuem capacidade suficiente para lidar com o fluxo de demanda na rede. Este trabalho apresentou novas formulações e investigou suas propriedades. As formulações propostas assumem a estratégia de alocação múltipla; não impõem quaisquer restrições ao número de concentradores ou arcos entre concentradores instalados na rede; não permitem conexões diretas entre nós não concentradores e permitem que a demanda da rede seja parcialmente satisfeita, sendo atendida apenas quando for rentável. Essa última característica e o foco na maximização do lucro diferenciam o problema abordado nesta tese em relação aos problemas clássicos de localização de concentradores, nos quais a demanda completa entre todos os pares de origem e destino é atendida, e, além disso, os problemas são modelados sob o ponto de vista dos custos. Esta tese também investigou as propriedades e realizou uma análise comparativa das formulações propostas com outra da literatura. Para resolver o problema, foram desenvolvidos algoritmos baseados no método de decomposição de Benders, incluindo várias estratégias de aprimoramento. Uma vez que o problema aqui abordado é NP-difícil, também foram propostos dois algoritmos heurísticos baseados em busca local e troca sistemática de estruturas de vizinhança para solucionar instâncias do problema de grande porte. Para analisar a eficiência dos procedimentos de solução propostos, foram realizados extensivos experimentos computacionais com instâncias de referência na área de localização de concentradores. Os resultados desses testes mostraram que os algoritmos propostos possuem um bom desempenho. Em particular, com o método de decomposição de Benders, foram resolvidas até a otimalidade instâncias com até 150 nós. Por outro lado, com os algoritmos heurísticos, foram solucionadas instâncias contendo até 500 nós. Adicionalmente, foi realizada uma análise das estruturas de vizinhança consideradas nos algoritmos heurísticos e uma comparação estatística entre os dois algoritmos. Nesta tese também foi abordado o problema de localização de concentradores com maximização do lucro em que as demandas e os custos de instalação de concentradores e arcos entre concentradores são incertos. Uma formulação robusta, que permite controlar o grau de conservadorismo do modelo por meio de um budget de incerteza, é desenvolvida para este caso. São apresentadas discussões sobre a influência que a incerteza nos dados tem sobre a configuração da rede e sobre o lucro associado a ela. Para resolver o problema robusto, foram propostos um algoritmo exato baseado em decomposição de Benders e outro heurístico baseado na meta-heurística Iterated Local Search, adaptados dos melhores métodos identificados na resolução do problema determinístico. As soluções obtidas com o problema robusto possuem diferenças significativas em relação às soluções do problema determinístico, o que evidencia a importância de se estudar este tipo de problema, principalmente em aplicações reais. A incerteza nos dados pode levar a necessidade de um redesenho da rede de concentradores, o que influencia diretamente o lucro associado a ela.
AMAM framework multiagente para otimização usando metaheurísticas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2019-06-24) Silva, Maria Amélia Lopes; Souza, Sérgio Ricardo de; Souza, Marcone Jamilson Freitas; http://lattes.cnpq.br/3677015295211434; http://lattes.cnpq.br/1584173805850799; Souza, Sérgio Ricardo de; Souza, Marcone Jamilson Freitas; Bazzan, Ana Lúcia Cetertich; Goldbarg, Elizabeth Ferreira Gouvêa; Lacerda, Anísio Mendes; Borges, Henrique Elias
Esta tese apresenta um framework multiagente para otimização usando metaheurísticas, denominado Arquitetura Multiagente para Metaheurísticas (AMAM). O framework AMAM é uma estrutura genérica e flexível, que tem, como principal característica, a facilidade de hibridização de metaheurísticas, a partir da utilização de conceitos relacionados a sistemas multiagentes. Nesta proposta, cada agente atua independentemente no espaço de busca de um problema de otimização combinatória. Os agentes compartilham informações e colaboram entre si através do ambiente. Esta tese tem, como principal contribuição, a consolidação do framework AMAM como uma ferramenta capaz de resolver diferentes problemas de otimização e que permita a fácil hibridização de metaheurísticas. Para tal, propõe a revisão da estrutura do framework AMAM, com a incorporação de novos recursos que permitam dinamizar e aperfeiçoar o processo de solução. A estrutura do framework foi dividida em dimensões, ao se considerar suas diferentes perspectivas. A remoção de estruturas de coordenação explícita e de elementos que intermediavam a comunicação permitiram aumentar a autonomia do agente. A cooperação entre os agentes foi aprimorada, buscando maior diversidade nas soluções disponíveis na estrutura cooperativa, através da definição de novos critérios de inserção de novas soluções. É proposta também a incorporação de capacidades auto-adaptativas nos agentes. O objetivo é permitir que o agente modifique suas ações com base nas experiências obtidas na interação com os outros agentes e com o ambiente, usando conceitos de Aprendizagem de Máquina. Neste sentido, são apresentadas duas propostas de agentes adaptativos baseados no algoritmo Q-Learning e em Autômatos de