PROGRAMA DE CAPACITAÇÃO INSTITUCIONAL PCI/LNCC Maio Abril Modelagem e Simulação Computacional de Sistemas Complexos

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1 PROGRAMA DE CAPACITAÇÃO INSTITUCIONAL PCI/LNCC Maio Abril 2012 Modelagem e Simulação Computacional de Sistemas Complexos LABORATÓRIO NACIONAL DE COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA LNCC/MCT Fevereiro Petrópolis, RJ

2 ÍNDICE 1. Identificação da Unidade Título do Projeto Identificação do Coordenador Definição dos Objetivos Gerais Descrição do Projeto Áreas gerais de abrangência incluindo infra-estrutura física (laboratórios, equipamentos, capacidade de processamento) Temas específicos abrangidos pelo projeto Objetivos específicos do projeto em cada área/tema Programa de pesquisadores visitantes Necessidades de bolsas por área/tema Mecanismos internos de avaliação dos bolsistas Equipe envolvida, incluindo os técnicos da instituição a serem engajados no projeto (perfil do bolsista por área/tema) Orçamento do projeto (planilha consolidada) Memória de cálculo (bolsas de longa e curta duração) e cronograma de desembolso anual do projeto

3 1. Identificação da Unidade Laboratório Nacional de Computação Científica - LNCC 2. Título do Projeto Modelagem e Simulação Computacional de Sistemas Complexos 3. Identificação do Coordenador Prof. Laurent Emmanuel Dardenne Chefe da Coordenação de Mecânica Computacional, LNCC/MCT. Tecnologista Nível I, LNCC/MCT. 2

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5 4. Definição dos Objetivos Gerais O presente Projeto de Capacitação Institucional tem como objetivos gerais: Potencializar e dar continuidade às atividades de P&D em modelagem e simulação computacional de sistemas complexos que vem sendo desenvolvidas no LNCC, assim como alavancar novas atividades surgidas durante o período anterior Desta maneira, o projeto permitirá o cumprimento das metas previstas no Plano Diretor do LNCC as quais estão inseridas no contexto do PPA e nas orientações estratégicas delineadas pelo MCT; Consolidar o Programa de Pós-Doutoramento no âmbito do Programa de Pós- Graduação em Modelagem Computacional do LNCC nas suas cinco grandes áreas de atuação: Computação Científica, Controle e Filtragem de Sistemas Dinâmicos, Modelagem Computacional de Biossistemas e Bioinformática, Modelagem Computacional de Circulação e Transporte, Modelagem Computacional de Problemas de Equilíbrio e Otimização; 5. Descrição do Projeto Em seus primeiros trinta anos de existência ( ) o LNCC se consolidou como instituição líder em Computação Científica e Modelagem Computacional no País, atuando como unidade de pesquisa científica e desenvolvimento tecnológico do MCT e como órgão governamental provedor de infra-estrutura computacional de alto desempenho para a comunidade científica e tecnológica nacional. Isto aconteceu como resultado de sua proposta pioneira dentro do quadro das ciências matemáticas e computacionais e da qualidade que sempre imprimiu às suas atividades de pesquisa e prestação de serviços. Dentre as suas iniciativas destacam-se: a promoção institucional da computação científica e da modelagem computacional no país, com a conseqüente consolidação de uma comunidade científica profissional no setor, fundação de sociedade científica, criação de departamentos e cursos em Universidades, criação de periódicos científicos, formação de recursos humanos qualificados e contribuição para a produção científica da área; o pioneirismo na implantação em conjunto com a FAPESP, de redes de comunicação de dados no País (BITNET e RNP); a participação na formação do Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho - SINAPAD, tornando-se o CENAPAD/RJ; a difusão e transferência de tecnologia através de projetos de desenvolvimento e aplicações com empresas tais como: CNEN, VALE DO RIO DOCE, PETROBRÁS, COPESP, ELETRONORTE e muitas outras, servindo de pioneiro exemplo da interação universidade-empresa, na área de ciências matemáticas e computacionais. Uma nova realidade se apresentou para o planejamento e administração das instituições de pesquisa a partir do momento em que o MCT passou a formular e desenvolver ações de planejamento e financiamento para a atuação integrada do sistema nacional de C&T, através dos PPA s, do novo modelo de financiamento representado pelos Fundos Setoriais, dos Fundos Verde e Amarelo, das Comissões de Prospecção e Avaliação dos Institutos discutindo e atribuindo missões aos mesmos. De acordo com esta nova realidade o LNCC passou a desenvolver esforços e ações institucionais para se 4

6 adequar às novas realidades político-científicas. Isto ocorre através de um processo continuado de planejamento estratégico situacional, com ampla participação da sua comunidade científica e técnica, e as consequentes ações operacionais de sua Diretoria, assessorada por representativos Comitês Internos e por seu Conselho Técnico Científico CTC, com expressiva participação da comunidade externa. Dentro deste quadro e tendo por balizamento os programas estruturantes do MCT nos PPA s, bem como a capacitação existente no Laboratório, as seguintes ações foram deslanchadas, no período , todas elas dentro do escopo da tradicional atuação do LNCC (P&D, Serviços Computacionais de Alto Desempenho, Formação de Recursos Humanos): consolidação das principais atividades básicas de pesquisa de seus pesquisadores, grupos e correspondentes parceiros externos em dois grandes projetos: (i) Modelagem, Análise e Simulação Computacional em Engenharia e Ciências Aplicadas e (ii) Controle de Sistemas Dinâmicos; com a aprovação e contratação destes projetos pelo programa de Núcleos de Excelência PRONEX do MCT o custeio da pesquisa teve incremento significativo, revelando-se num também significativo aumento da produção científica; o LNCC é a instituição executora para o MCT da coordenação do Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho SINAPAD, a rede nacional de centros de computação de alto desempenho localizados em sete Universidades e Institutos de Pesquisa no País. O LNCC também abriga e coordena o CENAPAD/RJ; consolidação da parceria com a RNP para o gerenciamento do ponto de presença da rede nacional no Rio de Janeiro e outros projetos; modernização do CENAPAD/RJ que teve o apoio financeiro do programa PAD da FINEP para a aquisição de novas plataformas de alto desempenho para o pleno e satisfatório atendimento das demandas colocadas pelas instituições usuárias tradicionais e dos novos projetos e parcerias; criação do Laboratório de Bioinformática LABINFO/LNCC servindo inicialmente como laboratório central articulador dos projetos GENOMA NACIONAL - BRGEN e GENOMA- Rio de Janeiro, com financiamento do CNPq e FAPERJ, respectivamente, e com pesquisadores e técnicos, na sua maioria, do programa PCI do MCT; hoje esse Laboratório coordena importantes projetos nacionais e parcerias internacionais; implantação no LNCC da Unidade de Genômica Computacional Darcy Fontoura de Almeida (UGCDFA), sendo esta uma Unidade Multiusuário, destinada a atender os projetos genomas de todo o país. Foi criado um ambiente de desenvolvimento de pesquisa em Genômica Computacional, associado ao LABINFO, utilizando a infraestrutura de Computação de Alto desempenho do LNCC/MCT. Atualmente, a UGCDFA encontra-se em pleno funcionamento (vários genomas já foram seqüenciados), com amplo apoio do programa PCI/LNCC, desenvolvendo projetos do LABINFO, colaboradores e demais pesquisadores da América Latina e apoiando as pesquisas da Rede Brasileira de Pesquisa sobre o Câncer; implantação de programa de pós-graduação em Modelagem Computacional, que enfatiza a modelagem em áreas interdisciplinares como biossistemas, bioinformática (foi estabelecido um convênio com o Instituto de genética/ufrj em 2005 neste tema), biologia computacional, atmosfera e oceanos, meio ambiente, ciência multiescala, e 5

7 apoiado nas áreas de competências do LNCC como mecânica de fluídos computacional, computação de alto desempenho, simulação de reservatórios de petróleo, otimização e análise não linear de estruturas, controle de sistemas, análise numérica de equações diferenciais e análise de sensibilidade; aprovado pela CAPES com nota 5 e com apoio também do CNPq e da FAPERJ atende demandas estratégicas da comunidade de C&T Nacional. Atualmente este programa conta com cerca de 100 alunos de pós-graduação (mestrado e doutorado) tendo sido defendidas, até 2009, 51 dissertações de mestrado e 46 teses de doutorado; até recentemente o LNCC participou nos níveis de direção e execução no Projeto GEOMA - Geoprocessamento e Modelagem Ambiental na Amazônia, importante e estratégica iniciativa do MCT, através de seus institutos INPA, MPEG, Mamirauá, INPE, LNCC e IMPA, formando rede cooperativa de pesquisas; apoio e parceria com instituições regionais e empresariais como Governo do Estado do Rio de Janeiro, Prefeitura de Petrópolis, FIRJAN, SEBRAE, Softex, na criação de instrumentos de inclusão social como incubação de empresas de base tecnológica, centros de alfabetização digital, cursos profissionalizantes em TI, arranjos produtivos locais, e outros. Atualmente o LNCC incuba cerca de oito empresas de inovação e tecnologia; criação do CATO (Centro de Modelagem da Atmosfera, Continente e Oceano), que passou a fazer a previsão numérica regional do tempo para Estados do Rio de Janeiro e Espírito Santo, uma cooperação entre o LNCC e o Sistema de Meteorologia do Estado do Rio de Janeiro SIMERJ e o CPTEC/INPE que usa a plataforma do CENAPAD/RJ. Desta forma, constituindo-se também em laboratório para a pesquisa em modelagem da atmosfera e do oceano no LNCC; criação em 2009 do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica, no qual participam, sob a coordenação do LNCC/MCT, 23 Laboratórios Associados com sede em 11 estados do Brasil; participação do LNCC em projetos da área estratégica de fármacos/medicamentos: (i) Projeto Instituto do Milênio e no INCT de Inovação de Fármacos e Medicamentos; participação em redes temáticas definidas em áreas estratégicas em engenharia de petróleo e reservatórios: (i) Rede Temática de Computação e Visualização Científica Rede GALILEU, à qual o LNCC se associou no final de 2007; (ii) Rede Temática de Simulação e Gerenciamento de Reservatórios - Rede SIGER, à qual o LNCC se associou em 2008; participação importante em redes temáticas importantes em ecologia teórica, computação distribuída e bancos de dados massivos; O exercício prospectivo e a discussão estratégica realizados no decorrer de 2005 no LNCC, sob os auspícios da SCUP, permitiram que o LNCC definisse prioridades, à luz da política de C&T e a elaboração do Plano Diretor para o período Neste âmbito, os programas PCI para os períodos e foram propostos de forma a fomentar os projetos prioritários (denominados de estruturantes) definidos no Plano Diretor Em específico o PCI além de permitir que objetivos fundamentais predefinidos no TCG/MCT do LNCC fossem cumpridos com bastante sucesso, possibilitou uma melhora quantitativa e qualitativa do nível científico 6

8 dos projetos por ele apoiados, teve uma grande importância na parte de formação de recursos humanos e potencializou a inserção nacional das atividades de pesquisa do LNCC em redes e projetos de âmbito nacional. O presente documento tem por objetivo apresentar os projetos de P&D que serão apoiados pelo PCI durante o biênio Maio 2010 Abril 2012 e que estão contextualizados nas linhas estratégicas definidas no Pano Diretor e também apontam para o novo Plano Diretor a ser formulado no transcorrer de O presente pedido engloba o apoio aos projetos estruturantes e a novos projetos no âmbito do PDU (denominados simplesmente por projetos) em temas de pesquisa que identificamos ter potencial de agregar conhecimento de diferentes vertentes de excelência do LNCC. O objetivo é fomentar projetos de pesquisa (englobando subprojetos, linhas e temas de pesquisa) de forma a que possam se tornar parte integrante dos projetos estruturantes nos próximos Planos Diretores. Áreas abrangidas pelos Projetos Estruturantes: Computação Científica Distribuída de Alto Desempenho, Biologia Computacional, Medicina Assistida por Computação Científica; Engenharia do Petróleo e Águas subterrâneas. Áreas abrangidas pelos Projetos de Pesquisa: Métodos Estocásticos e Robustos em Modelagem, Estimação e Controle, Métodos Matemáticos e Numéricos Aplicadas às Engenharias e Ciências e Modelagem Computacional da Difusão do Conhecimento. O presente projeto PCI possui seus projetos de P&D bem inseridos nas ações estratégicas em ciência e tecnologia definidas pelo PPA Cabe ressaltar os seguintes aspectos: (I) Apoio à expansão dos programas de formação de recursos humanos em áreas do conhecimento, consideradas estratégicas; (II) Pesquisa, desenvolvimento e inovação em áreas estratégicas com projetos abrangendo as áreas de biotecnologia, nanotecnologia, tecnologias da informação e comunicação, petróleo e gás, sistemas ecológicos e saúde. 5.1 Áreas gerais de abrangência incluindo infra-estrutura física (laboratórios, equipamentos, capacidade de processamento) A ciência brasileira apresenta aumentos expressivos de seus indicadores de produção científica, permitindo contribuir fortemente para o desenvolvimento econômico e social do País. Reconhece-se a ciência como um instrumento de Estado, sendo um elemento fundamental para a competitividade internacional de nossos meios de produção e o principal alicerce para programas voltados para a política industrial, tecnológica e de comércio exterior. Neste contexto, os Laboratórios Nacionais têm papel importante na identificação e desenvolvimento de áreas de pesquisa promissoras, buscando agregar e combinar ações interdisciplinares, enquanto otimiza a infra-estrutura de equipamentos caros necessários a comunidade científica. É importante também que os Laboratórios Nacionais busquem reforçar suas pesquisas básicas nas suas áreas de competência, transferindo tais conhecimentos para a sociedade através de aplicações tecnológicas. Desta forma o hiato existente atualmente entre o desenvolvimento de pesquisa básica de qualidade e sua 7

9 aplicação em demandas reais de nossa sociedade seria reduzido. Outro fator a ser observado é o desenvolvimento da computação em geral, e da computação científica em particular. Este desenvolvimento acelerado nos últimos tempos, nos três aspectos de capacidade computacional, capacidade de armazenamento de dados e a tecnologia da informação e comunicação, tem tido forte impacto no crescimento da pesquisa científica e também na forma de se fazer pesquisa. Com a disponibilidade recente de recursos computacionais de grande capacidade (hardware e software) tem sido possível tratar, de forma muito precisa, sistemas não lineares e complexos. Teorias e técnicas matemáticas foram desenvolvidas, que, juntas com a tecnologia da informação, permitem analisar e prever o comportamento do sistema sob estudo através de simulações computacionais. Com esses recursos, sejam teóricos, sejam de equipamentos, sistemas complexos são possíveis de serem abordados, e exemplos proliferam nas ciências físicas, engenharias, na biologia, na economia, nas ciências sociais, ciências da terra, etc. Esta metodologia, conhecida como modelagem computacional, impacta as ciências, e muitos a consideram estar ao mesmo nível das tradicionais: observação, experimentação e teoria. Na verdade esta metodologia vai além das ciências, sendo diretamente aplicável na resolução de problemas tecnológicos e em processos industriais e organizacionais. Modelar e simular um sistema ou um processo real consiste em caracterizá-lo por um conjunto de entidades abstratas, definindo suas inter-relações e um mapeamento único, que associe as entidades abstratas à observáveis do mundo real. Nesse sentido, a modelagem é um processo de produção de conhecimento, e a simulação uma técnica de solução que permite previsão, comparação dos resultados e a consequente validação dos limites do modelo. Técnicas de modelagem e simulação estão sendo aplicadas em setores produtivos fora das universidades com freqüência crescente, tendo mudado de maneira decisiva o rumo de alguns desses setores. Todas as inovações recentes envolvem tecnologia de informação, modelagem e simulação computacional. Competência em modelagem computacional de sistemas reais, aliada àquela em engenharia, abre novas fronteiras tecnológicas e é essencial para um aumento considerável em produtividade e riqueza na sociedade. Exemplos em que modelagem e simulação são essenciais podem ser encontrados em diferentes setores produtivos, como aqueles ligados à produção de petróleo e fontes de energia, análise e processamento de imagem aplicada à medicina, geofísica, monitoramento de grandes territórios (como o da Amazônia, por exemplo), produção de alimentos, transporte e armazenamento de grãos, problemas de otimização aplicados ao planejamento de plantas industriais, logística, redes de telecomunicação, previsão de tempo e clima, tráfego nas mega-cidades, impacto das ações humanas no meio ambiente, e muitos outros. O desafio multidisciplinar que se apresenta, então, é ampliar a colaboração entre recursos humanos altamente treinados em modelagem e simulação computacional e profissionais ligados ao desenvolvimento de tecnologia nos diferentes setores produtivos, o que deve resultar em aumento da produtividade em médio prazo. A ampliação desta colaboração passa pela divulgação, nos meios produtivos, das potencialidades do desenvolvimento de modelos e simulações aplicados a problemas específicos e pela formação de cientistas treinados em modelagem e simulação capazes de interagir com profissionais com outras formações. O potencial de aplicação da metodologia de simulação e modelagem parece hoje ser inesgotável. Há sistemas em que uma maior compreensão tem um valor tecnológico inestimável e para o qual, devido à sua complexidade, a única forma de tratamento parece ser através da simulação computacional. Em sistemas de grande porte, a limitação para uma abordagem adequada e que leve a resultados aplicáveis reside na dificuldade 8

