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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O concreto feito com agregados leves, ou concreto leve estrutural, é considerado um material de construção versátil, bastante usado em todo o mundo, em diversas áreas da construção civil, tais como, edificações pré-fabricadas, plataformas marítimas, pontes, entre outros. Porém, a modelagem das propriedades mecânicas deste tipo de concreto, tais como o módulo de elasticidade e a resistência a compressão, é complexa devido, principalmente, à heterogeneidade intrínseca aos componentes do material. Um modelo de predição das propriedades mecânicas do concreto de agregado leve pode ajudar a diminuir o tempo e o custo de projetos ao prover dados essenciais para os cálculos estruturais. Para esse fim, este trabalho visa desenvolver uma estratégia computacional para a avaliação de propriedades mecânicas do concreto de agregado leve, por meio da combinação da modelagem computacional do concreto via MEF (Método de Elementos Finitos), do método de inteligência computacional via SVR (Máquina de vetores suporte com regressão, do inglês Support Vector Regression) e via RNA (Redes Neurais Artificiais). Além disso, com base na abordagem de workflow científico e many-task computing, uma ferramenta computacional foi desenvolvida com o propósito de facilitar e automatizar a execução dos experimentos científicos numéricos de predição das propriedades mecânicas. Concrete made from lightweight aggregates, or lightweight structural concrete, is considered a versatile construction material, widely used throughout the world, in many areas of civil construction, such as prefabricated buildings, offshore platforms, bridges, among others. However, the modeling of the mechanical properties of this type of concrete, such as the modulus of elasticity and the compressive strength, is complex due mainly to the intrinsic heterogeneity of the components of the material. A predictive model of the mechanical properties of lightweight aggregate concrete can help reduce project time and cost by providing essential data for structural calculations. To this end, this work aims to develop a computational strategy for the evaluation of mechanical properties of lightweight concrete by combining the concrete computational modeling via Finite Element Method, the computational intelligence method via Support Vector Regression, and via Artificial Neural Networks. In addition, based on the approachs scientific workflow and many-task computing, a computational tool will be developed with the purpose of facilitating and automating the execution of the numerical scientific experiments of prediction of the mechanical properties.

O MHOLline é um workflow científico voltado para a modelagem e análise de proteínas, atendendo a pesquisadores de diversas áreas, como Bioinformática, Biofísica, Químicos Computacionais e Biólogos Computacionais. Este projeto, iniciado em 2004 como um software de uso local, tornou-se um serviço web em 2010, através da parceria da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) com o Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), o qual pode ser acessado pelo endereço web http : //www.mholline . lncc . br. Em 2013, uma parceria com a Universidade Federal de Juiz de Fora deu início ao projeto do MHOLline 2.0, disponível no endereço web http : //www.mholline2 . lncc .br, que conta com adições de softwares, uma interface completamente nova e uma área de refinamento de resultados para usuários logados. A área do refinamento de resultados oferece a possibilidade aos usuários de adicionar ou trocar o molde da proteína modelada, criar restrições de estrutura secundária no Modeller, clivar regiões de peptídeo sinal e otimizar loops no Modeller, tudo de forma automática, dispensando a necessidade do usuário gerar qualquer script manualmente. Caso o usuário deseje é possível refinar a proteína automaticamente, através do uso de ferramentas de inteligência artificial para classificar os resultados gerados com as opções de restrição modeladas, em grupos, visando reduzir o trabalho de analisar os resultados finais do refinamento. Neste trabalho, apresentamos também uma nova proposta para agrupamento de modelos de proteínas baseado em um conjunto de atributos relacionados com a sua qualidade (e.g. energia e estrutural). Ao usuário, além dos grupos de estruturas com qualidades similares, também é retornada a estrutura representativa de cada grupo, com o objetivo de auxiliar na tomada de decisão de qual ou quais modelos seguirão para os próximos estudos. MHOLline is a scientific workflow designed to model and analyze proteins, reaching researchers in domains of Bioinformatics, Biophysics, Computational Chemists and Computational Biologists. This project started in 2004 as a local software and became a web service in 2010 (available at http : //www .mholline . lncc . br), through the partnership between the Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) and Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC). In 2013, a new partnership with Universidade Federal de Juiz de Fora started the development of MHOLline 2.0, now available at http : //www .mholline2 . lncc . br. This version presents a new interface and a refinement ama to logged users, offering the possibility to add or modify the template of the protein, remove signal peptides and restrict secondary structures and optimize protein loops on Modeller. All can be done in an automatic way, dispensing the user to manually generate any script. The user can also refine the protein automatically trough the use of artificial intelligence tools classifying the generated results with a set of restrictions in groups, aiming to reduce the effort to analyze the final refinement results. In this work, we also present a new proposal for clustering protein models based on a set of attributes related to their quality (i.e., energy and structural quality). To the user, in addition to the groups of structures with similar qualities, is also returned the representative structure of each group, in order to assist in the decision making of which model or models will follow for the future studies.