Aprendizagem. Para melhor introdução e validação do framework AMAM, esta tese utiliza instanciações do framework para dois problemas clássicos de otimização combinatória: Problema de Roteamento de Veículos com Janelas de Tempo (sigla em inglês, VRPTW) e o Problema de Sequenciamento de Máquina Paralela Não Relacionada com Tempos de Configuração Dependentes de Sequência (sigla em inglês, UPMSP-ST). Os experimentos demonstraram a efetiva redução nos custos das soluções com o uso de agentes cooperativos e a escalabilidade da proposta. Os experimentos também confirmaram que a capacidade de aprender atribuída ao agente influencia diretamente a qualidade das soluções, tanto do ponto de vista individual quanto do ponto de vista do trabalho em equipe. Sendo assim, a adaptabilidade dos agentes é confirmada, demonstrando que as técnicas de aprendizado utilizadas conseguem superar a necessidade de conhecimento das características específicas do problema a ser tratado. Os resultados obtidos possibilitaram concluir que o framework aqui apresentado é um passo à frente em relação aos demais frameworks da literatura quanto à adaptação aos aspectos particulares dos problemas tratados.
Análise da correlação entre sentimentos e avaliações de qualidade sobre diálogos entre chatbots e seus usuários
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-11-30) Santos, Diego Ascânio; Menezes, Gustavo Campos; Dalip, Daniel Hasan; http://lattes.cnpq.br/2960751321530666; http://lattes.cnpq.br/6903109160065321; http://lattes.cnpq.br/1740396467946332; Menezes, Gustavo Campos; Dalip, Daniel Hasan; Brandão, Michele Amaral; Dutra, Lívia Maria; Dias, Thiago Magela Rodrigues
Chatbots com boa qualidade correspondem às expectativas de seu funcionamento e assim, aumentam a retenção, engajamento e satisfação de seus usuários. A opinião dos usuários — medida através de questionários — é utilizada para mensurar esta qualidade, mas, possui limitações como métrica de qualidade tais quais: ser sucetível a viéses e avaliações displicententes, bem como, não poder ser aferida em tempo real. Para lidar com estas limitações, existem atributos de qualidade que as mitigam. O sentimento textual é um destes atributos, pois, o sentimento contém informações implícitas que mitigam avaliações displicentes, além de poder ser inferido em tempo real. Destarte, a partir de referências que exploram o sentimento textual como apromixador da qualidade de chatbots são realizados experimentos de correlação entre estas duas variáveis sobre o corpo de diálogos (entre humanos e chatbots) ConvAI, mencionado por uma das referências — cuja correlação entre sentimento e qualidade dos diálogos não foi abordada — atestando por fim que existe uma correlação entre sentimento textual e a qualidade dos chatbots do ConvAI: 휌-spearman = 0,3221, valor-p << 0,001. Outros resultados incluem: uma ferramenta de rotulação construída para realizar reclassificação de qualidade e anotação de sentimentos dos diálogos, bem como, o reforço da prática de reclassificação de diálogos por meio de comitês, prática presente na literatura.
Análise de fatores que impactam no futebol baseada em ciência de dados
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-02-27) Capanema, Daniel de Oliveira; Pereira, Adriano César Machado; http://lattes.cnpq.br/6813736989856243; http://lattes.cnpq.br/0779594261363903; Alves, Adriano César Machado; Alves, Adriano Lima; Claudino, João Gustavo de Oliveira; Santiago, Paulo Roberto Pereira; Wanner, Elizabeth Fialho; Pádua, Flávio Luis Cardeal
Esportes profissionais e de alto desempenho estão cada vez mais utilizando novas tecnologias para obter melhores resultados em treinamentos e competições. Estudos para prevenir lesões e melhorar o desempenho têm sido aplicados e bons resultados já foram alcançados. Para atingir os objetivos, técnicas de inteligência artificial são aplicadas aos dados para encontrar padrões, prever tendências, melhorar resultados, táticas, equipamentos e outros. Este trabalho analisa dados reais de clubes da primeira divisão do futebol brasileiro, aplicando métodos de inteligência artificial para classificar jogadores, encontrar padrões, variáveis ou características que influenciam nos resultados, definindo características que influenciam na ocorrência de lesões e no desempenho dos atletas. Jogadores foram classificados e comparações foram feitas em grupos que possuíam ou não jogadores lesionados. Também foram realizadas análises comparativas em grupos de jogadores com melhores e piores médias de eficiência física, mostrando que jogadores com melhores médias tendem a apresentar características de treino mais parecidas com as do jogo, enquanto jogadores com piores médias apresentam números no treinamento inferiores aos dos jogos. Também foram estudadas as principais características que influenciam nos resultados dos jogos, sendo uma delas a diferença de performance entre o primeiro e o segundo tempo, considerando variáveis relacionadas à distância. O classificador XGBoost conseguiu bons resultados ao prever esta diferença de performance, além de apresentar como e quais variáveis influenciam nesta diferença. O trabalho também apresenta revisões sistemáticas de inteligência artificial em esportes em equipes e individuais, trazendo informações relevantes e métricas sobre o assunto.
