ESTG - Mestrado em Engenharia Eletrotécnica - Energia e Automação
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- Transações entre pares em comunidades de energiaPublication . Sousa, Edgar Florindo Santos; Neves, Luís Miguel PiresA rede elétrica tem também sofrido evoluções na sua organização para acomodar a necessidade de aumentar o aproveitamento das fontes de energia renováveis, nomeadamente através do conceito de microrredes. Nesta nova forma de organização, a troca de energia pode ocorrer diretamente entre vizinhos, desde que alguns sejam prossumidores, que recebem assim um rendimento decorrente da transação. Neste contexto, as microrredes requerem assim uma gestão otimizada, que tendo em conta também a flexibilidade dos diferentes membros da comunidade, permita reduzir a energia a ser adquirida à rede nos períodos mais desvantajoso, minimizando os custos de eletricidade na perspetiva do utilizador final. O objetivo deste trabalho foi estudar a possibilidade de maximizar o potencial de aproveitamento do recurso fotovoltaico através de uma comunidade de energia, tendo-se analisado o aproveitamento energético que é possível atingir com a partilha de recursos entre membros. Os resultados demonstram esta possibilidade, realçando a importância da partilha de energia, permitindo aumentar o aproveitamento dos recursos sem implicar soluções de armazenamento, constituindo assim uma opção de menor custo para uma comunidade.
- DETEÇÃO AUTOMÁTICA DE SITUAÇÕES DE FALHA EM CONDUTAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUAPublication . Patrício, Henrique João Castanho Esteves; Perdigoto, Luís Miguel Ramos; Sousa, João Miguel Charrua deUma percentagem significativa das falhas em sistemas de abastecimento de água são consequência de roturas nas condutas de adução e distribuição. Quando essas falhas ocorrem em sistemas de abastecimento municipais, são afetados apenas os munícipes que são abastecidos pelo ramal em causa. Já numa situação em que tal acontece num sistema que abastece diversos reservatórios municipais, existe o risco de o número de clientes lesados subir exponencialmente. Quando ocorre uma rotura, há que detetá-la o mais rapidamente possível para poder tomar medidas e assim minimizar as perdas de água, que numa conduta de grandes dimensões podem atingir custos consideráveis. O presente trabalho tem como objetivo a exploração de métodos que permitam detetar situações de rotura e alterações de regime em condutas de abastecimento de água nos processos de transporte até aos reservatórios municipais, podendo no futuro ser integrada por exemplo num sistema SCADA (Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados) para informar sobre situações anómalas detetadas. Em particular, são analisadas técnicas de aprendizagem automática supervisionada. Durante o trabalho foram adotados modelos de deteção baseados nos algoritmos Random Forest, XGBoost, Support Vector Machines e Artificial Neural Networks. Estes algoritmos foram aplicados para deteção de situações de rotura e de alterações ao regime normal de funcionamento. Foram utilizados dados de duas condutas reais, sendo uma de abastecimento gravítico e outra de abastecimento elevatório. Verificou-se que os modelos que obtiveram melhores resultados em ambas as situações foram os modelos baseados em Random Forest. Foi também analisada a diminuição de desempenho dos modelos na situação de substituição de componentes hidráulicos e alteração de regime típico de funcionamento dos sistemas de distribuição. Nos casos estudados obtiveram-se melhores resultados para o sistema de abastecimento elevatório, facto justificável pela presença de informações relativas ao local de destino, nomeadamente caudal de entrada e nível do reservatório.
- Robot trajectory generation, simulation and execution for shotcrete automationPublication . Moniz, Gonçalo Carriço; Castro, Hugo Filipe Costelha deShotcrete is a widely used civil and mining engineering method that consists of projecting concrete at high-speed using specialized equipment. Nowadays, the trajectory of the projection nozzle is still controlled by an operator (manually or by teleoperation). Automating this process has the potential to improve shotcrete efficiency, quality, and worker safety. This report details the work done within the RoboShot@FRC project, to automate the generation and execution of trajectories for robot-based application of shotcrete in the reinforcement of railway tunnels. The developed work focused on two main components: one that generates a set of poses based on an input mesh of the surface to be shotcreted (path generation program), and another one that simulates the shotcrete process. Extensive tests were done in a simulated environment, and some tests were also performed in real robots. The path generation and shotcrete simulation programs were used together to optimize the trajectory parameters, in order to maximize the resulting concrete layer homogeneity.