10 de obtenção, análise e assimilação de dados de maneira a evitar uma explosão de parâmetros arbitrários no modelo ou nos recursos numéricos computacionais necessários para a solução. É dentro destas perspectivas de um papel de cada vez maior importância para a Computação (distribuída ou não) de Alto Desempenho e a Modelagem Computacional nas iniciativas estratégias nacionais, que o LNCC tem atuado como Laboratório Nacional promovendo, direta e indiretamente, de per se ou participando de redes cooperativas, a atualização dos recursos de infra-estrutura computacional disponibilizados para a comunidade de pesquisa do País, realizando pesquisas que gerem metodologias, técnicas e algoritmos mais eficientes para a modelagem e novas aplicações em problemas relevantes para as ciências e para a sociedade em geral, formando recursos humanos capacitados nas ciências e técnicas da modelagem e também promovendo transferência de tecnologias e inovações para o setor produtivo do País. A amplitude que a modelagem computacional alcança hoje para as atividades científicas, tecnológicas e de inovação implica agora em desafios de maior monta para o LNCC: no campo da pesquisa em manter-se atualizado na linha dos sistemas complexos, envolvendo grandes massas de dados, incertezas e várias escalas, visando simulações mais realistas; no campo da infra-estrutura e dos serviços computacionais uma nova era está surgindo, alavancada pelo progresso continuado em tecnologia de computação de alto desempenho, informação e comunicação e puxada pela expansão da complexidade: uma infra-estrutura integrando recursos distribuídos de alto desempenho, de dados, de visualização e de simulação, tudo formatado num ambiente de trabalho coerente através de software avançado, serviços e banda larga em redes óticas. Um exemplo internacional é o TeraGrid nos Estados Unidos ( e no País um primeiro passo é o projeto e-conhecimento do MCT; o desafio será dar os primeiros passos movendo o SINAPAD para a escala de gigabit/s - teraflop - petabyte e integrando-o pela tecnologia de grid computing; no campo dos projetos estruturantes o aperfeiçoamento e o incremento na participação em redes cooperativas, já iniciados com o próprio SINAPAD, o LABINFO, o projeto Medicina Assistida por Computação e outros possíveis em grandes temas estratégicos onde tenhamos uma competência inicial como Recursos Hídricos, Bacias e Clima, Petróleo e Gás, Fármacos, dentre outros. finalmente, no campo da Pós-Graduação e formação de recursos humanos em geral, o desafio é a formação qualificada de quadros em modelagem e simulação computacional que possam impactar positivamente nas empresas a inovação e a competitividade, e nas universidades a atividade de pesquisa cientifica; dado o caráter multi e interdisciplinar destas atividades, deverá sempre ser procurada a iniciativa em parceria com outras organizações que aportem a complementaridade. A partir do esforço prospectivo junto ao ambiente externo, realizado durante o Planejamento Estratégico, foram estabelecidas as grandes áreas de pesquisa que o LNCC deverá fomentar. Destas vertentes e da discussão estratégica realizada pelo LNCC ao longo dos últimos anos, foram identificados grandes objetivos a serem buscados nos períodos de , tendo por diretrizes as seguintes linhas mestras: Ampliar continuamente as competências existentes em P&D visando atender às crescentes demandas das novas vertentes do conhecimento e das áreas estratégicas do País; Ampliar continuamente a capacidade da infra-estrutura computacional (distribuída 9

11 ou não) de alto desempenho e de comunicação de dados do SINAPAD, atendendo às necessidades da comunidade acadêmica e de pesquisa no País; fortalecer a estrutura de comunicação e cooperação entre os Centros de Processamento de Alto Desempenho, constituintes do SINAPAD; Manter e desenvolver as várias bases de dados e ferramentas computacionais do LABINFO para suprir as necessidades das redes temáticas e projetos de cooperação internacional nas áreas da Bioinformática e Biologia Computacional; Desenvolver e ampliar a participação do LNCC na áreas associadas ao tema petróleo através das Redes Galileu e Singer (CENPES/Petrobrás) e RBV (FINEP/MCT); Consolidar ao nível da avaliação máxima da CAPES o programa de mestrado e doutorado em modelagem computacional multidisciplinar; Estimular as atividades de P&D geradoras de transferência de tecnologia e inovação; Contribuir para a inclusão social e o desenvolvimento regional, promovendo capacitação de RH técnico profissional, e inclusão digital de indivíduos e microempresas; Estes objetivos, inseridos nos quatro eixos do PE do MCT: Política Industrial, Tecnológica e de Comércio Exterior; Objetivos Estratégicos Nacionais; CT&I para a Inclusão e Desenvolvimento Social e Consolidação, Expansão e Integração do Sistema Nacional de CT&I, poderão ser alcançados através do desenvolvimento das atividades de P&D interdisciplinares incluídas nos seguintes Objetivos Gerais do PCI/LNCC : Consolidar o Programa de Pós-Doutoramento no âmbito do Programa de Pós- Graduação em Modelagem Computacional do LNCC nas suas cinco grandes áreas de atuação: Computação Científica, Controle e Filtragem de Sistemas Dinâmicos, Modelagem Computacional de Biossistemas e Bioinformática, Modelagem Computacional de Circulação e Transporte, Modelagem Computacional de Problemas de Equilíbrio e Otimização; Estimular a implementação de convênios com pós-graduações de outros Institutos de Pesquisa e de Universidades com o intuito de aperfeiçoar, complementar e ampliar o caráter multidisciplinar da Pós-Graduação em Modelagem Computacional do LNCC; Consolidar no LNCC um Programa de Pesquisadores Visitantes (de curta e longa duração); Nas diversas coordenações do LNCC, continuar e ampliar as áreas de pesquisa tais como: Sistemas e Controle: Controle H-2 e H-infinito, Estabilidade e Controle Robusto de Sistemas Dinâmicos Incertos, Estabilidade, Controle e Filtragem de Sistemas Dinâmicos Sujeitos a Falhas, Filtragem H-2 e H-infinita, Predição e Interpolação Robustas de Sinais, Análise e Controle de Dinâmica Populacional e de Comunidades Bióticas, Robótica e Matemática Financeira, Análise de Tráfego Pesado, Análise e Síntese de Sinais de Áudio; Mecânica Computacional: Modelagem em Circulação e Transporte, em Mecânica dos Sólidos e em Meios Porosos, Multiescala, Problemas inversos, Identificação, Análise de sensibilidade, Geometria fracionária, Otimização, Computação de alto desempenho, Biologia Molecular, Previsibilidade de tempo e Assimilação de dados; 10

12 Matemática Aplicada e Computacional: Equações Diferenciais Parciais: Análise e Aplicações; Análise Numérica, Métodos de Elementos Finitos e Aplicações, Matemática de Ciência Multi-Escala, Otimização, Bioinformática e Biologia Computacional, Equações Diferenciais Estocástica, Álgebra linear computacional Estatística computacional, Mineração de dados; Ciência da Computação: Computação Distribuída de Alto Desempenho, Sistemas Distribuídos e Grade Computacional, Visualização Cientifica, Processamento e Reconstrução de Imagens, Sistemas Multimídia, Ambientes Virtuais Colaborativos e Realidade Virtual, Computação Quântica, Modelagem e Simulação Computacional em Biologia e Medicina, Modelagem Multiescala, Analise de Sensibilidade, Bioinformática, Redes e Computação Móvel, Banco de Dados Distribuídos, Mineração de Dados, Computação Reversível em Nanodispositivos, Computação Móvel, Segurança em Sistemas Distribuídos, Modelagem via Autômatas Celulares, Criptografia, Computação Algébrica; Contribuir para o desenvolvimento dos chamados Projetos Estruturantes previstos no PDU (Plano Diretor) do LNCC, fomentando a coordenação e participação em redes cooperativas formadas pelas equipes de pesquisadores do LNCC e de outras instituições do País e do exterior visando, por um lado, maximizar o processo de transferência e absorção de conhecimento e, por outro lado, viabilizar padrões de inovação tecnológica mais estratégicos e competitivos para o desenvolvimento do País; Identificar e fomentar novos temas de pesquisas no LNCC que possuam relevância para o país tanto do ponto de vista da pesquisa básica quanto de suas aplicações. Esses novos temas, dentro dos quais projetos chamados de Núcleos de Pesquisa estão incluídos, deverão possuir potencial de aglutinar conhecimento de diferentes áreas com alta qualidade em vista de tornar-se referência no tema no país. Através do PCI-LNCC/MCT serão outorgadas bolsas para que jovens e produtivos pesquisadores nas áreas de pesquisa acima mencionadas e com capacidade de atuar simultaneamente no desenvolvimento dos Projetos de Pesquisa sejam incorporados nas atividades de P&D e de FRH da instituição. Para alcançar estes objetivos gerais os pesquisadores e bolsistas terão a sua disposição toda a infra-estrutura existente nos diversos laboratórios em funcionamento no LNCC tais como: infra-estrutura computacional de alto desempenho (distribuída ou não) existente no CENAPAD/RJ, no SINAPAD, e nos laboratórios instalados associados aos projetos Computação de Alto-Desempenho, Biologia Computacional e Bioinformática, Petróleo, Geoma e Medicina Assistida por Computação Científica. Mais especificamente, o LNCC conta atualmente com os sistemas SGI ALTIX 3700 com 32 processadores e 64 GB de memória, SunBlade 6800 com 576 núcleos e 1152GB de memória e SGI ICE com 240 Cores e 720GB de memória, dispondo de aproximadamente 12 TF de capacidade de processamento, com um conjunto de ferramentas com tecnologia moderna e atualizada para o desenvolvimento de aplicações que requerem alto poder computacional e recursos avançados de visualização científica. O LNCC dispõe de 180 TBytes para armazenamento dos dados. Além disto, possuí três laboratórios, com 20 lugares cada, equipados com 60 computadores, disponíveis para o curso de pós-graduação e cursos/treinamentos diversos, podendo ser utilizados pela comunidade científica. Os pesquisadores e bolsistas também terão a sua disposição a Biblioteca do LNCC 11

13 com seu acervo de livros e periódicos em modelagem e simulação computacional. 5.2 Temas específicos abrangidos pelo projeto As áreas de P&D a serem apoiadas pelo PCI/LNCC estão agrupadas nos seguintes projetos: Programa de Pós-Doutoramento. Programa de Pesquisadores Visitantes. Projetos de P&D em apoio às atividades nas áreas novas a consolidar e aos Projetos Estruturantes do PDU-LNCC: Projetos Estruturantes: Computação Científica Distribuída e de Alto Desempenho; Biologia Computacional; Modelagem Computacional em Reservatórios de Petróleo, Águas Subterrâneas e Captura de CO 2 ; Medicina Assistida por Computação Científica. Projetos de Pesquisa: Métodos Estocásticos e Robustos em Modelagem, Estimação e Controle, e Aplicações; Métodos Matemáticos e Numéricos Aplicadas às Engenharias e Ciências; Modelagem Computacional da Difusão do Conhecimento. As bolsas a serem concedidas dentro do PCI-LNCC , estarão associadas aos Projetos de Pesquisa listados (incluindo a linha de pesquisa específica dentro do mesmo, quando couber). Na próxima seção são descritos os objetivos específicos e as linhas de pesquisa de cada um destes projetos. 5.3 Objetivos específicos do projeto em cada área/tema Programa de Pós-Doutoramento Com este programa o LNCC pretende apoiar jovens e produtivos pesquisadores nas áreas de P&D que o LNCC deseja consolidar e/ou iniciar em Sistemas e Controle, Mecânica Computacional, Matemática Aplicada e Computacional, Biologia Computacional e Ciência da Computação. Por ano, está previsto receber dentro deste programa até 03 12

14 (três) doutores/ano no nível DTI-7B que deverão ser escolhidos através de concurso, respeitando a excelência e mérito científico. Tal julgamento será feita por uma comissão constituída por pesquisadores e tecnologistas de nível máximo do LNCC e com alta produtividade técnico-científica nos últimos três anos Computação Científica Distribuída e de Alto Desempenho Este Projeto Estruturante de Pesquisa está subdividida em seis subprojetos, os quais possuem como característica uma grande transversalidade e permeabilidade com relação aos demais projetos de pesquisa descritos. Abaixo passaremos a descrever estes seis subprojetos Computação Científica Distribuída Relevância do Tema Podem ser observados os recentes avanços alcançados nestas ultimas décadas na ciência da computação particularmente no que se refere à computação distribuída de alto desempenho, ciberinfraestruturas, rede de sensores para monitoramentos diversos, modelagem e simulação computacional, e aplicação em áreas diversas como bioinformática, medicina, ambiental, governo, entre outras. O significativo impacto sócioeconômico do desenvolvimento de atividades de P&D neste tema fica evidenciado pelo grande potencial de suporte científico-tecnológico em diversas especialidades. Descrição do Projeto O projeto visa realizar atividades de pesquisa, desenvolvimento e inovação tecnológica com caráter multidisciplinar na área de computação distribuída de alto desempenho visando significativo impacto sócio-econômico assim como integração de varias iniciativas nesta área dentro da Unidade. Em particular dar-se-á ênfase ao desenvolvimento, consolidação e integração nas atividades de P&D em middleware e aplicações, envolvendo áreas de pesquisa na Unidade tais como Modelagem Multiescala, Modelagem Estocástica, Mecânica dos Fluidos Computacionais, Interação Fluido- Estrutura, Otimização e Analise de Sensibilidade na caracterização de propriedades, calibração e assimilação de dados fisiológicos, entre outros. Computação Distribuída e de Alto Desempenho, Banco de Dados e Mineração de Dados Distribuídos, Visualização Cientifica e Reconstrução de Imagens, Redes e Comunicação sem fio dentre outras, deverão ser desenvolvidas e integradas de maneira a atender as necessidades deste tema multi e interdisciplinar e de grande impacto socioeconômico. Situação Atual Avanços científicos e tecnológicos recentes nas áreas de computação científica, modelagem computacional e tecnologia da informação e comunicação com enfoque na área Ciberinfraestruturas para Computação Distribuída de Alto Desempenho estão atualmente em pleno desenvolvimento na Unidade através de parcerias com importantes grupos do País e no exterior (como por exemplo: National Center for Supercomputing Applications NCSA, Instituto Computação da UFF, Instituto Computação da UNICAMP, Departamento Informática da PUC-Rio, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, COPPE/UFRJ, Instituto Informática da UFRGS, IME-RJ, UFBA, UFC, UFSCar, dentre outros). As áreas necessárias para o desenvolvimento deste projeto contam com elevado 13