Análise de integração da classificação de tendências financeiras e otimização de portfólios
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-11-24) Ferreira, Fernando Garcia Diniz Campos; Cardoso, Rodrigo Tomás Nogueira; http://lattes.cnpq.br/5174842920583671; http://lattes.cnpq.br/4126688051850017; Cardoso, Rodrigo Tomás Nogueira; Guimarães, Frederico Gadelha; Paiva, Felipe Dias; Magalhães, Arthur Rodrigo Bosco de; Pereira, Adriano César Machado
A área de Finanças Computacionais é marcada por profundas mudanças nas últimas décadas provenientes do surgimento de um rápido desenvolvimento tecnológico que permitiu a incorporação de técnicas computacionais complexas para modelagem e predição dos movimentos dos preços no Mercado Financeiro. Neste cenário, este trabalho propõe um arcabouço computacional composto por diferentes modelos e técnicas de otimização de portfólios financeiros e de classificação de tendências de ativos financeiros, além de proporcionar diferentes formas de integração das duas abordagens. Assim, o arcabouço é composto por quatro modelos propostos para otimização de portfólio e um método para a solução de cada um desses modelos, além de doze algoritmos de classificação utilizando conjuntos de atributos também propostos no trabalho e, por fim, três formas de integração dos métodos de otimização e classificação são considerados. Para os métodos de otimização de portfólio, métodos exatos apresentam melhores soluções, apesar de apresentarem tempos de execução muito maiores que meta-heurísticas. Para a classificação de tendências, os resultados indicam que o Convolutional Neural Network (CNN) foi é o algoritmo que apresenta o melhor desempenho, no geral, considerando os classificadores utilizados. Simulações de investimentos mostram que negociações a uma frequência maior geram custos de transação maiores, podendo inviabilizar a utilização da metodologia proposta. Combinações de otimização de portfólios e classificações financeiras podem aproveitar as vantagens de ambas as abordagens, como mostrado pelos resultados que apresentam maiores retornos acumulados para métodos combinados. Finalmente, pode-se observar que os melhores métodos de otimização e classificação dependem muito da estratégia de operação adotada e das preferências do investidor, justificando o desenvolvimento deste arcabouço computacional proposto, composto por vários métodos.
Análise de sentimentos multimodal aplicada à computação de níveis de tensão em vídeos de notícias
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2018-04-23) Pereira, Moisés Henrique Ramos; Pádua, Flávio Luis Cardeal; Silva, Giani David; http://lattes.cnpq.br/8863282319980625; http://lattes.cnpq.br/6545115051079964; http://lattes.cnpq.br/5471286139284637; Pádua, Flávio Luis Cardeal; Silva, Giani David; Souza, Fabrício Benevenuto de; Bax, Marcelo Peixoto; Lacerda, Anísio Mendes; Pereira, Adriano César Machado
Esta tese aborda o desenvolvimento de uma nova abordagem para estimar os níveis de tensão em vídeos de notícias por meio de técnicas de análise de sentimentos multimodal. As mídias de notícias constituem um tipo específico de discurso e se tornaram uma parte central da vida moderna de milhões de pessoas. Neste contexto, é muito importante estudar e entender como a indústria de notícias funciona e como ela afeta o cotidiano da sociedade. Para isso, especialmente sob a perspectiva da análise do discurso, a abordagem proposta calcula níveis de tensão como pontuações de sentimento (polaridades) ao longo da narrativa das notícias, revelando os diferentes padrões de comunicação utilizados. A fim de atingir esse objetivo, combinou-se pistas visuais e de áudio extraídas dos participantes das notícias, tais como repórteres, âncoras, entrevistados, dentre outros, usando métodos para: (1) reconhecimento de emoção a partir das expressões faciais, (2) estimativa do plano fílmico e (3) extração de recursos de áudio (p. ex., características de croma, coeficientes mel-cepstrais no domínio da frequência e características espectrais), bem como sentenças textuais obtidas a partir da (4) análise de sentimento das transcrições de fala da narrativa das notícias. Os resultados experimentais com um conjunto de dados contendo 960 vídeos de notícias rotuladas para telejornais brasileiros e americanos mostram que a abordagem proposta atinge uma precisão global de 64,17% na tarefa de classificação de níveis de tensão. Ao ser comparado também com um baseline, o método proposto alcançou uma precisão próxima de um método supervisionado, mas sem a necessidade de um treinamento rotulado. Esses resultados demonstram o alto potencial da abordagem proposta para ser usada por analistas de mídia em várias aplicações, especialmente no domínio jornalístico.