- INDUSTRY 4 . 0 : LEGACY DEVICES INTEGRATION WITH OPC UA AND THE DIGITAL TWINPublication . Cavalcanti, Marcella Barros de Brito; Castro, Hugo Filipe Costelha de; Neves, Carlos Fernando Couceiro de SousaOver the years, the constant evolution of the industry has led to many advancements in factories and manufacturing systems. The terms "Smart Factories" and "Smart Manufacturing Systems" have been used to describe the latest wave of technological innovations that have transformed how factories operate. One of these innovations is the concept of the Digital Twin, which is a realistic virtual copy of a physical object. This technology allows entire manufacturing shop-floors to be digitalized, and physical processes to be tightly intertwined with their cyber counterparts. The development of Digital Twins encompasses several challenges, including model accuracy, security, and the integration of different devices and systems, including interoperability and standardization across them. The goal of this work is to develop key applications to support the implementation of Digital Twins in a Smart Factory environment, by describing an example of the development of an Industry 4.0 enabling application for a legacy device, as well as the design of a Digital Twin for a real industrial system from the ground up. A key result of this work is a successful use case of creating a Digital Twin for a quality control cell in the industry, using RobotStudio as the simulation environment and OPC UA as the communication protocol between the devices in the cell. The developed Digital Twin is capable of simulating the behaviour of the devices in the cell, as well as performing the cell’s control logic. It is also capable of storing historical process data, which could be analyzed and used to perform process optimization. Another relevant result is related to the use of a device’s Digital Twin to support the development of an application, performing tests and validation, while eliminating the need of accessing the real device. It shows that this technology can be used to speed up development and reduce downtime of industrial devices, thus reducing costs and improving the production process.
- SISTEMA DE LOCALIZAÇÃO INTERIOR PARA OPERAÇÕES LOGÍSTICAS COM REALIDADE AUMENTADA EM ARMAZÉNSPublication . Silva, Jaime Miguel Conceição; Castro, Hugo Filipe Costelha de; Neves, Carlos Fernando Couceiro de SousaAo longo dos últimos anos a realidade aumentada (RA) tem sido cada vez mais popularizada a nível mundial, podendo ser utilizada de diversas formas em vários tipos de dispositivos, como tablets, smartphones e óculos de RA. Esta tecnologia permite sobrepor elementos virtuais à nossa visão da realidade. Estes sistemas já têm sido usados com sucesso em vários setores como, por exemplo, na saúde, no entretenimento, na educação e na indústria. Ao nível dos armazéns industriais novas tecnologias têm sido testadas para melhorar o desempenho das operações. A melhoria da eficiência dos armazéns desperta interesse a nível académico e industrial, uma vez que vários estudos realizados indicam que este mercado pode atingir valores financeiramente elevados. A logística de um armazém industrial representa uma parte importante dos custos de um produto que tenha de ser armazenado. Os sistemas com RA utilizados em armazéns pretendem ajudar os operadores a executar as suas tarefas com mais facilidade e rapidez, utilizando a sua localização, reconhecimento de identificadores e sincronização da informação com os demais sistemas da empresa. Este documento contém uma componente desenvolvida no âmbito do projeto ARware-Augmented Reality for intelligent WAREhouse management e tem como base a utilização de sistemas de localização em dispositivos de RA nas operações de armazenamento industrial. Este sistema de localização é baseado na deteção de marcadores, navegação inercial e odometria monocular. Esta solução permite que, em tempo real, seja determinada a posição e orientação de um dispositivo de RA. No desenvolvimento deste sistema foram abordadas vários requisitos funcionais, arquiteturas, equipamento, algoritmo de localização interior (tracking), sensores, integração de dados e, por fim, testes da componente de Localização Fina (LF). Tendo em conta os resultados obtidos, embora tenham sido realizados avanços significativos na área da RA, a usabilidade destes sistemas em aplicações de utilização contínua, com projeção 3D baseada no ambiente em torno do operador, ainda tem que ser melhorada para uma efetiva comercialização e utilização destes sistemas, mas demonstra um potencial elevado perante as indústrias. Apesar desta conclusão, pode afirmar-se que o seu potencial para a indústria pode refletir-se na redução do tempo despendido na procura dos objetos, na redução de erro humano, bem como na facilidade de interligação com os sistemas de gestão.