15 reconhecimento dos pares materializado através da coordenação de projetos nas áreas de Computação Distribuída de Alto Desempenho, Ambientes Virtuais Colaborativos e Visualização Remota. Atualmente, há no LNCC uma grade computacional interna, implementada integrando recursos computacionais, e também uma grade externa integrando parceiros nacionais sobre a rede experimental Giga da RNP e Internet. Esta grade inclui um protótipo de portal de submissão e monitoração de recursos. No contexto desta atividade já foram organizados diversos eventos em Grids, Clouds e Aplicações desde 2003 em parceria com o NCSA e a RNP, entre outros. As áreas necessárias para o desenvolvimento deste projeto contam com elevado reconhecimento dos pares materializado através da coordenação e execução de diversos projetos de P&D (a nível nacional e estadual) aprovados em editais realizados pelas instituições de apoio tais como CNPq, FINEP, FAPERJ, CAPES, RNP, dentre outras. Entre estes é importante mencionar os seguintes projetos finalizados e ou em andamento: Colaboração com NCSA (2003 presente) Colaboração com o National Center for Supercomputing Applications (NCSA) em Ciberinfraestruturas e Ciberambientes de computação em grade, com a realização de diversos eventos conjuntos, e visitas técnicas (coordenação: Prof. Bruno Schulze). Ciberinfraestruturas em Simulações: Clouds, Grids, Multicores e Web ( ) Apoio Edital Faperj J Cientista do Nosso Estado (36 Meses) (coordenação: Prof. Bruno Schulze). Grids, Clouds e Multicores em Simulações ( ) Apoio Edital CNPq Mestrado / Doutorado (coordenação: Prof. Bruno Schulze). Ciber-Infraestrutura para Rede de P&D em Medicina Assistida por Computação Científica do Rio de Janeiro ( ) Apoio Edital Faperj 05/ Programa de Treinamento e Capacitação Técnica (TCT) - (coordenação: Prof. Bruno Schulze). CIBERSTRU - Ciber-Infraestrutura para Rede de P&D em Medicina Assistida por Computação Científica do Rio de Janeiro ( ) Apoio Edital FINEP PROINFRA Projeto de Pesquisa (coordenação: Prof. Bruno Schulze). CIBER-INFRAESTRUTURA PARA REDE DE P&D EM MEDICINA ASSISTIDA POR COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA DO RIO DE JANEIRO ( ) Apoio Edital FAPERJ EQUIPAMENTOS DE GRANDE PORTE. Projeto de Pesquisa aguardando liberação de recursos (coordenação: Prof. Bruno Schulze). Ciberinfraestruturas em Simulações: Clouds, Grids, Multicores e Web ( ) Edital FAPERJ DESENVOLVIMENTO C&T REGIONAL. Projeto de Pesquisa (coordenação: Prof. Bruno Schulze). SIMEGRID: Simulações em Grid ( ) Apoio CNPq (Edital CT-INFO Desafios da Computação ) coordenado pelo Prof. Bruno Schulze envolvendo pesquisadores de instituições tais como Univ. Federal da Bahia (UFBA), Univ. Federal do Ceara (UFC), Univ. Federal Fluminense (UFF), Univ. Estadual de Campinas (UNICAMP), Univ. Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Univ. Federal de São Carlos (UFSCAR). Pesquisa e Desenvolvimento em Computação Científica Distribuída ( ) Apoio CNPq Pós-Doutorando (coordenação: Prof. Bruno Schulze). GSM: Uso de Grids em Simulações Medicas ( ) Apoio CNPq (Edital Universal) e coordenado pelo Prof. Bruno Schulze envolvendo pesquisadores de instituições tais como Univ. Federal Fluminense (UFF), Centro Brasileiro de 14

16 Pesquisas Físicas (CBPF), Univ. Estadual de Campinas (UNICAMP), Univ. Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), entre outras. GT VCG: Grupo de Trabalho Grid Comunidade Virtual ( ) Apoio Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP) coordenado pelo Prof. Bruno Schulze envolvendo pesquisadores de instituições tais como Universidade Federal Fluminense UFF, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas CBPF, Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, Rede Nacional de Ensino e Pesquisa RNP, Universidade Federal de Rio Grande do Sul UFRGS, dentre outras. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica (INCT-MACC) Apoio: CNPq, FAPERJ. Coordenação Geral: Prof. Raul A Feijóo - Coordenação de Ciberinfraestruturas Prof. Bruno Schulze. Infraestrutura Rede Giga ( presente) Apoio FINEP, FUNTTEL e RNP. SINAPAD (2003 presente) Colaborador - Desenvolvimento relacionado a grades computacionais (plataformas e aplicações) para computação científica distribuída no âmbito do Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho, o qual é composto por 8 Centros Nacionais de Processamento de Alto Desempenho (CENAPAD): LNCC, UFMG, UNICAMP, UFRJ, UFC, UFRGS, INPE e UFPE. ICPEDU Colaborador ( presente) Infraestrutura de chaves públicas para pesquisa e ensino. Apoio RNP. A descrição de todos estes projetos, financiados através de recursos provenientes de outras fontes (inclusive internacionais) e ganhos em editais específicos, mostra claramente e de maneira indiscutível a relevância do tema, sua importância/impacto sócio econômico no País e no exterior e o reconhecimento dos pares ao nível técnico científico da pesquisa na área que vem sendo desenvolvida sob a liderança de pesquisadores do LNCC. Por outra parte a transparência, via prestações de contas e relatórios técnicos que estes projetos exigem, implica numa garantia na obtenção dos resultados esperados com a execução dos mesmos. Finalmente é importante ressaltar que os recursos obtidos, embora significativos, resultam insuficientes tendo em vista o grande numero de instituições e pesquisadores envolvidos na execução dos mesmos (em alguns projetos participam mais de 60 pesquisadores de diversas instituições do País e do exterior) e que, na maioria dos casos, os recursos para mão de obra são inexistentes. O acima mencionado leva a necessidade de procurar recursos do PCI de maneira a permitir o desenvolvimento das atividades de P&D mencionadas. Resultados Esperados Até 2012 esperam-se obter os seguintes resultados dentre outros: Continuar a desenvolver, integrar, disponibilizar e difundir Ciberinfraestruturas baseadas em sistemas computacionais distribuídos de larga escala (GRIDS e CLOUDS) para aplicação em diferentes comunidades, bem como no SINAPAD; Expandir a atuação do LNCC na área de tecnologia da informação e comunicação, bem como suas aplicações em áreas estratégicas; 15

17 Consolidar atividades em Ciberinfraestruturas para computação distribuída de alto desempenho com parceiros nacionais e internacionais; Ampliar o conhecimento de Ciberinfraestruturas para computação distribuída de alto desempenho e tecnologias associadas; Ampliar o uso de dispositivos sem fio na Ciberinfraestrutura através de serviços de middleware de Grid e Cloud, tais como segurança, escalonamento, integração de dados, monitoração de recursos, metrologia de redes, sensoriamento; Estender a metodologias desenvolvidas a outros parceiros; Desenvolver e implementar um conjunto de interfaces para os serviços de middleware de Grid para algumas diferentes comunidades; Incorporar diferentes desenvolvimentos realizados por parceiros (americanos, europeus, e australianos) na área de Grids e Clouds; Ampliar a integração da infra-estrutura laboratorial existente nas áreas de computação cientifica distribuída de alto desempenho, visualização científica, modelagem e simulação de sistemas biológicos, ambientes virtuais colaborativos, multimídia e teleinformática de maneira a promover a atuação conjunta destas áreas neste projeto; Consolidar núcleo de competência no tema formado por pesquisadores e tecnologistas da Unidade e parceiros de outras instituições de P&D, coordenado através de uma rede temática de abrangência nacional; Organizar eventos nacionais e internacionais de qualidade nos temas relacionados; Publicações em periódicos e eventos de qualidade; Edições especiais de periódicos de qualidade e de anais de e eventos de qualidade Redes de Computadores Relevância do Tema A importância das redes de computadores vem progressivamente aumentando ao longo dos anos, tendo alcançado o estado de componente fundamental na sociedade moderna. Essa importância reflete-se no crescente número de usuários e na alta variedade de aplicações baseadas na interconectividade oferecida pelas redes de computadores, abrangendo aplicações de serviços cotidianos a de missão crítica por aplicações científicas. Dessa forma, é fundamental o domínio e pesquisa em área tão complexa e fundamental na vida moderna visando a compreensão da dinâmica de uma rede desde o nível de infra-estrutura até o nível aplicativo. Descrição do Projeto 16

18 Este subprojeto contempla três áreas de pesquisa no contexto de redes de computadores e sistemas distribuídos: Metrologia de Redes A Internet apresenta grandes desafios para a caracterização de sua estrutura e comportamento. Diferentes razões contribuem para essa situação, incluindo a imensa comunidade de usuários, a diversidade de aplicações, a heterogeneidade de equipamentos, a administração distribuída, a vasta cobertura geográfica e o dinamismo típicos da Internet atual. Para enfrentar essas dificuldades, diversas abordagens baseadas em medições vêm sendo propostas recentemente para estimar e melhor compreender o comportamento, a dinâmica e as propriedades da Internet. O conjunto dessas técnicas baseadas em medições é denominado neste texto de Metrologia de redes. As recentes ferramentas e métodos baseados em medições influenciam diretamente outras áreas convencionais ligadas à teleinformática, tais como o projeto e planejamento de redes, engenharia de tráfego, qualidade de serviço e gerenciamento de redes. Computação Móvel Nos últimos anos, temos assistido um crescimento vertiginoso na utilização de redes móveis. No entanto, redes móveis trazem consigo desafios próprios, resultantes das limitações do ambiente e dos dispositivos envolvidos a baixa qualidade de transmissão do meio sem fio, os recursos escassos de largura de banda, as restrições de consumo de energia, a necessidade de auto-organização de seus componentes que tornam mais complexa a sua implantação. Em particular, redes ad hoc, que dispensam infra-estrutura prévia, e redes de sensores, que demandam um elevado grau de auto-organização, apresentam grandes desafios de pesquisa. Arquitetura de Software para Supersistemas - Sistema de sistemas (ou supersistema) é uma coleção de sistemas em princípio independentes que, quando combinados, formam um novo sistema, mais complexo. A independência dos sistemas constituintes de um supersistema resulta em uma necessidade de se enfatizar o projeto de interfaces na especificação arquitetural do supersistema, como forma de viabilizar a interoperabilidade entre os sistemas constituintes. A Internet é um bom exemplo, onde o protocolo IP foi especificado na arquitetura TCP/IP para servir de interface entre diferentes aplicações e diferentes tecnologias de rede. É importante destacar que alcançar a interoperabilidade entre sistemas não é trivial, por dois motivos principais: (i) apesar de existirem modelos de maturidade de interoperabilidade na literatura, eles não fazem parte da prática atual de supersistemas; e (ii) não há um entendimento comum sobre atributos de interoperabilidade de fato relevantes, tampouco sobre métricas que permitam medí-los. Nesse contexto, o uso de técnicas de arquitetura de software tem sido apontado como uma alternativa viável para representar os modelos de interoperabilidade entre e, dessa forma, planejar a formação de supersistemas. Situação Atual Atualmente há desenvolvido no laboratório MARTIN (Mecanismos Arquiteturas para Teleinformática) do LNCC um protótipo para a prototipagem rápida de medições ativas em redes e outro para a monitoração de redes sem fio. Projetos específicos recentemente coordenados pelo LNCC têm como foco temas relacionados ao tema do presente subprojeto: Projeto Dynamics of Layered Complex Networks ( ) - Processo no. 09STIC04 / 010/08 -- Programa STIC AmSud/CAPES - Edital CGCI no. 002/ Coordenador: Artur Ziviani (LNCC); 17

19 Projeto Metrologia na Internet e Redes Auto-organizáveis (MIRA) ( ) - Processo no Edital MCT/CNPq no. 014/ Universal Coordenador: Artur Ziviani (LNCC); Projeto Metrologia e Auto-organização em Redes (MAR) ( ) - Proc. no. E-26/ / Edital FAPERJ 28/2008 (Jovem Cientista do Nosso Estado) Coordenador: Artur Ziviani(LNCC); Projeto Metrologia na Internet e Comunicação Móvel (METRICOM) projeto de bolsa de produtividade do CNPq nível PQ-2 de Artur Ziviani ( ); Projeto Arquitetura de Supersistemas de Informação em Saúde projeto de bolsa de produtividade do CNPq nível PQ-2 de Antônio Tadeu Azevedo Gomes ( ); O presente subprojeto manterá atividades de cooperação científica entre pesquisadores e colaboradores do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) e pesquisadores das seguintes instituições: Objetivos Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF); Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG); Universidade Federal de Pernambuco (UFPE); Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUC-PR); Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTF-PR); INRIA (França); Universidade de Buenos Aires (Argentina). Aqui são apresentados os objetivos deste subprojeto e suas respectivas metas: Inferência de características da Internet através de medições - O funcionamento básico da Internet foi concebido com o objetivo de minimizar a complexidade dos mecanismos em seu interior, concentrando o controle e a adaptação nas extremidades de transmissão. Esse princípio permitiu a expansão da Internet para as suas dimensões atuais, porém também limitou a possibilidade de monitoração do comportamento dinâmico da rede. Atualmente, a Internet é um vasto conjunto de redes interconectadas, porém operadas por organizações distintas que, por vezes, são concorrentes entre si. Como uma consequência disso, muitos domínios não cooperam com iniciativas externas de medição de desempenho. No presente objetivo pretende-se investigar novas técnicas de metrologia de rede para a detecção de anomalias e a caracterização de tráfego, bem como a caracterização, modelagem e análise do desempenho de máquinas de busca. Essas áreas podem alavancar o desenvolvimento de novas aplicações impactando a engenharia de tráfego em um domínio IP e permitir um melhor planejamento de capacidade para agrupamentos computacionais dedicados à recuperação de informação, área de primordial importância no uso cotidiano atual da Internet. Esses pontos são fundamentais para se abrir perspectivas de uma melhor compreensão do uso da rede e para a definição de serviços inovadores a serem implementados sobre a infra-estrutura de rede. Para tanto, as seguintes metas são definidas: 1- Propor uma nova solução para o rastreamento de tráfego em larga escala na 18

20 Internet visando a sua proteção contra ataques; 2- Caracterizar, modelar e avaliar o desempenho de máquinas de busca para o desenvolvimento de um simulador capaz de auxiliar o planejamento de capacidade para um agrupamento computacional dedicado a este serviço; 3- Analisar a dinâmica de redes complexas, tais como redes formadas por aplicações par-a-par e de redes sociais na Internet. Auto-organização em redes ad hoc sem fio e redes de sensores - O interesse em redes sem fio ad hoc de sensores desperta diversos novos desafios, tais como o controle de topologia, a monitoração remota, o processamento de informações recolhidas, a agregação de dados e protocolos de roteamento ad hoc. Esses desafios demandam soluções que considerem as restrições típicas em termos de consumo de energia. Ao lidarmos com um grande número de nós que são distribuídos de forma aleatória na região de monitoração, torna-se inviável a projeção da configuração final da rede. Dado o posicionamento aleatório dos nós participantes, dois problemas fundamentais surgem: a manutenção da conectividade na topologia para comunicação (controle de topologia) e a identificação das posições geográficas dos nós para monitoração (localização). Esses são pontos fundamentais para viabilizar a formação de redes de monitoramento que podem ser aplicadas em contextos de telemedicina, por exemplo. Para alcançar este objetivo, ficam estabelecidas as seguintes metas: 4- Concepção de novos algoritmos para viabilizar a localização, auto-organização e gestão de dados em redes de sensores e redes ad hoc; 5- Realização de simulações para demonstrar o desempenho adequado de tais algoritmos frente aos fortes requisitos impostos por redes móveis. Arquitetura de software para supersistemas objetivo principal deste subprojeto na área de arquitetura de software para supersistemas é investigar e desenvolver técnicas para o projeto arquitetural de soluções de interoperabilidade que permitam a formação de supersistemas. O alvo principal do projeto são os supersistemas de informação em saúde, em particular aqueles passíveis de serem implementados no contexto do projeto INCTMACC. Para alcançar esse objetivo um conjunto de metas é estabelecido: 6- Investigação das soluções de interoperabilidade de sistemas de software existentes, incluindo as principais abordagens de projeto arquitetural presentes na literatura, com enfoque nas que deem suporte à evolução de sistemas; 7- Proposição de um arcabouço conceitual para o projeto arquitetural de soluções de interoperabilidade entre sistemas de software, considerando as diferentes abordagens de interoperabilidade encontradas na literatura; 8- Aplicação do arcabouço conceitual no desenvolvimento de soluções de interoperabilidade de dados entre sistemas de aquisição (nas áreas de atendimento médico emergencial e de vigilância epidemiológica) e sistemas de registro eletrônico de saúde; 9- Aplicação do arcabouço conceitual no desenvolvimento de soluções de interoperabilidade de dados e serviços entre sistemas de aquisição e sistemas para resolução de modelos computacionais; 10- Aplicação do arcabouço conceitual no desenvolvimento de soluções de interoperabilidade de dados, capacidades e serviços entre sistemas computacionais de alto desempenho. Resultados Esperados 19