Análise e síntese de regras de adaptação em estratégias evolutivas usando funções de Lyapunov estocásticas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2019-02-28) Corrêa, Cláudia Raquel Martins; Wanner, Elizabeth Fialho; Fonseca, Carlos Manuel Mira da; http://lattes.cnpq.br/0398907021926383; http://lattes.cnpq.br/2243256075052322; http://lattes.cnpq.br/0859784566522265; Wanner, Elizabeth Fialho; Fonseca, Carlos Manoel Mira da; Peres, Pedro Luis Dias; Takahashi, Ricardo Hirsohi Caldeira; Souza, Sérgio Ricardo de; Cardoso, Rodrigo Tomás Nogueira
As Estratégias Evolutivas (EEs) constituem uma classe particular de Algoritmos Evolutivos (AEs). As pesquisas que tratam da análise de estratégias evolutivas têm sido focadas nas aplicações destes algoritmos, usados para resolver problemas das mais diversas áreas, principalmente em espaços de busca contínuos, mas também em espaços discretos. As investigações das EEs também demonstram que estes algoritmos, ainda suscetíveis a diversas pesquisas, são eficientes e populares. Uma análise contendo provas rigorosas de convergência de EEs é uma tarefa difícil devido à estocasticidade destes algoritmos, apesar desta aleatoriedade permitir sua análise sob uma perspectiva matemática. Neste trabalho são propostas Estratégias Evolutivas com um único progenitor e λ descendentes (1 +, λ)-EE. Na primeira delas, o tamanho do passo do algoritmo é modificado de acordo com uma regra de adaptação simples baseada em sucesso, denominada Regra 1. Uma extensão desta regra de adaptação do tamanho do passo, denominada Regra 2, também é proposta. Nesta estratégia o tamanho do passo é adaptado de acordo com o número de descendentes bem sucedidos. Além destas, a generalização a qualquer número de descendentes e qualquer limiar, de uma EE com controle de mutação baseado no tamanho do passo, também é explorada e nomeada Regra 3. Finalmente é formulada uma EE com regra de adaptação do tamanho do passo baseada na combinação da Regra 1 com a Regra 3. A análise teórica destes algoritmos evolutivos concentra-se na investigação sobre sua convergência, quando aplicados em problemas de otimização em espaços de busca contínuos em uma classe de funções estritamente unimodais de uma variável. O estudo sobre a convergência das EEs segue uma abordagem usando funções de Lyapunov estocásticas, no contexto da teoria de martingais. Expressões gerais para as esperanças condicionais dos próximos valores do tamanho do passo e para a distância para o ótimo são analiticamente derivadas para todas as Estratégias, e uma função de Lyapunov apropriada é construída. Os limites superiores da taxa de convergência, bem como os valores dos parâmetros de adaptação, são obtidos através da otimização numérica para valores crescentes de λ, permitindo também uma seleção informada desse parâmetro. Os resultados experimentais contribuem para uma análise dos limites de convergência teóricos obtidos e fornecem uma visão adicional sobre os pontos fortes e fracos da metodologia adotada.