- Deep Learning applied to Visual Speech RecognitionPublication . Santos, Carlos Manuel Simões dos; Coelho, Paulo Jorge Simões; Cunha, António Manuel Trigueiros da SilvaVisual Speech Recognition (VSR) or Automatic Lip-Reading (ALR), the artificial process used to infer visemes, words, or sentences from video inputs, is an efficient yet far from being a day-to-day tool. With the evolution of deep learning models and the proliferation of databases (DB), vocabularies increase in quality and quantity. Large DB feed end-to-end deep learning (DL) models that extract speech, solely on the visual recognition of the speaker’s lips movements. However, large DB production requires large resources, unavailable to the majority of ALR researchers, impairing a larger scale evolution. This dissertation contributes to the development of ALR by diversifying training data, on which the DL depends upon. This includes producing a new DB, in Portuguese language, capable of state-of-the-art (SOTA) performance. As DL only shows a SOTA performance if trained on a large DB, whose resources are not on the scope of this dissertation, a knowledge leveraging method emerges, as a necessary subsequent objective. A large DB and a SOTA model are selected and used as templates, from which a smaller DB (LusaPt) is created, comprising 100 phrases by 10 speakers, uttering 50 typical Portuguese digits and words, recorded and processed by day-to-day equipment. After having pre-trained on the SOTA DB, the new model is then fine-tuned on the new DB. For LusaPt’s validation, the performance of new and the SOTA’s are compared. Results reveal that, if the same video is recurrently subject to the same model, the same prediction is obtained. Tests also show a clear increase on the word recognition rate (WRR), from the 0% when inferring with the SOTA model with no further training on the new DB, to an over 95% when inferring with the new model. Besides showing a “powerful belief” of the SOTA model in its predictions, this work also validates the new DB and its creation methodology. It reenforces that the transfer learning process is efficient in learning a new language, therefore new words. Another contribution is to demonstrate that, with a day-to-day equipment and limited human resources, it is possible to enrich the DB corpora and, ultimately, to positively impact the performance and future of Automatic Lip-Reading.
- Energia Solar Fotovoltaica: Impacto do Autoconsumo em Instalações ResidenciaisPublication . Silva, João Paulo Pereira da; Marques, Pedro José FrancoA transição energética é essencial para alcançar a neutralidade carbónica por forma a superar o grande desafio do combate às alterações climáticas, promovendo a substituição dos combustíveis fósseis e reduzindo a dependência energética do país. Este percurso tem impulsionado o investimento em novas tecnologias e produtos, inclusivamente para a produção de eletricidade de origem solar fotovoltaica, bem como nas baterias. Portugal beneficia de condições naturais favoráveis para o desenvolvimento e instalação de capacidade de energia solar para a produção de eletricidade. Os apoios financeiros à eficiência energética em edifícios residenciais, incluindo para integração de Energia Solar Fotovoltaica, têm fomentado a expansão e o aproveitamento desta energia renovável. Neste contexto, foi elaborada a presente dissertação com a intenção de avaliar o impacto do Autoconsumo em Instalações Residenciais, a partir da produção de eletricidade com origem na Energia Solar Fotovoltaica, pretendendo torná-las mais sustentáveis e autossuficientes. Para o efeito, é efetuado um estudo com vários cenários simulados aplicado a instalações residenciais, sendo que os cenários variam consoante a potência de produção, dependendo da quantidade de painéis fotovoltaicos, bem como da inclusão ou exclusão de baterias. Inicialmente, foi realizada uma investigação acerca da energia solar fotovoltaica, abordando a história, o princípio de funcionamento, os equipamentos e os diversos sistemas. Realizou-se uma avaliação do local de instalação escolhido, apresentam-se os consumos das instalações abordando os aspetos relevantes, foram dimensionados os sistemas fotovoltaicos, com e sem armazenamento, sendo estes devidamente descritos, comparados e analisados. Por fim, é realizada uma análise técnico-económica dos sistemas fotovoltaicos simulados para as instalações residenciais, nomeadamente em termos de custos com os investimentos a realizar, a energia produzida anualmente, e do impacto que a sua implementação poderia representar nos consumos energéticos, como os seus períodos de retorno do investimento.
- COMPARAÇÃO DE MÉTODOS DE APRENDIZAGEM POR REFORÇO EM PROCESSOS INDUSTRIAIS DISCRETOS SEQUENCIAISPublication . Silva, Tiago Resende da; Bento, Luís Manuel Conde; Perdigoto, Luís Miguel RamosO processo de comissionamento de equipamentos durante a implementação de um novo sistema, ou na reconfiguração de um já existente, é uma etapa em que as empresas gastam dinheiro e tempo antes da entrada em operação. Baseando-se nesse problema, este trabalho analisa a utilização de Gémeos Digitais, que simulem o ambiente fabril, em conjunto com a utilização de técnicas de Aprendizagem por Reforço para permitir que o sistema se reconfigure e se programe de forma automática. Diferentemente das técnicas tradicionais de controlo, a Aprendizagem por Reforço encara o sistema como uma caixa negra, em que a interação entre o agente e o ambiente promove a sintonização dos parâmetros necessários para o funcionamento correto do processo industrial. Isso resulta na economia de dinheiro, na diminuição de tempo de produção e na busca de inúmeras possibilidades de operação até que se encontre a mais eficiente. Acrescenta-se a tudo isso a diminuição do tempo de exposição de pessoas ao processo de implementação inicial e consequente diminuição de acidentes, uma vez que o comissionamento ocorre no ambiente virtual. Dessa forma, este trabalho desenvolve e aplica alguns dos diferentes algoritmos de Deep Reinforcement Learning a um sistema de empacotamente de latas. O principal objetivo é avaliar a viabilidade e o desempenho de utilizar estes tipos de algoritmos na aprendizagem e otimização automática das sequências de controlo em processos industriais de natureza sequencial e discreta. Dada a natureza sequencial dos processos, com necessidade inerente de efeito de memória, foram experimentadas diferentes arquiteturas de redes neuronais, realizando um estudo comparativo sobre a performance das redes neuronais LSTM (Long Short-Term Memory) frente à utilização de buffers de memória de estados anteriores de diferentes tamanhos. Por fim, os modelos com melhores resultados e maior estabilidade foram aplicados aos Gémeos Digitais, mostrando a capacidade que estes tipos de algoritmos de aprendizagem automática têm para ser aplicados no controlo de sistemas industriais.