21 Além do alcance das metas definidas na subseção anterior, pretende-se obter em termos de produção científica por ano: 2 artigos publicados em periódico qualificado; 4 artigos publicados em anais de evento científico qualificado com corpo de revisores; 1 implementação de software ligada aos objetivos do projeto Computação Massivamente Paralela Relevância do Tema A investigação científica de sistemas naturais, artificiais e socioculturais por meio da modelagem e simulação em computadores tem sido considerada como o terceiro pilar da ciência, complementando e estendendo teoria e experimentação. O avanço das plataformas de processamento de alto desempenho (PAD), em particular, tem modificado a forma de condução da investigação científica em diferentes áreas de pesquisa. Ao disponibilizar recursos que permitem a execução de software em taxas da ordem de Teraflops (10 12 operações de ponto flutuante por segundo), as plataformas de PAD atuais viabilizam a construção de aplicações de modelagem e simulação cada vez mais complexas, como as usadas em simulações multiescala, por exemplo. O cenário acima induz o pensamento de que aumentar continuamente a capacidade computacional das plataformas de PAD é suficiente para viabilizar a construção e a execução de aplicações de modelagem e simulação continuamente mais complexas. Contudo, a habilidade dos usuários de empregar eficientemente os recursos computacionais das plataformas de PAD atuais (e a surgir) na construção dessas aplicações é pelo menos tão importante quanto o aumento da capacidade computacional dessas plataformas. A experiência de grandes centros de supercomputação em outros países como NCSA, LBNL, TACC e SDSC nos EUA, por exemplo indica que o desenvolvimento de algoritmos, modelos, simulações e bibliotecas/componentes de software que conseguem tirar a maior vantagem possível da capacidade computacional das plataformas de PAD é tão desafiador quanto a própria construção dessas plataformas. Atualmente, são raras as aplicações que não precisam ser modificadas para escalarem ou seja, para terem um aumento de desempenho proporcional ao aumento da capacidade computacional da plataforma de PAD na qual essas aplicações executam. Além disso, essas aplicações são tipicamente desenvolvidas sem maiores preocupações com questões relacionadas a outros atributos de qualidade de software além de desempenho e escalabilidade, como nível de reuso, adaptabilidade, portabilidade e interoperabilidade, por exemplo. A desconsideração desses atributos de qualidade gera aplicações cujo tempo de desenvolvimento e manutenção é tipica e desnecessariamente longo. Dessa forma, o domínio da área de desenvolvimento de software massivamente paralelo torna-se imprescindível no rápido avanço da investigação científica de sistemas naturais, artificiais e socioculturais. Descrição do Projeto Este subprojeto contempla os seguintes tópicos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico relacionados à computação massivamente paralela: 20

22 Projeto de algoritmos massivamente paralelos e escaláveis, incluindo o emprego de técnicas eficientes de decomposição e mapeamento de tarefas e dados, maximizando a localidade de dados e minimizando o volume e frequência das interações entre componentes de software; Arquitetura de software paralelo, incluindo o emprego de padrões de projeto abstrações testadas ao longo do tempo em problemas recorrentes dentro de um contexto bem definido para auxiliar no projeto estrutural (distribuição física dos componentes de software) e comportamental (funcionalidade exposta pelos componentes) de aplicações paralelas, aumentando a qualidade geral do software dessas aplicações; Linguagens e arcabouços de programação de aplicações massivamente paralelas, incluindo suporte ao paralelismo de dados e de tarefas e à gerência explícita de localidade de memória, entre outras facilidades (por exemplo, Erlang, Charm++, Chapel, CUDA, OpenCL); Gerência de recursos e execução de aplicações paralelas, incluindo a organização dos dados e das aplicações dos usuários das plataformas de PAD e o acompanhamento remoto da execução dessas aplicações. Situação Atual Este subprojeto, recém-criado na estrutura do PCI/LNCC, está ligado diretamente ao SINAPAD (Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho), uma rede nacional de PAD geograficamente distribuída pelo Brasil, instituída pelo MCT e coordenada pelo LNCC. Esta rede abrange 8 parceiros institucionais (além do próprio LNCC, UFRGS, UNICAMP, CPTEC/INPE, COPPE/UFRJ, UFMG, UFPE e UFC) que hospedam CENAPADs (Centros Nacionais de PAD) em seus campi. Os CENAPADs oferecem atualmente à comunidade de ensino e pesquisa nacional uma capacidade computacional agregada da ordem de 42 Teraflops. Ainda em 2010 um novo parceiro institucional da região Norte deve se juntar ao SINAPAD, aumentando ainda mais a capacidade computacional agregada do sistema. Objetivos Este subprojeto tem dois objetivos principais: Avançar o estado da arte da área de desenvolvimento de software massivamente paralelo, com foco particular nos tópicos identificados na descrição deste subprojeto apresentada acima; Treinar cientistas da computação, matemáticos e engenheiros no desenvolvimento de software massivamente paralelo, com foco particular nas (mas não restrito às) áreas de pesquisa de interesse do LNCC, como medicina assistida por computação, biologia computacional, reservatórios de petróleo e de águas subterrâneas, entre outras. Resultados Esperados Os resultados esperados para este subprojeto decorrem diretamente dos objetivos 21

23 listados acima. Em particular, espera-se que novos algoritmos, arquiteturas de software, linguagens e arcabouços de programação e ferramentas de gerência de aplicações paralelas sejam desenvolvidos no âmbito deste projeto e disponibilizados ao corpo de pesquisadores e tecnologistas do LNCC e, por intermédio do SINAPAD, também ao restante da comunidade de pesquisa e ensino nacional BASES DE DADOS MASSIVOS Relevância do Tema Vários ramos das ciências estão se valendo da melhoria tecnológica nos instrumentos de captura de dados e no aumento da capacidade computacional e de armazenamento em cyberambientes de modo a permitir avanços importantes do conhecimento científico e tecnológico aplicados nos campos da medicina, astronomia, meteorologia e mesmo no esporte de competição. Um grande desafio que estes projetos, e de uma maneira mais ampla pesquisas científicas in silico, apresentam é a gerência, análise (processamento) e compartilhamento dos dados produzidos. O volume de dados produzido por projetos como estes pode chegar à ordem de petabytes. De natureza específica, petabytes de dados científicos não podem ser tratados como dados tradicionais para os quais sistemas de bancos de dados foram especificados. Tipicamente, aplicações científicas são do tipo grava-uma-vez-lê-várias, nas quais atualizações de dados são quase inexistentes. Por outro lado, do ponto de vista da representação de dados, consideram-se grades de estruturas espaço-temporais, vetores multidimensionais, além de longas, na ordem de milhões, sequências de caracteres. Estruturas complexas de dados não contam com mecanismos de indexação eficiente, obrigando o sistema a realizar longas buscas para encontrar o dado procurado. Se do ponto de vista da representação e do volume a gerência de dados científicos traz novos desafios, o reuso dos dados e dos elementos utilizados durante a pesquisa in silico carecem de suporte. Note-se que, em grandes projetos de pesquisa, o caráter colaborativo é essencial. Neste contexto, permitir que objetos de interesse já produzidos sejam encontrados pode ser determinante para o sucesso da pesquisa. De uma maneira geral, grandes volumes de dados científicos produzidos por workflows, carecem de mecanismo de gerência de arquivos e de registro de suas execuções. Estas últimas, consideradas cada vez mais como fundamentais para garantir a reprodutibilidade dos resultados obtidos. Para atender à busca por objetos, sistemas apoiados por descrições ontológicas do domínio da investigação, mas igualmente por descrições dos elementos do próprio experimento permitem o uso de inferência lógica no apoio à busca e mecanismos como os de generalização/ especialização, fundamentais em sua classificação dos objetos. Adicionalmente, a adoção de vocabulário comum, a partir de ontologias de domínio e de modelo de dados de suporte a tarefa de experimentação, facilita a interpretação e troca de dados e resultados. Do ponto de vista do processamento de dados, aplicações científicas utilizam ambientes de. Baseados na ordenação de tarefas de transformação e processamento de dados, cientistas buscam redução no tempo de execução do workflow através do processamento paralelo de tarefas. Os dados assim processados precisam ser particionados e distribuídos por entre os nós de processamento. Finalmente, em ciência é de suma importância fornecer os subsídios para reprodução de resultados obtidos, o que na área de gerência de dados passou a se chamar de proveniência dos dados. Suporte à proveniência de dados permeia vários elementos dos sistemas de gerência de dados, incluindo modelo de representação, sistema de armazenamento e linguagem de consultas. Neste contexto, uma indagação esperada exploraria a adequação dos sistemas de 22

24 gerência de bancos de dados atuais ao suporte à tais necessidades da área científica. De fato, a área de banco de dados vem desenvolvendo técnicas de gerência de dados científicos há bastante tempo, contando inclusive com uma conferência específica para a área. Em particular, o sistema Postgres delineou um caminho de extensibilidade, permitindo que tipos de dados adequados às aplicações científicas e funções do usuário fossem integradas a um sistema de gerência de banco de dados. As inovações introduzidas no projeto Postgres, desenvolvido pela Universidade Berkeley na Califórnia, até hoje representam um importante marco, porém insuficiente para atender as características enunciadas acima. Conforme registrado no relatório do Extreme Large Database Workshop que reuniu representantes da comunidade científica, da indústria e pesquisadores da área de banco de dados nenhum sistema atual atende às necessidades de gerência de dados das aplicações científicas. Descrição do Projeto O projeto, de caráter multidisciplinar na área de ciência da computação, pretende integrar resultados das áreas de ontologias, banco de dados, sistemas distribuídos e sistemas de workflow científico. Põe-se a criação de arcabouço integrado de software para gerência de modelos científicos e dados produzidos durante simulações computacionais: Representação de hipóteses científicas e sua integração com simulações computacionais - esta tarefa tem como objetivo investigar a introdução de hipóteses científicas em bancos de dados. Propor uma extensão aos modelos atuais que permitam sua expressão e integrar sua validação aos resultados produzidos em simulações computacionais. O modelo estendido com hipóteses deve permitir consultas e inferências; Gerência de metadados associados à hipóteses e modelos científicos - parte fundamental do apoio à investigação é o reuso de modelos computacionais, hipóteses e resultados de avaliações de modelos. Dois aspectos importantes sobressaem-se no suporte ao reuso, a busca por elementos que reproduzam um resultado esperado e o compartilhamento de objetos entre pesquisadores. Em ambos os aspectos, metadados descritivos dos elementos do experimento e descrições formais do domínio de realização do experimento permitem buscas semânticas dos elementos de interesse. Adicionalmente, a unificação da representação e do vocabulário empregado apoiam decisivamente o compartilhamento de dados. Nesta atividade serão investigadas linguagens para expressão de modelos científicos e mecanismos de associação de elementos da descrição do modelo aos conceitos ontológicos. Adicionalmente, serão estudados mecanismos de integração de consultas de metadados e inferências sobre as definições dos modelos científicos. Finalmente, serão investigados mecanismos de armazenamento de metadados em bancos de dados; Suporte à avaliação de simulações computacionais em uma grade simulações são requisições de avaliações de modelos computacionais utilizando-se de dados fornecidos como parâmetros de entrada aos programas e definições de condições iniciais. Nesta atividade, propõe-se a adoção de linguagens de alto nível à la datalog, estendido com algumas primitivas de controle de workflow. Pretende-se, desta forma, fornecer uma interface de alto nível declarativa aos usuários para expressão de simulações utilizandose das definições do modelo computacional. Simulações instanciarão modelos computacionais em uma máquina QEF. Sistema de gerência distribuída de arquivos resultantes de simulações, integrados 23

25 aos metadados das respectivas simulações; Gerência da evolução de modelos científicos e dados associados. Este projeto está associado ao gerenciamento de dados produzidos por pesquisas desenvolvidas no próprio LNCC e nos importantes projetos de que somos parceiros. O ambiente assim proposto se integrará as iniciativas já em andamento tanto na construção de um ambiente de grade computacional, como no projeto ComCiDis, quanto na infraestrutura de processamento de alto desempenho do SINAPAD. Situação Atual O LNCC aparece como ator importante deste novo cenário no contexto nacional participando de projetos inter-institucionais como centro de excelência em computação de desempenho e modelagem computacional. Neste campo, podemos citar a recente cooperação formalizada com o Observatório Nacional e CBPF com o objetivo de pesquisar e desenvolver tecnologia de apoio ao projeto Dark Energy Survey e o projeto de Laboratório de Ciência do Esporte, capitaneado pelo Comitê Olímpico Brasileiro e financiado pela FINEP, do qual o LNCC é o responsável pelo apoio em ciência da computação e modelagem computacional. Adicionalmente, O LNCC é o coordenador do Instituto de Medicina Assistida por Computação Científica (MACC) e responsável pela Unidade de Genômica Computacional. A área de banco de dados dá suporte à workflows científicos, com resultados no apoio a aplicações de visualização científica através do desenvolvimento do sistema CoDIMS, em parceria com a PUC-Rio, UFES e CEFET-PB. O CoDIMS é um sistema de middleware para execução de consultas e análises de dados extensível a novos algoritmos e estruturas de dados, em função das necessidades das aplicações científicas. Sua versão mais recente, renomeada QEF, será utilizada neste projeto como máquina de execução dos modelos computacionais. O projeto de um ambiente integrado para o suporte à exploração científica teve, em sua primeira versão, desenvolvida a proposta de representação de modelos científicos e de sua avaliação através de expressões conjuntivas de predicados de primeira ordem. A proposta, desenvolvida em cooperação com o Database Laboratory, EPFL, na Suíça, está sendo estendido para a representação e modelagem de hipóteses científicas no contexto do projeto Modelagem e Simulação Computacional do Sistema Cardiovascular Humano com Aplicação na Diagnose, Tratamento e Planejamento Cirúrgico de Doenças Cardiovasculares, submetido ao CNPq para o edital do plano de ação Brasil-Suíça, coordenado pelo Prof. Raul Feijóo. Considerando o ambiente de execução de modelos computacionais, desenvolvemos uma parceria com a COPPE/UFRJ e INRIA- Atlas, Montpellier, no projeto submetido ao edital CNPq de Convênios bilaterais de Cooperação Internacional CNPq INRIA Gerência de dados e tarefas em larga escala. Neste projeto, estudaremos a expressão de científicos em linguagens declarativas com otimização automática de execução de tarefas distribuídas em grades computacionais. Objetivos O projeto de pesquisa Bases de Dados Massivos tem por objetivo oferecer aos pesquisadores envolvidos na definição, criação, avaliação e validação de modelos científicos um ambiente integrado de gerência dos objetos digitais associados. Considerase importante a especificação de um modelo de dados que sirva de espinha dorsal para a integração da miríade de elementos produzidos no contexto de uma pesquisa científica. Neste sentido, o modelo proposto traz uma visão holística do projeto de pesquisa, 24