A biologia sistêmica é uma das áreas emergentes mais poderosas no terceiro milênio por combinar de forma interdisciplinar conhecimentos e ferramentas da biologia, ciência da computação, medicina, química e engenharia. Entretanto, o contínuo desenvolvimento de experimentoscomputacionaiséacompanhadoporproblemascomoaintegraçãomanualde ferramentas para simulação e análise; a perda de modelos pela obsolescência de software; e a dificuldade para reprodução dos experimentos devido à falta de detalhes do ambiente de execução utilizado. A maioria dos modelos quantitativos publicados em biologia são perdidos porque eles, ou não estão mais disponíveis, ou porque são insuficientemente caracterizados para permitir sua reprodução. Este trabalho propõe uma abordagem para guiaroregistrodeexperimentosin silico comfoconasuareprodução.Aabordagemprevê a criação de uma série de anotações durante um trabalho em modelagem computacional, amparado por um ambiente de software, onde o pesquisador realiza as etapas de integração de ferramentas, descrição de processos e execução de experimentos. O objetivo é capturaroprocessodemodelagemdeformanãoinvasivaparaaumentaratrocadeconhecimento, permitir repetição e validação dos resultados e diminuir o retrabalho em grupos depesquisainterdisciplinares.Umambientecomputacionalprotótipofoiconstruídoedois fluxos de trabalho de ferramentas diferentes foram integradas como estudos de caso. O primeiro usa modelos da eletrofisiologia cardíaca para se construir novas aplicações sobre o ambiente. O segundo apresenta um novo uso para os metamodelos de dinâmica de sistemas para simular a resposta do sistema imune inato em uma seção planar de tecido. Foi observada a completa captura dos workflow de simulação e tratamento dos dados de saída nos dois experimentos de controle. O ambiente permitiu a reprodução e adaptação dos experimentos em três níveis diferentes: a criação de novos experimentos utilizando a mesma estrutura do original; a definição de novos aplicativos que utilizam variações da estrutura do experimento original; reaproveitamento do fluxo de trabalho para alterações nos modelos e condições originais. Systems Biology is one of the most powerful emerging areas in the third millennium that combines, in an interdisciplinary way, knowledge and tools of Biology, Computer Science, Medicine, Chemistry and Engineering. However, the continued development of computational experiments is accompanied by problems such as manual integration of tools to simulation and analysis; loss of models due software obsolescence; and the difficulty to reproduce the experiments due to lack of details of the execution environment used. Most quantitative models published in Biology are lost because they, or are no longer available or are insufficiently characterized for reproduction. This work proposes an approach to guide the registration of in silico experiments focused on its reproduction. The approach involvesthecreationofaseriesofannotationsduringcomputationalmodeling,supported by a software environment where the researcher conducts the tool integration steps, process description and execution of experiments. The goal is to noninvasively capture the modelingprocesstoincreasetheexchangeofknowledge,allowrepetitionandvalidationof the results and reduce rework in interdisciplinary research groups. A prototype was built and two different workflows have been integrated as case studies. The first uses models and tools of cardiac electrophysiology to build new applications on the environment. The secondpresentsanewuseforthesystemdynamicsmetamodelingtosimulatetheresponse of the innate immune system in a planar section of tissue. The complete capture of workflow, consisting of simulation and processing of output data, in two control experiments, was observed. The environment allowed the reproduction and adaptation of experiments at three different levels: the creation of new experiments using the same structure as the original one; the definition of new applications that use variations of the structure of the original experiment; the reuse of workflow to change models and original condition.

FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Considerando o sucesso dos dispositivos móveis e a evolução de suas tecnologias, o estudo de Odontocetos em tempo real é uma possibilidade emergente. Apesar desta evolução, a análise de grandes volumes de dados por algoritmos complexos requer considerável esforço computacional. A coleta de dados de Odontocetos é executada em ambiente marinho com recursos limitados, o que reduz o potencial de pesquisa. Sendo assim, a escolha dos algoritmos para a criação de um Fluxo de Trabalho deve manter um balanço entre a eficiência computacional e a eficácia de detecção. Esta tese tem como objetivo propor um modelo de Fluxo de Trabalho eficiente para o Monitoramento Acústico Passivo. Para tal, um Fluxo de Trabalho de referência comumente utilizado em campo por pesquisadores foi utilizado como base, sendo inserido uma nova etapa de pré-processamento das informações capturadas. A etapa de detecção, foco deste trabalho devido sua aplicabilidade e notável impacto nas próximas etapas, é responsável por analisar os sinais acústicos recebidos, filtrando boa parte dos dados. A próxima etapa trata da condensação dos dados de forma a facilitar a transferência destes para localidades remotas. Em sequência tem-se a etapa de identificação das informações recebidas a partir da etapa anterior. Por fim, a última etapa baseia-se em componentes de software para o estudo das informações relevantes adquiridas. A aplicação da etapa de detecção no Fluxo de Trabalho de referência apresentou um desempenho satisfatório acarretando em uma redução de 96,52% do volume total de dados a serem armazenados e processados, facilitando que informações relevantes da captura sejam identificadas e distribuídas online para estações de pesquisa remotas. Considering the success of mobile devices and the evolution of its technologies, the study of Odontoceti in real time is an emerging possibility. Despite the evolution, analysis of big data chunks by complex algorithms requires considerable computing effort. Data collection of Odontoceti is execute in marine environment with limited resources, thus reducing research potential. Therefore, choosing the right algorithm to create the Workflow should maintaining a balance between computational efficiency and detection accuracy. The goal of this thesis is to propose an efficient Workflow for Passive Acoustic Monitoring. For such, a common Workflow used in the field by researchers was used as base, adding a new step for preprocessing of captured data. The detection step, focus of this thesis due to its applicability and notable impact on the next steps, is responsible to analyse received acoustic signals, filtering a good amount of data. The next step condensates data in a way that facilitates transfer of captured information to remote locations. In sequence there is the step responsible for the identification of received information from the previous step. The last step is based on software components to study relevant information. The appplication of the detection step have shown a satisfactory performance providing a reduction of 96.52 of total data to be processed, making it easy for relevant information to be identified and distributed online to remote research stations.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A evolução dos computadores, mais especificamente no que diz respeito ao aumento de sua capacidade de armazenamento e de processamento de dados, possibilitou a construção de ferramentas computacionais destinadas à simulação de fenômenos físicos e químicos. Com isso, a realização de experimentos práticos vem, em alguns casos, sendo substituída pela utilização de experimentos computacionais, que simulam o comportamento de inúmeros elementos que compõem o experimento original. Neste contexto, podemos destacar os modelos utilizados para a simulação de fenômenos em escala atômica. A construção desses simuladores requer, por parte dos desenvolvedores, um amplo estudo e definição de modelos precisos e confiáveis. Tal complexidade se reflete, muitas vezes, em simuladores complexos, destinados a simulação de um grupo restrito de estruturas, expressos de maneira fixa, utilizando algumas formas geométricas padrões. Este trabalho propõe uma ferramenta computacional para a geração de um conjunto de estruturas cristalinas. Este conjunto é caracterizado pela organização espacial regular dos átomos que a compõe. A ferramenta é composta por a) uma linguagem de programação, que rege a criação das estruturas através da definição de um sistema cristalino e a construção de objetos a partir de funções características e operadores CSG (Construtive Solid Geometry), e b) um compilador/interpretador que analisa um código fonte escrito na linguagem, e gera a partir deste o objeto correspondente. A ferramenta oferece aos desenvolvedores um mecanismo simples que possibilita a geração de um número irrestrito de estruturas. Sua aplicabilidade é demonstrada através da incorporação de uma estrutura, gerada a partir de um código fonte, ao simulador Monte Carlo Spins Engine, criado pelo Grupo de Computação Gráfica da Universidade Federal de Juiz de Fora. The evolution of computers, more specifically regarding the increased storage and data processing capacity, allowed the construction of computational tools for the simulation of physical and chemical phenomena. Thus, practical experiments are being replaced, in some cases, by computational experiments that simulate the behavior of many elements that compose the original one. In this context, we can highlight the models used to simulate phenomena at the atomic scale. The construction of these simulators requires, by developers, the study and definition of accurate and reliable models. This complexity is often reflected in the construction of complex simulators, which simulate a limited group of structures. Such structures are sometimes expressed in a fixed manner using a limited set of geometric shapes. This work proposes a computational tool that aims to generate a set crystal structures. Crystal structures are characterized by a set of atoms arranged in a regular way. The proposed tool consists of a) a programming language, which is used to describe the structures using for this purpose characteristic functions and CSG (Construtive Solid Geometry) operators, and b) a compiler/interpreter that examines the source code written in the proposed language, and generates the objects accordingly. This tool enables the generation of an unrestricted number of structures. Its applicability is demonstrated through the incorporation of a structure, generated from the source code, to the Monte Carlo Spins Engine, a spin simulator developed by the Group of Computer Graphics of the Federal University of Juiz de Fora.