Análise multiplex da rede brasileira de transporte aéreo
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-03-20) Oliveira, Izabela Marques de; Faria, Allbens Atman Picardi; Carpi, Laura Corina; http://lattes.cnpq.br/2779640920944038; http://lattes.cnpq.br/4216801992845696; http://lattes.cnpq.br/0119061678782077; Faria, Allbens Atman Picardi; Carpi, Laura Corina; Jesus, Tiago Alves Schlieber; Gonçalves, Bruna Amin; Scarpelli, Antônio Paulo Baeta; Magalhães, Arthur Rodrigo Bosco de
O transporte aéreo continua sendo a melhor opção para conectar regiões distantes e apoiar o desenvolvimento social e econômico mundial, apesar dos desafios ambientais. O Brasil depende fortemente dessa modalidade de transporte devido às suas dimensões continentais. Neste trabalho realizamos um estudo utilizando a abordagem multiplex de redes complexas para analisar a rede brasileira de transporte aéreo de passageiros, BATMN. Nesse contexto, criamos o Índice de Eficiência Multiplex (MEI) e suas versões para redes direcionadas e/ou ponderadas, que permitem quantificar o nível de heterogeneidade de conexões de uma rede multiplex em uma escala de 0 a 1, considerando características de direção e grau de importância das arestas, sendo apropriados para pesquisas em redes de transporte. Utilizamos o MEI para avaliar a diversificação de rotas das empresas de transporte aéreo no Brasil entre 2010 e 2021, um período marcado pela ocorrência de grandes eventos no país. Analisamos a influência de alguns desses eventos sobre a eficiência da rede, como a Copa do Mundo FIFA em 2014 e as Olimpíadas do Rio em 2016, assim como de outras mudanças no setor, incluindo a fusão entre companhias aéreas, a privatização de aeroportos, o encerramento de operações de uma importante transportadora aérea e da pandemia de COVID-19. Além disso, investigamos se a diversificação de rotas afetou os preços das passagens aéreas praticados no Brasil. Adicionalmente, por meio de uma metodologia recém-introduzida na literatura, examinamos a capacidade de difusão da rede e observamos o ganho relativo ocorrido em relação à difusão do sistema de transporte aéreo quando são consideradas as conexões de voos entre diferentes companhias aéreas, delineando um cenário de possíveis parcerias entre as empresas aéreas. As avaliações realizadas neste trabalho fornecem novas e significativas informações sobre a rede de transporte aéreo de passageiros no Brasil, contribuindo para otimizar a oferta desse tipo de transporte no país e, consequentemente, reduzir os custos envolvidos. Além disso, a metodologia proposta permite não somente uma análise diferenciada das redes de transporte aéreo, mas também a quantificação da eficiência de redes multiplex em geral.
Anonimização de dados: um comparativo de algoritmos de privacidade baseados no modelo K-Anonymity
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-02-27) Figueiredo, Diogo Souza de; Rodrigues, Thiago de Souza; http://lattes.cnpq.br/4182923743939851; http://lattes.cnpq.br/9220227208158608; Rodrigues, Thiago de Souza; Dias, Sandro Renato; Menezes, Gustavo Campos
Em quase todas as atividades diárias, a internet está sempre presente. Muitas dessas atividades, requerem o compartilhamento de dados pessoais (por exemplo, endereço, telefone, idade, localidade, dentre outros) e dados considerados sensíveis (por exemplo, diagnóstico médico, conta de banco, número de documentos, dentre outros), gerando uma preocupação quanto a privacidade dessas informações perante a sociedade. Compartilhar informações exige a utilização de ferramentas de proteção de dados, de forma que as informações desses dados não possam ser utilizadas para identificar um indivíduo. Para atender as Leis e regulamentações aplicáveis, bem como, as políticas de proteção de dados informadas, surgiu um mecanismo de proteção de dados chamado anonimização de dados. Esse mecanismo consiste basicamente em remover os identificadores e ocultar dados sensíveis impossibilitando sua re-identificação. À medida que grandes quantidades de dados de indivíduos são disseminadas, novos desafios aparecem para a proteção de sua privacidade. Vários algoritmos de anonimização foram propostos, tornando-se a publicação de dados de preservação de privacidade em uma área de pesquisa bem abrangente. No entanto, é difícil identificar e selecionar o algoritmo mais adequado, devido ao grande número de algoritmos disponíveis e informações limitadas sobre seus desempenhos. Neste trabalho, são apresentados três algoritmos de anonimização chamados DataFly, Incognito e Mondrian. Será abordado suas eficiências no processamento dos dados, suas eficácias na quantidade de dados utilizados empregando um conjunto amplo de diferentes parâmetros, métricas e conjuntos de dados. Para orientar na seleção de um algoritmo, uma bateria de experimentos será realizada entre eles para identificar quais fatores podem influenciar no desempenho, apresentando as condições em que cada algoritmo supera uns aos outros em determinados requisitos de privacidade bem como suas vantagens e desvantagens.

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