26 apoiando o pesquisador desde a enunciação de sua hipótese científica, passando pela execução eficiente de modelos computacionais construídos para simulação da hipótese até a validação e eventual evolução da hipótese científica. Pretende-se desta forma construir uma ponte entre os aspectos qualitativos dos dados envolvidos em uma pesquisa e os quantitativos, produzidos pelos modelos computacionais. Do ponto de vista qualitativo, a adoção de linguagens ontológicas oferece um arcabouço formal e computacional para representação do conhecimento na área sendo investigada, bem como no suporte à integração de informações produzidas durante a exploração científica e, eventualmente, compartilhada com outros pesquisadores. Adicionalmente, pretende-se gerenciar o conhecimento associado à hipóteses científicas. Estas últimas enunciam formalmente o problema sendo investigado. Por sua vez, integração quantitativa oferece mecanismos para validação de hipóteses científicas a partir da avaliação computacional dos modelos (i.e. simulações). Avaliações computacionais de modelos científicos tomam a forma de workflows científicos ou simulações em ambientes tais como Neuron ou Matlab. Adicionalmente, o projeto visa igualmente atender às necessidades de evolução dos modelos e dados associados guardando a relação evolutiva da pesquisa científica. Pode-se sintetizar a proposta de pesquisa nos seguintes vetores principais: Representação do conhecimento representação ontológica e de dados do domínio sendo investigado, integrada aos elementos da pesquisa científica: hipóteses, modelos científicos, modelos computacionais e dados produzidos; Avaliação eficiente de modelos computacionais expressão declarativa de workflows com instanciação automática e avaliação eficiente e adaptativa de modelos computacionais com dados e processos distribuídos em ambiente de grade computacional; Validação e evolução do conhecimento algoritmos de comparação entre resultados e confrontação com hipóteses. Evolução do conhecimento dados em função de novas descobertas. Resultados Esperados Durante o decorrer deste projeto, planejam-se obter os seguintes resultados específicos em termos de produção científica: Três publicações em periódicos indexados; Capítulo em Livro; Cinco publicações em conferências, workshops internacionais e nacionais; Software para gerência de dados massivos; Duas dissertações de mestrado; Uma tese de doutorado em andamento Informação e Computação Quântica Relevância do Tema Sabemos que a lei de Moore está dando seu suspiro final. Técnicas de paralelização estão sendo usadas como último recurso para manter o status quoda tecnologia baseada em silício. A miniaturização dos chips está chegando ao ponto que 25

27 efeitos quânticos danosos não podem mais ser evitados. Apesar da importância da computação nos mais variados aspectos da sociedade moderna, a real potencialidade dos computadores parece estar além do horizonte visível. É neste contexto que se insere a pesquisa básica e aplicada na área de informação computação quântica. Se as flutuações quânticas estão se tornando o pior inimigo para o desenvolvimento da capacidade dos computadores, então não está na hora de domar os efeitos quânticos para desenvolver máquinas mais rápidas? Um hardware que use as propriedades quânticas para processamento de informação requer inevitavelmente um novo tipo de software. Uma vez que a mudança do paradigma ocorreu na base, toda a estrutura da teoria deve ser generalizada ou modificada. Esta generalização está longe de ser trivial, por duas razões basicamente. Os algoritmos quânticos não podem ter a mesma eficiência dos clássicos, pois isso não justifica a construção do computador quântico. O ideal é que os algoritmos quânticos sejam exponencialmente mais rápidos. Sabe-se que nem todos os problemas têm algoritmos quânticos com ganho exponencial. Porém, estamos longe de determinar de forma geral quais problemas têm ganho exponencial e quais têm ganho polinomial. A segunda razão reside na própria dificuldade de elaboração dos algoritmos. Os algoritmos usam as características mais intrincadas da mecânica quântica e são formulados usando áreas avançadas da matemática. Atualmente, os algoritmos são desenvolvidos a partir das portas lógicas básicas descritos em termos de Álgebra Linear de espaços vetoriais finitos, que é a linguagem que generaliza a Álgebra Booleana em um certo sentido. Informação Quântica - a área da Informação Quântica surgiu com o reconhecimento de que a informação é uma grandeza física de relevância básica para a compreensão de fenômenos quânticos. De certa forma, esse conceito de informação clássica já estava presente na Física na entropia de Boltzmann, porém restrito à Termodinâmica. Os trabalhos de Shannon representaram um marco ao dar uma nova visão para a informação. Shannon quantificou a informação usada em comunicação e especificou matematicamente o quanto um texto, imagem ou qualquer meio de armazenamento pode ser comprimido de forma a ser restaurado posteriormente. A fórmula de Shannon foi estendida para o contexto quântico por Von Neumann. O teorema de Shannon para canais sem ruídos foi generalizado para a versão quântica por Schumacher. A versão quântica do teorema com ruído ainda é tema de pesquisa atualmente. Como um dos resultados mais relevantes, podemos citar o teorema de Holevo-Schumacher-Westmoreland, que estabelece qual é a capacidade de canais quânticos com ruídos. A possibilidade de construção de computadores quânticos de maior capacidade e os recentes avanços no desenvolvimento de canais quânticos, usados principalmente para demonstração de métodos de Criptografia Quântica, transformaram a Informação Quântica numa área de grande interesse prático. Principais Aplicações da Computação Quântica - Atualmente, é possível simular classicamente computadores quânticos com cerca de 30 qbits. Na construção do hardware quântico temos que levar em conta que pelo menos dois terços da memória principal deve ser usada para códigos de correção de erros. Assim, as novidades em termos de aplicação só virão quando computadores quânticos com mais de 100 qbits estiverem disponíveis. A primeira aplicação, sem dúvida nenhuma, será a quebra dos códigos de criptografia usados atualmente. Como contrapartida, a tecnologia quântica fornece novos métodos criptográficos muito mais seguros do que os clássicos, que poderão substituir em parte o uso da criptografia clássica. A resolução de problemas de otimização envolvendo grande quantidade de dados que não podem ser ordenados é outra promessa de aplicação. Mesmo que a área de algoritmos não tenha grande 26

28 sucesso, os computadores quânticos têm um papel essencial na simulação de sistemas físicos. Em particular, eles podem ser usados para simular sistemas moleculares com uma enorme gama de aplicações práticas, como, por exemplo, na área de bioinformática. A Nanotecnologia será uma das mais beneficiadas. Devido à codificação densa, a capacidade de comunicação através de canais quânticos será exponencialmente maior do que dispomos atualmente. Estas aplicações requerem o desenvolvimento de software. Descrição do Projeto e Situação Atual Este subprojeto visa desenvolver pesquisa nas áreas de Informação e Computação Quântica com foco nos seguintes objetivos: Desenvolver e analisar códigos quânticos de correção de erros. Desenvolver novos algoritmos quânticos baseados em passeios aleatórios quânticos. Desenvolver novos algoritmos quânticos baseados na metodologia do Problema do Subgrupo Oculto ; Desenvolver e analisar protocolos para criptografia quântica e analisar o impacto na criptografia clássica Dentro da área de Computação Quântica, o interesse está em pesquisas na área de software, a saber, desenvolvimento de algoritmos, códigos quânticos de correção de erros e suas aplicações. O maior sucesso da área de algoritmos quânticos são aqueles que resolvem problemas em Teoria de Grupos Computacionais: Passeios Aleatórios Quânticos - A área de passeios aleatórios quânticos surgiu com o trabalho de Aharonov, Davidovich e Zagury que mostraram como fazer uma implementação física do movimento de uma partícula de spin-1/2 em uma malha unidimensional que representasse uma versão quântica do deslocamento aleatório. É sabido desde o trabalho pioneiro de Einstein sobre movimento Browniano, que o desvio padrão do passeio aleatório clássico é proporcional a t (1/2), onde t é o tempo de deslocamento. No caso do passeio aleatório quântico, foi constatado que o desvio padrão é proporcional a t, de forma que a versão quântica pode se espalhar quadraticamente mais rápida. Versões alternativas de modelo de passeio quântico foram propostas por Fahri e Gutmann (usando uma variável temporal contínua) e e no trabalho desenvolvido por Aharonov (onde o operador de evolução é aplicado a tempo discreto). Esses trabalhos estimularam o uso de passeios aleatórios quânticos na elaboração de algoritmos mais eficientes do que as versões clássicas. No LNCC o prof. Renato Portugal analisou a evolução de passeios quânticos em redes bidimensionais com presença de ligações interrompidas. Esse modelo pode simular descoerência, quando a ligações são rompidas de forma aleatória ou pode simular condições de contorno quando a ligações são rompidas permanentemente em torno da fronteira. Usando esse modelo, simulou-se a passagem de uma partícula obedecendo um operador de passeios quânticos por fendas simples e duplas, com o objetivo de determinar a presença de difração e interferência em passeios quânticos. Recentemente, no LNCC, o investimento nesse problema tem se concentrado em algoritmos quânticos de busca em grafos. Analisou-se a descoerência de algoritmos de busca em malhas bidimensionais e hipercubos em um trabalho apresentado no Semish Está sendo realizada uma análise final de um algoritmo de busca em malhas hexagonais com o objetivo de achar o algoritmo ótimo em buscas bidimensionais. Também está sendo realizada uma análise do tempo de mistura em malhas bidimensionais com o objetivo de relacionar os algoritmos de busca com o tempo de 27

29 mistura em vez de usar o tempo de alcance. Algoritmos Quânticos com Ganho Exponencial - Vários novos algoritmos quânticos mais rápidos que os equivalentes clássicos têm sido desenvolvidos, porém, são os algoritmos exponencialmente mais rápidos que justificam investimento na cara e difícil tarefa de construção de um computador quântico. A maioria dos algoritmos quânticos de ganho exponencial pode ser classificada como um método para resolver o Problema do Subgrupo Oculto''. Esse problema consiste em achar os geradores de um subgrupo H de um grupo G finito conhecido. O Problema do Subgrupo Oculto surgiu como uma generalização do algoritmo de Shor. O primeiro sucesso nessa área foi a solução eficiente do problema abeliano, isto é, quando o grupo G é comutativo. Porém, o grupo de maior interesse prático é o grupo simétrico. A solução do Problema no grupo simétrico implica na solução eficiente do importante ``Problema de Isomorfismo de Grafos'', isto é, determinar se dois grafos são isomorfos ou não. Tal solução tem diversas aplicações práticas, como por exemplo, na determinação da configuração de proteínas no estado de energia mínima. O grupo simétrico é o mais difícil de ser atacado. A estratégia tem sido bem mais modesta. O Problema do Subgrupo Oculto foi resolvido eficientemente em diversos grupos não-abelianos que são de alguma forma próximos dos grupos abelianos. No LNCC, o investimento nesse problema tem sido bastante forte. A análise dos algoritmos à luz da Teoria da Informação pode ajudar no entendimento de quando é possível ter ganho exponencial ou não. A quantificação do emaranhamento parece ser a peça principal. Algoritmos como Grover e seus sucessores tiveram um ganho polinomial em relação aos correspondentes clássicos, e tudo indica que eles não usam estados altamente emaranhados, embora esse ponto não tenha ainda sido explorado adequadamente na literatura. Uma forte indicação disso é o fato de que o algoritmo de Grover usar apenas um sub-espaço real do espaço de Hilbert. Recentemente pesquisadores do LNCC apresentaram um novo algoritmo com ganho exponencial na prestigiosa conferência ''Workshop on Theory of Quantum Computation, Communication, and Cryptography'' O trabalho foi selecionado como uma da 15 apresentações orais. Nossa proposta é investigar grupos mais gerais como grupos nilpotentes de classe maior que 2. Todo o esforço é aproximar a pesquisa de grupos algébricos que tenham aplicações práticas como o grupo simétrico. Utilizou-se diversos métodos para atacar o problema, como classificação da estrutura dos subgrupos e transformada de Fourier abeliana e não-abeliana. Códigos Quânticos de Correção de Erros - A correção de erros é possível de ser feita quando armazenamos dados de forma redundante. Se o erro for suficientemente pequeno, podemos detectá-lo e corrigi-lo. A área de códigos quânticos de correção de erros surgiu com o trabalho pioneiro de Shor e de Steane. Se usamos um qbit de para armazenar informação, Shor mostrou um circuito quântico usando 9 qbits (a redundância é 9 vezes o número de qbits original da mensagem) que preserva a informação seja qual for o erro sofrido por um único qbit. Apesar desse resultado ser ineficiente na prática, pois a mensagem codificada tem 9 vezes o tamanho original, Shor mostrou que a correção quântica de erros é viável em termos teóricos, eliminando mais uma das barreiras teóricas que poderiam inviabilizar o conceito de computação quântica. Códigos quânticos de correção de erros rapidamente se tornou uma área da Informação Quântica a partir do trabalhos que estabeleceram as condições de existência de uma operação quântica de correção, os trabalhos sobre códigos estabilizadores e os trabalhos que reduziram a redundância de 9 qbits para 5 qbits. Nosso interesse nessa área vai em direção ao método de "correção quântica de operadores" introduzido por Kribs, Laflamme e Pulin. Recentemente, A. Kempf e colaboradores generalizam esse método permitindo que os vínculos atuem não somente aos estados quânticos, mas também aos observáveis. Esse 28

30 novo método promete uma melhora na eficiência da correção de erros. Nossa proposta é analisar aplicações desse método para o controle do fluxo da informação na aplicação desses métodos. Em uma tese de doutorado desenvolvida no LNCC está se desenvolvendo um protocolo de correções quântica de erro dentro do método de operadores usando a representação de Heisenberg. Os seguintes projetos de pesquisa aprovados pelo CNPq estão associados a este subprojeto: (i) Projeto "Algoritmos Quânticos" financiado pelo Edital Universal 14/2009 por 2 anos; (ii) Projeto "Algoritmos Quânticos" financiado pela bolsa de produtividade 03/2009 por 3 anos. Objetivos Os objetivos gerais do projeto são desenvolver pesquisas nas área de computação quântica, publicar os resultados em periódicos de circulação internacional e em anais de congressos da área, orientar e formar alunos de doutorado, mestrado e iniciação científica, escrever livros didáticos, elaborar material de divulgação introdutório na área, e apresentar palestras e seminários sobre o tema para diversos fórums. Os objetivos específicos são: Desenvolver e analisar novos algoritmos quânticos baseados em passeios aleatórios quânticos com foco em problemas de busca em grafos; Desenvolver novos algoritmos quânticos quânticos baseados na metodologia do Problema do Subgrupo Oculto, em particular, investir em grupos de interesse prático como é o caso do grupo diedral e simétrico; Desenvolver novos protocolos e algoritmos para correção quântica de erros; Desenvolver e analisar protocolos de criptografia quântica. Resultados Esperados Além dos itens especificados na parte de objetivos os resultados científicos esperados deste subprojeto são: Publicação de 1 livro sobre algoritmos quânticos (estimativa 300 páginas); Publicação de 4 artigos em periódicos de circulação internacional; Publicação de 4 artigos em conferências nacionais e internacionais; Publicação de 1 artigo de divulgação científica; Defesa de 2 teses de doutorado; Defesa de 1 dissertação de mestrado; Apresentação de palestra ou seminário a cada 6 meses Visualização Científica, Ambientes Virtuais Colaborativos e Realidade Virtual Relevância do Tema Nas últimas décadas, observou-se um interesse crescente na aplicação de recursos 29