A modelagem da eletrofisiologia cardíaca é uma importante técnica para compreender e reproduzir o fenômeno de propagação de ondas elétricas no coração. Cada onda é chamada de potencial de ação e é responsável pela sincronização dos batimentos cardíacos. Este potencial depende de vários fatores, como a capacitância da membrana celular e concentrações de diferentes íons nos meios intra e extracelulares. Tipicamente, estes componentes podem ser representados por circuitos elétricos, que podem ser descritos por equações diferenciais ordinárias. Entretanto, o processo de geração do potencial de ação é complexo e de natureza não-linear. Para simulá-lo através de experimentos in silico, é necessário descrevê-lo através de dezenas de equações e parâmetros. Além disto, é necessário resolver as equações por meio de métodos numéricos eficientes. Visando auxiliar este processo de modelagem, este trabalho possui dois objetivos: 1) desenvolver uma ferramenta para descrever modelos computacionais que funcione através da Web e permita a edição de arquivos CellML { um padrão XML desenvolvido para descrever modelos celulares; 2) aprimorar os métodos numéricos utilizados pela ferramenta AGOS, que transforma CellML em um arquivo C++ que permite a simulação dos modelos. Diferentes métodos de passo de tempo adaptativo foram implementados e os algoritmos foram paralelizados via OpenMP. Esses métodos e técnicas computacionais foram comparados aos já então amplamente adotados pela área, métodos de Euler e BDF, avaliação parcial e Lookup- Tables, para a simulação de quatro diferentes modelos de células cardíacas. Os resultados mostraram que os métodos adaptativos combinados com as técnicas computacionais podem ser até 100 vezes mais velozes do que o método de Euler. Cardiac electrophysiology modeling is an important technique for studying and simulating the electrical wave propagation on cardiac tissue. The electrical wave initiates and propagates as a pulse that is known as action potential. The action potential is responsible for synchronizing the contraction and relaxation of the cardiac cells during a heartbeat. The cellular components and functions involved in the generation of an action potential are typically described by sets of ordinary differential equations. In-silico experiments of this complex phenomenon involve the description of the mathematical model and its numerical resolution. In this respect, this work targets two different goals. First, we have implemented a Web tool to create and edit cellular components and mathematical equations, based on a XML standard named CellML. The second goal is to improve the numerical resolution of models described in CellML. To this end we implemented different improvements to a previously published tool called AGOS. AGOS translates a CellML file to a C++ code that can be used for the numerical resolution of the model via the Euler or BDF methods. In this work, we have improved the numerical methods of AGOS by implementing and testing two different ways to adapt the time step. In addition, we have implemented a parallel version of the numerical solvers based on OpenMP directives, and added two numerical techniques known as Partial Evaluation and Lookup Tables to AGOS. We compared these computational techniques in terms of execution time, memory consumption and numerical error. Our preliminary results suggest that the adaptive time step methods combined with OpenMP or Lookup Tables and Partial Evaluation can be 100 times faster than the originally implemented Euler Method.