- Detection and Mosaicing through Deep Learning Models for Low-Quality Retinal ImagesPublication . Correia, Tales Veríssimo Souza; Coelho, Paulo Jorge Simões; Cunha, António Manuel Trigueiros da SilvaGlaucoma is a severe eye disease that is asymptomatic in the initial stages and can lead to blindness, due to its degenerative characteristic. There isn’t any available cure for it, and it is the second most common cause of blindness in the world. Most of the people affected by it only discovers the disease when it is already too late. Regular visits to the ophthalmologist are the best way to prevent or contain it, with a precise diagnosis performed with professional equipment. From another perspective, for some individuals or populations, this task can be difficult to accomplish, due to several restrictions, such as low incoming resources, geographical adversities, and travelling restrictions (distance, lack of means of transportation, etc.). Also, logistically, due to its dimensions, relocating the professional equipment can be expensive, thus becoming not viable to bring them to remote areas. In the market, low-cost products like the D-Eye lens offer an alternative to meet this need. The D-Eye lens can be attached to a smartphone to capture fundus images, but it presents a major drawback in terms of lower-quality imaging when compared to professional equipment. This work presents and evaluates methods for eye reading with D-Eye recordings. This involves exposing the retina in two steps: object detection and summarization via object mosaicing. Deep learning methods, such as the YOLO family architecture, were used for retina registration as an object detector. The summarization methods presented and inferred in this work mosaiced the best retina images together to produce a more detailed resultant image. After selecting the best workflow from these methods, a final inference was performed and visually evaluated, the results were not rich enough to serve as a pre-screening medical assessment, determining that improvements in the actual algorithm and technology are needed to retrieve better imaging.
- Compatibilização da Produção Fotovoltaica com o Carregamento de Veículos ElétricosPublication . Rodrigues, Tiago Filipe dos Santos; Marques, Pedro José FrancoEsta dissertação tem como objetivo realizar um estudo sobre a compatibilização entre produção fotovoltaica e carregamento de veículos elétricos, tendo como base a existência de uma unidade de pequena produção (UPP), antigamente designada por MicroGeração (legislação de 2007). Pretende-se analisar se a sua conversão para uma Unidade de Produção de AutoConsumo (UPAC), ao abrigo da legislação atual é economicamente viável. Atualmente, com as alterações na legislação, as UPAC podem abastecer diretamente o consumo, armazenar a energia produzida ou vender o excedente de produção à rede. Várias metodologias de otimização foram analisadas por forma a conciliar a produção fotovoltaica com a gestão do carregamento dos veículos elétricos (VEs). Através de fontes de energia renováveis, por meio de um sistema de autoconsumo fotovoltaico, é possível obter maior aproveitamento, ao utilizar o excedente para o carregamento de baterias e de VEs ou para alimentação de bombas de calor. Os VEs serão o principal caso em estudo de modo a avaliar os impactos económicos, ambientais e na própria rede elétrica. Os VEs incluem veículos elétricos a bateria (BEVs) e veículos híbridos plug-in (PHEVs). Os BEVs podem-se relacionar de diferentes formas com o exterior, desde o veículo para casa (V2H), o veículo para edifícios (V2B) e o veículo para a rede (V2G). O modelo V2H, numa rede inteligente, juntamente com um sistema fotovoltaico é a solução ótima, pois evidência a melhor economia, as melhores reduções das emissões e consegue contribuir na estabilidade da rede elétrica. Dentro deste modelo, um sistema de autoconsumo apenas é ligeiramente mais vantajoso, logo de seguida um sistema de autoconsumo com o veículo elétrico é dos mais promissores no momento da realização da dissertação e num futuro próximo ainda mais com a espectável diminuição dos preços dos VEs. Esta dissertação focou-se em converter de uma UPP para UPAC, onde os sistemas de armazenamento estão cada vez mais acessíveis, seja através de armazenamento puro ou para carregamento de VEs.