31 computacionais para auxiliar na solução de complexos problemas em bioengenharia. Em geral, estes problemas demandam um esforço multidisciplinar, com equipes das áreas de engenharia, processamento de imagens, visualização e medicina. Esta característica obriga grupos de pesquisa a se associarem com o intuito de aglutinar competência para tratar convenientemente os problemas em questão. Na área de visualização científica, existem três aspectos fundamentais para o contexto deste projeto: a) Geração de modelos digitais a partir de imagens 3D, b) Previsibilidade de resultados, c) Integração de ferramentas computacionais com bancos de dados para facilitar acesso e analise colaborativa de casos. O primeiro item demanda técnicas de segmentação/visualização de imagens e modelagem geométrica. O item seguinte necessita de modelos de tecidos biológicos, baseado em técnicas de modelagem computacional, para a simulação de estruturas anatômicas e articulações. O terceiro item pode ser implementado via ambientes virtuais colaborativos. Por outro lado, o enorme desenvolvimento científico-tecnológico alcançado nestas últimas décadas, aliado ao rápido desenvolvimento das estações gráficas, permite que grandes massas de dados obtidas em simulações computacionais sejam transformadas em primitivas gráficas e posteriormente visualizadas em um dispositivo conveniente usando técnicas da visualização científica ou realidade virtual. Este fato se verifica tanto na bioengenharia quanto na área de petróleo, este último, sendo também um tema de interesse no LNCC. Nas últimas décadas, temos também observado que técnicas e modelos em Mecânica do Contínuo vêm sendo aplicados com sucesso tanto em computação gráfica quanto em processamento de imagens. Por exemplo, equações do tipo Navier-Stokes são utilizadas na geração de animações para a indústria cinematográfica e equações do tipo difusão-reação foram aplicadas em processamento de imagens. Finalmente, Ambientes Virtuais Colaborativos (AVCs) permitem que usuários localizados em posições geográficas distintas colaborem através de uma simulação de um mundo sintético controlado por computadores, utilizando uma infra-estrutura de comunicação tal como a Internet. Ambientes Virtuais Colaborativos tem sido, historicamente, aplicados a diversas áreas do conhecimento, tais como simulação militar de combate para treinamento de tropas, design e engenharia, treinamento em geral, engenharia de software, medicina, etc. Tais aplicações, se imersivas, podem incluir um nível a mais de realismo em uma simulação, permitindo que o usuário tenha uma experiência similar àquela que o mesmo teria em similar situação no mundo real. Descrição do Projeto O presente projeto tem como finalidade principal dar continuidade às atividades de pesquisa e desenvolvimento realizadas no período , no contexto da visualização científica, realidade virtual e ambientes virtuais colaborativos. Assim sendo, pretende-se continuar com o desenvolvimento de algoritmos e sistemas computacionais para análise de imagens médicas, visualização de dados científicos e animação computacional de sistemas contínuos. Estes temas envolvem basicamente técnicas de processamento de imagens, computação gráfica e modelagem de sistemas contínuos para animação computacional. Por outro lado, este projeto objetiva também explorar a utilização de Ambientes Virtuais Colaborativos (AVC) e de Realidade Virtual na área médica. A meta é a exploração de ambientes colaborativos, imersivos ou não, em implementações de serviços de treinamento, monitoração, conferência, planejamento, bem como eventualmente a telemanipulação. Tais implementações provêm maior grau de realismo quanto melhores forem os modelos computacionais utilizados. O aprendizado médico hoje 30

32 acontece através de interação dos alunos diretamente com pacientes. Em alguns procedimentos (cirurgias especialmente) os pacientes sofrem um certo risco de vida, haja visto que os alunos ainda não possuem a necessária experiência. Do mesmo modo que pilotos de avião aprendem a pilotar em um simulador de vôo, só operando a aeronave em si após completa um currículo mínimo no simulador, alunos de medicina poderiam receber treinamento metódico e completo através de simulações realistas. Na etapa seguinte, operando pacientes reais, a experiência acumulada no simulador minimiza o risco de acidentes graves. Em conjunção com técnicas de aquisição e processamento de imagens e reconstrução de objetos é possível desenvolver um sistema que permita que um modelo 3D de um paciente seja gerado a partir de imagens médicas de tomografia computadorizada, por exemplo, e compartilhada por um grupo de médicos remotamente localizados. Tal simulação permitiria que um grupo de especialistas, distribuídos geograficamente, pudesse se reunir para estudo de anatomia, discutir um determinado caso médico, ou até treinar ou planejar um procedimento cirúrgico através da simulação, que pode ser modelada para permitir uma simulação cirúrgica realista. Indo ainda mais adiante, através de uma simulação de um mundo sintético como o descrito acima em conjunção com técnicas de robótica pode eventualmente permitir a realização de telecirurgia, onde especialistas distribuídos geograficamente podem interagir com o modelo virtual que refletiria o paciente. Braços mecânicos robóticos poderiam remotamente auxiliar (ou mesmo realizar) o procedimento cirúrgico através do controle do grupo de especialistas. Pode-se facilmente verificar a multidisciplinaridade desta proposta. O desenvolvimento de software é fundamental para a transferência de tecnologia para os profissionais da área médica a fim de viabilizar o uso das ferramentas desenvolvidas para planejamento de procedimentos terapêuticos e previsibilidade de resultados. Finalmente, as atividades de formação de recursos humanos constituem um derivado importante das atividades contempladas uma vez que estas áreas têm a participação de alunos do Programas de pós-graduação do Laboratório Nacional de Computação Científica, bem como graduandos de outras instituições que realizam trabalhos de iniciação científica no LNCC. Situação Atual O presente projeto manterá atividades de cooperação científica entre pesquisadores e colaboradores do LNCC, atuando no Laboratório de Ambientes Colaborativos e Multimídia Aplicada (ACiMA) e no Laboratório de Visualização Científica e Realidade Virtual, e pesquisadores das seguintes instituições do país e do exterior: Centro Universitário da FEI (São Bernardo do Campo SP) Universidade Estadual de Feira de Santana (Bahia) Universidade Federal do Rio Grande do Norte Universidade Federal do Paraná Instituto de Engenharia de Sistemas e Computação do Porto (Porto, Portugal) Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (Porto, Portugal) Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS) Instituto Militar de Engenharia (IME) Universidade de Ottawa (Canadá) Objetivos 31

33 O presente projeto tem como pilares as áreas de visualização científica, realidade virtual e ambientes virtuais colaborativos. Na área da visualização científica, nosso foco á animação computacional e aplicações na área da saúde e análise de dados científicos. Na área de Ambientes Virtuais Colaborativos (AVC), o projeto ora proposto objetiva explorar a utilização destes ambientes como sistemas de apoio a telemedicina em geral. A meta é a exploração de ambientes colaborativos imersivos (ou não-imersivos) em implementação de serviços de treinamento, monitoração, conferência, planejamento cirúrgico e discussão de casos médicos, bem como eventualmente a telemanipulação na área médica. As atividades destas áreas estarão direcionadas para os seguintes objetivos específicos: Pesquisa em técnicas para visualização volumétrica via volume rendering; Desenvolvimento de modelos computacionais para animação e modelagem de faces; Rendering de faces via imagens com aplicações na manufatura de próteses faciais; Aplicações de técnicas da área de otimização topológica (derivada topológica) e equações diferenciais parciais para processamento de imagens; Desenvolvimento de métodos de classificação baseados em técnicas de aprendizagem estatística (MLDA, SVM, Redes Neurais, etc.) com aplicações em imagens médicas; Integração das técnicas de derivada topológica e métodos de conjuntos de níveis para reconstrução de superfícies em imagens 3D; Modelagem e animação de tecidos via métodos multi-escala; Aplicações de Wavelets, morfologia matemática e entropia para Processamento de Imagens; Animação computacional de fluidos; Criar Ambientes Virtuais Colaborativos (AVC) multidisciplinares para apoio à área médica. Os protótipos que se prevê o desenvolvimento são: - Protótipo A Teletreinamento: Atlas de Anatomia 3D Colaborativo Imersivo. - Protótipos B1, B2, etc. Teletreinamento médico específico. Prevê-se no momento simulações de alguns procedimentos cirúrgicos ou laboratoriais tais como: (i) Videolaparoscopia; (ii) Endoscopia; (iii) Revascularização cardíaca. - Protótipo C Planejamento cirúrgico. - Protótipo D Conferência e discussão de casos médicos. - Protótipo E Telemanipulação e experimentos em telecirurgia. Criar, difundir e consolidar a cultura na área de Ambientes Virtuais Colaborativos nas instituições envolvidas neste projeto; Explorar imersão na elaboração de Ambientes Virtuais Colaborativos imersivos em CAVE; 32

34 Avaliar técnicas de interação para ambientes virtuais colaborativos; Criação de técnicas inovadoras de navegação multiescalar: Serão desenvolvidas formas de navegação multiescalar pelo corpo humano, onde o aluno poderá navegar intuitivamente em diferentes escalas dentro do corpo humano, desde o nível de tecidos e órgãos até o nível intracelular; Pesquisar técnicas de exibição de informações abstratas; Assegurar a formação de recursos humanos especializados nos temas de pesquisa descritos neste projeto; Desenvolvimento de software. Resultados Esperados Contribuição Científica: As técnicas sendo pesquisadas são reconhecidamente inovadoras. Por outro lado, os softwares a serem desenvolvidos integram recursos importantes nas áreas envolvidas. Espera-se desenvolver protótipos de Realidade Virtual Colaborativa de apoio à área médica. Tais protótipos serão desenvolvidos para utilização na Internet atual, não exigindo, portanto, infra-estrutura especial de distribuição de informação; Os principais beneficiários da criação destes protótipos seriam as instituições do instituto, que estariam adquirindo experiência com a tecnologia, e em especial as instituições da área médica que devem utilizar alguns dos protótipos em projetos piloto; Desejamos contribuir para a consolidação da área de pesquisa em Ambientes Virtuais Colaborativos nas instituições envolvidas; Impacto: Todos os projetos do LNCC envolvendo visualização, segmentação de imagens e realidade virtual ( serão beneficiados com os recursos em desenvolvimento; Mérito técnico-científico: O projeto em questão implica em novas pesquisas em visualização de dados, realidade virtual e processamento de imagens e animação computacional; Relevância social e econômica: A importância social do projeto se deve principalmente ao impacto das ferramentas computacionais a serem desenvolvidas. Em particular, estas ferramentas serão úteis tanto para análise de imagens maxilo-faciais como também para os projetos de hemodinâmica computacional, geração de modelos digitais de próteses craniofaciais e simulações para indústria de petróleo e medicina em desenvolvimento no LNCC. Neste sentido, os softwares a serem desenvolvidos têm grande valor econômico e poderão ser produtos comerciais desde que sejam feitos os investimentos necessários; Formação de Recursos Humanos: Os temas de pesquisa em questão estão sendo desenvolvidos com a participação de alunos da pós-graduação do LNCC e das instituições parceiras, bem como alunos de faculdades da região e das instituições envolvidas com bolsas de Iniciação Científica (IC); Trabalhos orientados em Iniciação Científica, Mestrado e Doutorado acadêmicos; Publicação em conferências nacionais/internacionais dos resultados alcançados; Publicação em periódico da parte mais formal do projeto. 33

35 5.3.3 Biologia Computacional Este Projeto Estruturante de Pesquisa está subdividido em 3 grandes linhas de pesquisa: (I) Bioinformática, (II) Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos e (III) Modelagem e Métodos Matemáticos em Biossistemas, os quais são descritos a seguir: (I) Bioinformática Relevância do Tema A tecnologia de nova geração de sequenciamento de ADN tem permitido um grande aumento no volume e velocidade de informação genômica, produzindo muitos gigabases com a realização de múltiplos experimentos em escala genômica em um curto intervalo de tempo. Também é grande o volume e a variedade de proteínas estudadas e que apresentam detalhes quanto a sua estrutura e função disponíveis na literatura científica. Consequentemente, a tarefa de análise destes dados tem se tornado cada dia mais inviável pelos métodos laboratoriais conhecidos. Para enfrentar este problema, verifica-se, na atualidade, uma crescente interação entre a biologia molecular, a ciência da computação e a matemática. O reconhecimento de que somente tal interação poderá enfrentar, com sucesso, esse problema levou a moderna integração de especialistas daquelas áreas, criando um campo comum de atividades, a bioinformática, ou biologia computacional. O desenvolvimento de métodos computacionais eficientes e sensíveis para a análise de bancos de sequências de ADN e de proteínas é hoje importante e necessário. A análise teórica de sequências de nucleotídeos e de proteínas compreende um largo espectro, desde algoritmos simples até os mais complexos, desenvolvidos para processadores paralelos avançados. O Laboratório de Bioinformática (LABINFO- foi criado no ano de 2000, pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) e, desde então, tem recebido o apoio do Programa de Biotecnologia e Recursos Genéticos deste Ministério. Este laboratório tornou-se centro de referência na área de Bioinformática e tem como missão realizar pesquisa e desenvolvimento em Bioinformática e Biologia Computacional, com ênfase na criação e aplicação de modelos e métodos matemáticos e computacionais para a solução de problemas biológicos. Além disto, desenvolver e manter bancos de dados biológicos e ferramentas de Bioinformática e Biologia Computacional para suprir as necessidades das redes temáticas e projetos de cooperação nacional e internacional, bem como formar recursos humanos e promover transferência de tecnologia e inovação. Desde sua criação, o LABINFO passou a ser o centro de Bioinformática para duas Redes genômicas: BRGENE (Projeto Genoma Brasileiro - composta por 33 laboratórios, e PIGS (Projeto Genoma do Sul - composta por 10 laboratórios e, como tal, é responsável pelo recebimento, armazenamento e gerenciamento das sequências de ADN enviadas pelos laboratórios de sequenciamento que participam das duas Redes. As tarefas do LABINFO para montagem abrangem desde a análise da qualidade das sequências submetidas até a divulgação das estatísticas referentes ao andamento do desenvolvimento do projeto em relação aos grupos participantes. Para a montagem e anotação automática de genomas é utilizado o software SABIÁ: System of Automated Bacterial (genome) Integrated Annotation, que foi desenvolvido no LABINFO. Este é o primeiro software capaz de integrar a montagem à anotação de genomas, sendo que esta abordagem constitui-se num diferencial das anotações rotineiramente realizadas por outros projetos similares. O SABIA é distribuído hoje, sob licença, aos pesquisadores interessados, de instituições acadêmicas nacionais 34