Os resultados de projetos envolvendo desenvolvimento de software são melhores quando o gerente responsável possui uma certa experiência adquirida em projetos anteriores. Porém, é inviável para as instituições de ensino educar seus alunos criando projetos pilotos devido a problemas com a escala de tempo, custos e pessoal necessários. Uma alternativa para estudos de problemas que não podem ser reproduzidos dentro de uma escala viável é a modelagem. Este trabalho desenvolve uma infraestrutura computacional, independente de domínio, que serve como base para construção de aplicações que utilizam técnicas de modelagem e simulação. Esta infraestrutura é utilizada para estudos das causas e efeitos das dinâmicas encontradas em processos de desenvolvimento de software como nosso domínio de aplicação. O principal componente desta infraestrutura é a biblioteca JynaCore API, que implementa duas linguagens baseadas em Dinâmica de Sistemas para descrição dos modelos: os diagramas de estoque e fluxo e os metamodelos de Dinâmica de Sistemas. Como prova de conceito, um protótipo de simulador de uso geral é construído para realizar simulações com um conjunto de modelos encontrados na literatura sobre processos de software. Adicionalmente, apresentamos uma revisão das alternativas que permitem a modelagem de processos desenvolvimento de software em um computador e as bases teóricas para as duas linguagens de modelagem suportadas pela infraestrutura. A abordagem permite a construção de simuladores, modelos e cenários (variações de um modelo mais geral) onde os usuários das ferramentas podem experimentar diversas situações práticas em ambientes simulados. Better results are achieved, in projects involving software development, when the responsible manager has some previous experience in projects. However, it is impossible for educational institutions to educate their students by creating pilot projects for each student, due to problems with the time scale, costs and staff. An alternative way study problems that are difficult to handle in a real scale is doing modeling. This work presents a computational infrastructure we have built, which is general purpose regarding application domain, and developed as a basis to build applications that use modeling and simulation techniques.This infrastructure is used to study the causes and effects of the dynamics found in software development processes, taken as our field of application. The main component of this infrastructure is the library JynaCore API, which implements two languages based on System Dynamics for describing the models: stock and flow diagrams and the System Dynamics Metamodels. As proof of concept, a general purpose prototype simulator is built to perform simulations with a set of models on the software processes literature. Additionally, we present a review of alternatives that allow modeling software development processes on a computer and the theoretical bases for the two modeling languages supported by the infrastructure. The approach allows the construction of simulators, models and scenarios (variations of more general models) where the users of the tool can experiment various practical situations in simulated environments.

Com o aperfeiçoamento dos ensaios vibratórios e o aumento da capacidade de processamento dos computadores, nota-se o crescente desenvolvimento dos algoritmos de avaliação dinâmica, cujo principal objetivo é a determinação das características modais de sistemas dinâmicos deformáveis, em um processo denominado identificação modal. A partir da identificação e análise das características modais, isto é, frequências naturais, taxas de amortecimento e modos de vibração, torna-se possível inferir sobre certas condições físicas de uma estrutura, como por exemplo o grau de integridade, o estado de danos e a margem de segurança. Entretanto, o processo de identificação de sistemas dinâmicos deformáveis às vezes requer um custo computacional elevado. Mas, com a expansão da internet aliado à facilidade de seu acesso com velocidades cada vez maiores, o conceito de aplicação web surge como uma solução a ser empregada. No presente trabalho apresenta-se uma aplicação web implementada em linguagem Java com o objetivo de realizar a identificação modal de sistemas deformáveis a partir do envio, através da internet, de dados obtidos de medições dinâmicas. Para a implementação desta aplicação são utilizadas tecnologias e ferramentas de desenvolvimento web, como o JSP (Java Server Pages) e o JSF (Java Server Faces), além de bibliotecas externas empregadas nos algoritmos de identificação. No que tange ao processo de tratamento dos dados vibracionais dos sistemas deformáveis, são implementados dois métodos para a identificação modal no domínio do tempo: o Método do Decremento Aleatório e o Método de Ibrahim. Finalmente, com o objetivo de avaliar a aplicação desenvolvida e os métodos de identificação implementados, três estudos de casos de estruturas ensaiadas são explorados. The increasing development of algorithms for the determination of the modal characteristics of dynamic systems stems from a continuous improvement of vibration tests and computational processing capabilities. By analyzing these modal parameters, i.e., natural vibration mode shapes and associated frequencies and damping ratios, it is possible to infer that some physical conditions of a structure, such as for example, the degree of integrity, the state of damage and safety margin. However, the identification process of deformable dynamic systems demands sometimes high computational costs. Nevertheless, with the increasing expansion of higher transfer rate broad-band internet the concept of web application becomes a prevailing alternative. This work presents a web application - MIDaS (Modal Identification of Deformable Structural Systems) - implemented in Java language capable to perform the modal identification of deformable systems via internet by using only data obtained through experimental dynamic measurements. Available technologies and web development tools, such as JSP(JavaServer Pages) and JSF(JavaServer Faces) and external libraries for the identification algorithms were used to implement MIDaS. The dynamic treatment of the experimental vibration data is accomplished by means of two time-domain modal identification methods: the Random Decrement Method and the Ibrahim Time Domain Method. Finally, in order to evaluate the developed web application and the implemented identification methods, three cases of dynamically tested structures are explored.