36 e internacionais. O LABINFO também é responsável pelo desenvolvimento de várias bases de dados sobre diversos temas (MamiBase, TaxVibrio, Probacter, BMRC, TractorDB, CTpedia, SDDB, The Cancer-Testis (CT) Antigens entre outros) e que se encontram disponíveis no website A formação de Recursos Humanos é um dos compromissos do LABINFO. Em 2002, o LABINFO iniciou, em caráter pioneiro no país, o curso de especialização lato sensu em Bioinformática, para suprir a falta de pessoal qualificado na área. Desde 2005 foram incorporadas novas disciplinas na linha de pesquisa em Bioinformática e Biologia Computacional com a finalidade de ampliar o programa em Modelagem Computacional de Biossistemas e Bioinformática de forma a atender especificamente a ampla multidisciplinaridade característica dessa área. As disciplinas são ministradas em parceria com o Departamento de Genética da Universidade Federal do Rio de Janeiro. O LABINFO também foi responsável em abrigar o Curso Internacional de Bioinformática financiado pelo ICGEB, por 2 anos e o Workshop: Comparative Microbial Genomics and Taxonomy, durante os 4 últimos anos consecutivos, atendendo ao público nacional e internacional. Treinamento técnico também é dado através do Programa de treinamento técnico do CNPq oferecendo bolsas a jovens interessados no desenvolvimento e utilização de softwares. Para todas as instituições associadas aos diferentes projetos o LABINFO oferece ainda treinamento nas ferramentas desenvolvidas e que serão utilizadas localmente nos institutos participantes das redes. Em 2008, foi criada a Unidade de Genômica Computacional Darcy Fontoura de Almeida (UGCDFA), sendo esta uma Unidade Multiusuário, destinada a atender os projetos genomas de todo o país. Assim, um ambiente de desenvolvimento de pesquisa em Genômica Computacional, associado ao LABINFO, utilizando a infra-estrutura de Computação de Alto desempenho do LNCC/MCT, foi instalado. Descrição do Projeto Desde sua criação, em 2000, o Laboratório de Bioinformática (LABINFOhttp:// tornou-se centro de referência na área de Bioinformática e tem como missão realizar pesquisa e desenvolvimento em Bioinformática e Biologia Computacional, com ênfase na criação e aplicação de modelos e métodos matemáticos e computacionais para a solução de problemas biológicos. Além disto, desenvolver e manter bancos de dados biológicos e ferramentas de Bioinformática e Biologia Computacional para suprir as necessidades das redes temáticas e projetos de cooperação nacional e internacional, bem como formar recursos humanos e promover transferência de tecnologia e inovação. Além disto, promover difusão do conhecimento na área através de publicações científicas regulares em periódicos indexados para fortalecer relações com parceiros de maior relevância. Graças à visibilidade hoje alcançada, o LABINFO tem sido convidado a participar de vários projetos, de âmbito nacional e internacional, nas áreas de genômica e de proteômica, tais como: Fixação Biológica de Nitrogênio, Rede Brasileira de Pesquisas sobre o Câncer, Rede BRGENE, Rede Genesul, Xylella fastidiosa, Metagenoma NE, Trypanosoma cruzi, Crithidia deanei, Expressão de micrornas em linfomas humanos de células T, Análise comparativa de redes metabólicas de bactérias endossimbiontes em insetos, Sequenciamento de isolados do vírus H1N1, Análise genômica de bactérias isoladas de infecções hospitalares, Metagenoma do rúmen, entre outros. Em muitos destes projetos, o LABINFO atua na coordenação geral e, como tal, é responsável pelo recebimento, armazenamento e gerenciamento das sequências de ADN enviadas pelos laboratórios de sequenciamento participantes. As tarefas do LABINFO para montagem abrangem desde a análise da qualidade das sequências submetidas até 35

37 a divulgação das estatísticas referentes ao andamento do desenvolvimento do projeto em relação aos grupos participantes. Para a montagem e anotação automática de genomas é utilizado o software SABIÁ: System of Automated Bacterial (genome) Integrated Annotation, o qual foi desenvolvido no LABINFO. A tecnologia de nova geração de sequenciamento de ADN tem permitido um grande aumento no volume e velocidade de informação genômica, produzindo muitos gigabases com a realização de múltiplos experimentos em escala genômica em um curto intervalo de tempo. Também é grande o volume e a variedade de proteínas estudadas e que apresentam detalhes quanto a sua estrutura e função disponíveis na literatura científica. Consequentemente, a tarefa de análise destes dados tem se tornado cada dia mais inviável pelos métodos laboratoriais conhecidos. O desenvolvimento de métodos computacionais eficientes e sensíveis para a análise de bancos de sequências de ADN e de proteínas é hoje importante e necessário. A análise teórica de sequências de nucleotídeos e de proteínas compreende um largo espectro, desde algoritmos simples até os mais complexos, desenvolvidos para processadores paralelos avançados. Em 2008, foi criada a Unidade de Genômica Computacional Darcy Fontoura de Almeida (UGCDFA), sendo esta uma Unidade Multiusuário, destinada a atender os projetos genomas de todo o país. Assim, um ambiente de desenvolvimento de pesquisa em Genômica Computacional, associado ao LABINFO, utilizando a infra-estrutura de Computação de Alto desempenho do LNCC/MCT, foi instalado. Dentro deste contexto, o objetivo maior do LABINFO e da UGCDFA é dinamizar, por meio de projetos de pesquisa, as relações com instituições nacionais e internacionais que atuam na área de Bioinformática e Biologia Computacional, com a sedimentação de redes para gerar novos conhecimentos e tecnologias na área. O desafio da UGCDFA e do LABINFO é o de melhorar os softwares desenvolvidos pelo LABINFO, para poder tratar a enorme quantidade de dados de sequenciamento de genomas que estão sendo gerados. Deste modo, tem como objetivo o desenvolvimento de novos algoritmos e ferramentas para fornecer suporte ao processo de montagem, análise e anotação de genomas, metagenomas e transcriptomas. Outra meta é a de consolidar, junto com os pesquisadores parceiros da BRGENE, uma Rede Brasileira de Bioinformática e de Genômica (RB2G), que terá por objetivo dar suporte na área de genômica e de bioinformática aos grupos de pesquisa participantes das Redes (Nacional, Regionais e Internacionais) e dos novos grupos emergentes em várias áreas. A formação de Recursos Humanos também é um dos compromissos do LABINFO. Em 2002, o LABINFO iniciou, em caráter pioneiro no país, o curso de especialização lato sensu em Bioinformática, para suprir a falta de pessoal qualificado na área. Desde 2005 foram incorporadas novas disciplinas na linha de pesquisa em Bioinformática e Biologia Computacional com a finalidade de ampliar o programa em Modelagem Computacional de Biossistemas e Bioinformática de forma a atender especificamente a ampla multidisciplinaridade característica dessa área. As disciplinas são ministradas em parceria com o Departamento de Genética da Universidade Federal do Rio de Janeiro. O LABINFO também foi responsável em abrigar o Curso Internacional de Bioinformática financiado pelo ICGEB, por 2 anos e o Workshop: Comparative Microbial Genomics and Taxonomy, durante os 4 últimos anos consecutivos, atendendo ao público nacional e internacional. Treinamento técnico também é dado através do Programa de treinamento técnico do CNPq oferecendo bolsas a jovens interessados no desenvolvimento e utilização de softwares. Para todas as instituições associadas aos diferentes projetos o LABINFO oferece ainda treinamento nas ferramentas desenvolvidas e que serão utilizadas localmente nos institutos participantes das redes. Situação Atual 36

38 Desde agosto de 2004 até o presente, O LABINFO mantém o projeto de anotação de proteínas bacterianas BRAPAPAP- (BRAzilian PAthogenic Proteins Annotation Project), em colaboração com o grupo Swiss-Prot (Swiss Institut of Bioinformatics ISB). O grupo Swiss-Prot mantém o Banco de Dados UniProt Knowledgebase (UniProtKB), que agrupa o maior conjunto de informações sobre proteínas no mundo. Este projeto tem por objetivo estabelecer no Brasil um grupo de pesquisadores bem treinados cuja missão é analisar e curar através de ferramentas de bioinformática e da literatura, as informações de proteínas bacterianas dentro do contexto do projeto HAMAP ( High-quality Automated and Manual Annotation of microbial Proteomes ). Até o presente momento, proteínas foram anotadas e integradas no Banco de Dados UniProt Knowledgebase, seção Swiss-Prot ( pelo grupo Swiss-Prot/HAMAP-Brasil. As proteínas anotadas são de organismos considerados modelos, tais como Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Mycobacterium, Bacillus subtilis entre outros. Deste modo, o LABINFO, conta com a experiência e ajuda de pesquisadores qualificados para a realização da anotação de genomas. Além desses projetos, o LABINFO está envolvido na coordenação geral de outros projetos e, graças à visibilidade alcançada, tem sido convidado a participar de vários projetos nas áreas de genômica e de proteômica, que se encontram resumido abaixo: Fixação Biológica de Nitrogênio (Biological Nitrogen Fixation - BNF) - O Projeto Fixação Biológica de Nitrogênio tem por objetivo conduzir pesquisa básica em fixação biológica do nitrogênio, com ênfase na simbiose em leguminosas. Dentre as linhas de pesquisa do projeto, estão o seqüênciamento dos genomas das estirpes de Rhizobium tropici PRF 81 (=SEMIA 4080), utilizada em inoculantes comerciais para a cultura do feijoeiro, de Bradyrhizobium japonicum CPAC 15 (= SEMIA 5079), recomendada comercialmente para a cultura da soja, além do plasmídeo simbiótico da estirpe CFN 299 de R. tropici. Outra linha são os estudos de taxonomia e filogenia de rizóbios microssimbiontes de leguminosas. O conhecimento obtido com este projeto poderá contribuir no aumento da eficiência de fixação biológica do nitrogênio em cultivos de soja, feijão e de outras leguminosas de importância econômica e social para o Brasil. Este projeto é desenvolvido em parceria com a Dra. Mariangela Hungria da Cunha, do Laboratório de Biotecnologia do Solo da Embrapa Soja, Londrina, Paraná. website: BRGENE - O BRGENE tem como objetivo ampliar a competência e as atividades de pesquisa em genômica e bioinformática em escala nacional. A Rede também visa à formação de recursos humanos especializados, assim como o estabelecimento de projetos de colaboração multi-institucionais. Os organismos já seqüenciados pela Rede são Chromobacterium violaceum e Mycoplasma synoviae. Recentemente, a Rede finalizou o seqüenciamento parcial do genoma do Anopheles darlingi, o mosquito transmissor da malária no América do Sul e, atualmente, os grupos integrantes estão analisando as informações geradas pelo sequenciamento para a publicação de um artigo científico. A rede BRGENE esta integrada pelas seguintes instituições: Ludwig Institute for Cancer Research, Universidade Federal do Rio Grande do Sul/ Centro de Biotecnologia do Estado do Rio Grande do Sul, Universidade Federal de Goiás/Laboratório de Biologia Molecular, Universidade Federal do Alagoas/Centro de Ciências Exatas e Naturais, EMBRAPA- Milho e Sorgo, Universidade Federal de Santa Catarina/Centro de Ciências Biológicas Depto. de Microbiologia e Parasitologia, Universidade Federal do Paraná/Depto. de Bioquímica Setor de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais/Instituto de Ciências Biológicas - Depto. de Biologia geral, CPQBA/UNICAMP - Divisão de Recursos Microbianos, Instituto Nacional do Câncer, 37

39 PUCPR Centro de Ciências Agrárias e Ambientais, Departamento de Tecnologia Laboratório de Bioquímica e de Biologia Molecular(LBM) Universidade Estadual Paulista- UNESP, INPA/ Laboratório de Biologia Molecular, UESC/ Depto. de Ciências Biológicas - Lab. de Genética e Biologia Molecular, UFRN/Centro de Biociências- Depto. de Biologia Celular e Genética Lab. de Mutagênese - Campus Universitário- Lagoa Nova, UNICAMP/Microbiologia e Imunologia - Instituto de Biologia, Universidade Federal do Pará/CCB, UnB/ ICB - Depto. de Biologia Celular Laboratório de Biologia Molecular ICC, EMBRAPA/ Centro Nacional de Pesquisa da Soja EMBRAPA, Universidade Federal do Pernambuco/Depto. de Biologia - Área de Genética, Universidade Católica de Brasília/ Laboratório de Biotecnologia Genômica, PUCRio Grande do Sul/ Faculdade de Biociências - Centro de Biologia Genômica e Molecular, Universidade Federal de Minas Gerais/ ICB - Depto. de Bioquímica e Imunologia, UFAM -Universidade Federal do Amazonas/Centro de Apoio Multidisciplinar Laboratório de Tecnologias de DNA, UFC/ Centro de Ciências, Departamento de Biologia - Lab. de Citogenética e Genética Molecular, URFJ/Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho Programa de Biofísica. website: Genesul A Rede Sul de Análise de Genomas (Genesul) estuda genomas que estão relacionados à saúde animal, especialmente àqueles de agentes infecciosos de suínos. Os genomas de Mycoplasma hyopneumoniae J (ATCC) e M. hyopneumoniae 7448 já foram completamente seqüenciados. A análise destes genomas proporcionou a identificação de possíveis alvos para o desenvolvimento de testes diagnósticos e de vacinas. Genomas de outros isolados bacterianos estão sendo analisados para se determinar a existência ou não de variabilidade genética. A Rede, atualmente, está seqüenciando o genoma de M. hyopneumoniae Esta rede está constituída pelas seguintes instituições: Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, Programa Interdisciplinar de Pós-Graduação em Computação Aplicada (PIPCA), Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS), Instituto de Informática, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Instituto de Biociências (UFRGS), Centro de Biotecnologia - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Protozoologia, Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Naturais e Exatas da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Departamento de Bioquímica, Universidade Federal do Paraná, Laboratório de Biologia Molecular Aplicada à Agropecuária - Pontificia Universidade Católica do Paraná, Departamento de Tecnologia Laboratório de Bioquímica e de Biologia Molecular (LBM) Universidade Estadual Paulista-UNESP, Departamento de Biotecnologia - Universidade Federal de Pelotas (UFPel), Instituto de Biologia Molecular do Paraná (IBMP) FIOCRUZ, Faculdade de Agronomia - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Faculdade de Biociências - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Instituto de Biotecnologia - Universidade de Caxias do Sul (UCS), Centro Nacional de Pesquisa de Suínos e Aves, EMBRAPA. website: Rede Brasileira de Pesquisas sobre o Câncer - A criação da Rede Brasileira de Pesquisas sobre o Câncer é um esforço conjunto do Governo Federal, envolvendo o Ministério da Ciência e Tecnologia e o Ministério da Saúde. Os resultados esperados com a criação da Rede são a implementação de uma estratégia de unificação de pesquisa básica, translacional e clínica sobre o câncer, de forma a permitir avanços no conhecimento, e fornecer subsídios para a tomada de decisões para a política de saúde, propiciando melhorias na qualidade de vida da população. Este projeto está sendo realizado em parceria com o Instituto Ludwig de Pesquisa contra o Câncer, Instituto Nacional do Câncer, Universidade de São Paulo, Universidade de Brasília, Fundação Oswaldo Cruz entre outros. website: 38

40 Xylella fastidiosa - Esse é um projeto realizado em colaboração com várias universidades e institutos de pesquisa do Estado de São Paulo, da Universidade da Califórnia e do Serviço de Pesquisa Agrícola (ARS) do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA). Este projeto tem como objetivos: i) reanotar os genomas de X. fastidiosa CVC estirpe 9a5c e X. fastidiosa PD Temecula1; ii) montar e anotar os genomas de X. fastidiosa oleander Ann1 e da X. fastidiosa almond Dixon; iii) realizar a análise comparativa desses genomas. website: Metagenoma NE - O projeto Prospecção de novos genes com potencial biotecnológico (MetagenomaNE) tem por objetivos identificar e caracterizar novos genes envolvidos em mecanismos de reparo de ADN, degradação de hidrocarbonetos, degradação de corantes, síntese de antibióticos e fucanidases. A partir de amostras de DNA ambiental, extraídas de solos e rios de diferentes ecossistemas da Região Nordeste, estão sendo adotadas estratégias de metagenômica e seleção funcional, as quais permitirão a descoberta de novos genes que possam ser usados para o desenvolvimento de processos e produtos biotecnológicos. Este projeto é realizado em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Laboratório de Biologia Molecular e Genômica, UESC - Departamento de Biologia e Genética Molecular (Bahia), UFPB - Centro de Ciências Exatas e da Natureza (Paraíba), UFC - Centro de Ciências Departamento de BiologiaI (Ceará), UNIT - Universidade Tiradentes (Aracaju). website: Trypanosoma cruzi - O Trypanosoma cruzi é bastante heterogêneo na natureza, podendo apresentar variações de até uma ordem de grandeza na quantidade de ADN nuclear de diferentes isolados. O T.cruzi, recentemente, foi ordenado em seis grupos distintos de acordo com características do ciclo biológico na natureza e organização de alguns genes marcadores. O clone primeiramente seqüenciado (CL-Brener) mostrou-se um híbrido entre os grupos I e II, dificultando o estabelecimento de um padrão definido por grupo. O seqüenciamento do genoma do clone Dm28c permite o estabelecimento do padrão para isolados do grupo I, compreendido pelos parasitas que circulam, notadamente, no ambiente silvático. O clone Dm28c está muito bem caracterizado biologicamente, e é o modelo de trabalho de pesquisadores nas diferentes áreas de investigação (biologia celular, imunologia, biologia molecular, bioquímica, biologia de sistemas, etc) deste organismo e apresenta um genoma relativamente pequeno e compacto. Este projeto é realizado em colaboração com a Fundação Oswaldo Cruz do Paraná. website: Crithidia deanei - Tripanosomatídeos são protozoários flagelados que parasitam plantas e animais. Alguns destes protozoários causam doenças ao homem, como as leishmanioses e a doença de Chagas. Entre estes, existem cinco espécies que apresentam uma bactéria intracelular obrigatória, como é o caso de Crithidia deanei. Uma relação mutualística mantém ambos seres associados, já que a bactéria simbiótica é incapaz de sobreviver e replicar-se uma vez isolada de seu hospedeiro, enquanto cepas apossimbióticas destes tripanosomatídeos são incapazes de colonizar insetos. Deste modo, estes protozoários constituem um excelente modelo para o estudo da origem de organelas e da evolução celular. O sequenciamento sistemático do DNA do simbionte de Crithidia deanei, estima uma grande redução genômica em relação à bactéria ancestral. Deste modo, o completo sequenciamento do genoma de Crithidia deanei pode responder questões relacionadas à transferência gênica da bactéria para o núcleo da célula hospedeira, bem como elucidar importantes aspectos da evolução da célula eucariota através da relação simbionte-tripanosomatídeo. Projeto em colaboração com a Fundação 39

41 Oswaldo Cruz do Paraná. website: Expressão de micrornas em linfomas humanos de células T - Este projeto tem uma abordagem multidisciplinar, voltada para a genômica funcional, na qual procuraremos prover novos conhecimentos sobre a fisiologia do timo, no que diz respeito a seus componentes microambiental e linfóide, e ainda alterações de padrão de expressão gênica e de controle de expressão gênica (por micrornas), em doenças distintas, representativas de alterações funcionais tímicas que podem ocorrer em situações patológicas tais como infecção aguda, autoimunidade, e neoplasia. O projeto tem como objetivo, numa primeira etapa, gerar dados através de sequenciamento e posteriormente, o desenvolvimento e aprimoramento de métodos de bioinformática para melhor identificar novos micrornas e seus respectivos alvos, com o objetivo final de determinar quais micrornas estão sendo diferencialmente expressos em linfomas humanos de células T, quando comparado a células T normais, e quais micrornas estão especificamente relacionados com migração celular. Assim, este projeto vai desde experimentos laboratoriais até a análise bioinformática e desenvolvimento de algoritmos. Este projeto está sendo desenvolvido em parceria com o Laboratório de Pesquisas sobre o Timo do Instituto Oswaldo Cruz (Fiocruz, RJ), coordenado pelo Dr. Wilson Savino e também em parceria com a Universidade Claude Bernard Lyon 1, Laboratório de Biometria e Biologia Evolutiva, sob coordenação da Dra. Marie-France Sagot. Análise comparativa de redes metabólicas de bactérias endossimbiontes em insetos - Com a finalidade de uma melhor compreensão da interdependência da relação simbiótica entre bactérias e insetos e entre sistemas simbióticos, análises baseados em grafos das trocas metabólicas em sistemas simbióticos e aquelas que levam a biossíntese de metabólitos envolvidos na função simbiótica de cada bactéria serão realizadas. Este projeto está sendo desenvolvido em parceria com a Universidade Claude Bernard Lyon 1, França, Laboratório de Biometria e Biologia Evolutiva, sob coordenação da Dra. Marie- France Sagot. Sequenciamento de isolados do vírus H1N1 - Projeto em colaboração com a Dra Marilda Mendonça Siqueira, do Instituto Oswaldo Cruz, Laboratório de Vírus Respiratórios e do Sarampo (LVRS) Laboratório de Referência Nacional e da OMS para Influenza e Viroses Exantemáticas. Serão realizadas duas estratégias de sequenciamento com o uso da plataforma GS FLX 454 (Roche Inc) na UGCDFA e as respectivas análises no LABINFO. Metagenoma do Rúmen -Projeto em parceria com o Inmetro onde pretede-se estudar a biodiversidade microbiana do rúmen bovino realizando o sequenciamento do metagenoma através do método de pirosequenciamento. Departamento de Bioinformática e Biologia Computacional da Universidade do Texas - MDAnderson Cancer Center que tem por objetivo o desenvolvimento, implementação e validação de algoritmos de computação aplicados ao estudo semântico de processos biológicos. Análise genômica de bactérias isoladas de infecções hospitalares - Projeto em parceria com a Universidade Estadual de Londrina. A finalidade deste projeto será aplicar a plataforma GS FLX 454 de sequenciamento de alto desempenho de DNA, para produção em grande quantidade de sequências genômicas de isolados de Klebsiella pneumoniae produtora de KPC de infecção sistêmica de origem hospitalar. Pretende-se 40

42 elucidar o conteúdo de genes que codificam proteínas chaves relacionadas com o nicho e habitat desses microrganismos patogênicos. Esses dados serão utilizados para análise de genômica comparativa, focada em processos seletivos que possibilitam a dinâmica do genoma desses patógenos, bem como para análise de filogenia molecular. Em 2002, o LABINFO iniciou, em caráter pioneiro no país, o curso de especialização lato sensu em Bioinformática, para suprir a falta de pessoal qualificado na área. No total foram realizados três cursos, assistidos por um total de 88 alunos que obtiveram o diploma. Estes cursos tiveram um impacto significativo na capacitação de recursos humanos nesta nova área de pesquisa. A maioria dos alunos está hoje associada a projetos de pesquisa, em laboratórios nacionais, e vários deles ingressaram nos programas de doutorado que surgiram em 2002, na USP e na UFMG. Desde 2005 foram incorporadas novas disciplinas na linha de pesquisa em Bioinformática e Biologia Computacional com a finalidade de ampliar o programa em Modelagem Computacional de Biossistemas e Bioinformática de forma a atender especificamente à ampla multidisciplinaridade característica dessa área. Esta formação na linha de pesquisa em Bioinformática e Biologia Computacional tem caráter multidisciplinar, procurando dotar os ingressantes de conhecimentos avançados nas áreas de interface entre as Ciências da Vida e das Ciências da Computação e Exatas. As disciplinas são ministradas em parceria com o Departamento de Genética da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Em 2008 foi criada a Unidade de Genômica Computacional Darcy Fontoura de Almeida (UGCDFA), sendo esta uma Unidade Multiusuário, destinada a atender os projetos genomas de todo o país. Assim, um ambiente de desenvolvimento de pesquisa em Genômica Computacional, associado ao LABINFO, utilizando a infra-estrutura de Computação de Alto desempenho do LNCC/MCT, foi instalado. O equipamento Genome Sequencer FLX (Roche Applied Science), instalado na UGCDFA, é um sistema robusto que suporta múltiplas aplicações, tais como: 1) Sequenciamento de genomas inteiros: shotgun, paired-end (fechamento de gaps ) BAC-to-BAC, análise de metagenômica e diversidade microbiológica (análise do 16S rrna), paleogenômica. 2) Estudos de transcriptoma e regulação gênica: sequenciamento de ESTs, Genome Identification Signature Sequencing, identificação de regiões não-codificadoras de pequenos RNAs, sítios de ligação de fatores de transcrição, ChIP-sequencing, alterações epigenéticas (análise de padrões de metilação). 3) Sequenciamento de amplicon: identificações de mutações somáticas, detecção de SNPs, análise de diversidade genética. Desde a instalação da UGC, em janeiro de 2009, foram realizadas 50 corridas e seqüenciados os seguintes genomas: Bradyrhizobium japonicum SEMIA 5079 (CPAC-15) (shotgun e paired-end) Bradyrhizobium japonicum SEMIA 5080 (CPAC 7) (shotgun e paired-end) Bradyrhizobium elkanii SEMIA 5019 (29W) (shotgun) Mycoplasma flocculare (shotgun) Mycoplasma hyopneumoniae 7422 (shotgun) Metarhizium anisopliae (shotgun e paired-end) Linhagem humana tumoral de câncer de mama e linhagem linfóide normal (shotgun e paired-end) Linhagem humana tumoral de câncer de mama e linhagem linfóide normal (shotgun Roche NimbleGen DNA/Exoma) 41

43 Linhagem humana tumoral de câncer de mama (Shotgun Roche NimbleGen DNA/Surfaceoma) Linhagem humana tumoral de câncer de cólon (Shotgun Roche NimbleGen DNA/Surfaceoma) Azospirillum amazonense (shotgun) Trypanosoma cruzi (shotgun) Crithidia deanei (shotgun) Magnetoglobus multicellularis (shotgun) [metagenoma] O principal projeto no qual o LABINFO e a UGCDFA vem atuando desde 2008 é na Rede Brasileira de Pesquisa sobre o Câncer, com a coordenação da Dra. Ana Maria Aranha Camargo do Instituto Ludwig de Pesquisa contra o Câncer. As metas cumpridas no LABINFO UGCDFA para esse projeto foram o sequenciamento parcial de linhagens celulares derivadas de um mesmo indivíduo, sendo uma linhagem de carcinoma ductal da mama e uma linhagem de origem normal linfóide (HCC1954 BL). Objetivos O objetivo maior do LABINFO e da UGCDFA é dinamizar, por meio de projetos de pesquisa, as relações com instituições nacionais e internacionais que atuam na área de Bioinformática e Biologia Computacional, com a sedimentação de redes para gerar novos conhecimentos e tecnologias na área. O desafio da UGCDFA e do LABINFO é o de melhorar os softwares desenvolvidos pelo LABINFO, para poder tratar a enorme quantidade de dados de sequenciamento de genomas que estão sendo gerados. Nesse contexto, tem como objetivo o desenvolvimento de novos algoritmos e ferramentas para fornecer suporte ao processo de montagem, análise e anotação de genomas, metagenomas e transcriptomas. O projeto da Rede Brasileira de Pesquisas sobre o Câncer tem como objetivo sequenciar parcialmente o genoma de duas linhagens celulares derivadas de um mesmo indivíduo, sendo uma linhagem de origem normal linfóide e a outra de um carcinoma ductal da mama. Para tanto será gerado um número de sequências utilizando o seqüenciador de ultima geração. A disponibilidade de sequências desses dois genomas permitirá a comparação entre os mesmos e a identificação, pela primeira vez, do conjunto completo de alterações genéticas que ocorreram durante o processo de malignização. Um dos projetos do LABINFO e da UGCDFA é realizar a análise genômica de bactérias isoladas de infecções hospitalares, através da plataforma GS FLX 454 de sequenciamento de alto desempenho de DNA e de abordagens de genômica comparativa e filogenia molecular. Pretende-se elucidar o conteúdo de genes que codificam proteínas chaves relacionadas com o nicho e habitat desses microrganismos patogênicos. Gerar dados através de sequenciamento e posteriormente, o desenvolvimento e aprimoramento de métodos de bioinformática para melhor identificar novos micrornas e seus respectivos alvos, com o objetivo final de determinar quais micrornas estão sendo diferencialmente expressos em linfomas humanos de células T, quando comparado a células T normais, e quais micrornas estão especificamente relacionados com migração celular. O projeto em colaboração com o Laboratório Nacional de Influenza/FIOCRUZ/RJ tem por objetivo realizar um estudo filogenético dos vírus influenza H1N1 detectados em amostras brasileiras no ano de 2009 e por quanto perdurar a pandemia de Influenza A/H1N1v e a detecção de cepas circulantes resistentes aos antivirais. Para tanto, será realizado o sequenciamento do genoma completo de 16 isolados de Influenza A/H1N1v da pandemia de 2009, bem como sequênciar o gene da HA e NA de uma amostragem representativa dos nossos isolados (~50 amostras representativas das diferentes 42

44 semanas epidemiológicas), através da plataforma GS FLX 454 de sequenciamento de alto desempenho de DNA. O projeto metagenoma do rúmen tem como objetivo estudar a biodiversidade presente no rúmen bovino e encontrar genes codificadores de enzimas e vias metabólicas úteis para a utilização biotecnólogica na degradação de fibras vegetasis. Além disto, desenvolver uma base de dados que estará disponível para a comunidade acadêmica e para a Bioindústria, bem como implementar programas de bioinformática específicos para a análise de metagenomas. Outra meta é a de consolidar, junto com os pesquisadores parceiros da BRGENE, uma Rede Brasileira de Bioinformática e de Genômica (RB2G), que terá por objetivo dar suporte na área de genômica e de bioinformática aos grupos de pesquisa participantes das Redes (Nacional, Regionais e Internacionais) e dos novos grupos emergentes em várias áreas. Além disto, o LABINFO tem por objetivo promover a formação de recursos humanos através de cursos oferecidos na área de Bioinformática e através do curso de mestrado e doutorado em Modelagem Computacional na linha de pesquisa em Bioinformática e Biologia Computacional. Resultados Esperados O LABINFO tem como meta o trabalho em grupo associado a instituições diversas do país e do exterior. Além disso, precisamos atrair jovens talentos para incrementar ainda mais as atividades desse laboratório. Até 2012 os resultados esperados são: Transferência de conhecimento e know-how por meio de colaborações com outras instituições de pesquisas nacionais e internacionais; Promover cursos na área de Bioinformática, Biologia Computacional e Biologia Estrutural Computacional; Desenvolvimento, manutenção de bases de dados de sistemas biológicos; Os resultados esperados com a criação da Rede Brasileira de Pesquisas sobre o Câncer é a implementação de uma estratégia de unificação de pesquisa básica, translacional e clínica sobre o câncer, de forma a permitir avanços no conhecimento, e fornecer subsídios para a tomada de decisões para as políticas de saúde, propiciando melhorias na qualidade de vida da população. A disponibilidade de sequências desses dois genomas permitirá a comparação entre os mesmos e a identificação, pela primeira vez, do conjunto completo de alterações genéticas que ocorreram durante o processo de malignização. O projeto metagenoma do rúmen pretende gerar seqüências de DNA dos organismos presentes no rúmen bovino contribuindo assim, para um melhor entendimento da comunidade microbiana no que diz respeito a composição (quais espécies estão presentes), estrutura (número), função ( o que faz) e variabilidade. Esperamos também, além da identificação da biodiversidade microbiana existente, encontrar genes codificadores de enzimas e vias metabólicas úteis para a utilização biotecnológica na degradação de fibras vegetais. Além disto, esperamos desenvolver uma base de dados que estará disponível para a comunidade acadêmica e para a Bioindústria, bem como usar uma série de programas de Bioinformática que serão implementados na forma de um pipeline específico para a análise de metagenomas. Este pipeline será desenvolvido e implementado pelo LABINFO. A comparação dos genomas de bactérias isoladas de infecções hospitalares visam uma melhor compreensão das variações genéticas entre os isolados, que possam 43

45 ser devidas às diferenças em: SNP, deleções e inserções, fagos, integrons, transposons, recombinações e ilhas genômicas, dentre outras. Através dessa análise espera-se identificar determinantes de virulência e de resistência aos antimicrobianos como alvos potenciais para novos fármacos antibacterianos para combater as infecções. Ainda, os dados de sequenciamento irão possibilitar o desenvolvimento de futuras abordagens de genômica funcional desses isolados de bactérias multiresistentes. Obter as sequências do genoma completo de 16 isolados de Influenza A/H1N1v da pandemia de 2009, bem como sequênciar o gene da HA e NA para o estudo do aparecimento de novas variantes do vírus H1N1 resistentes aos antivirais, a possibilidade de aparecimento de variações antigênicas e novos rearranjos neste vírus através de uma continua análise filogenética usando os diferentes programas de Bioinformática. Os serviços de sequenciamento prestados pela UGCDFA poderão ser complementados pelos serviços de montagem, anotação e comparação suportados pelo SABIA e pela infraestrutura computacional do LABINFO e do LNCC; A utilização do SABIA com as devidas implementações para fornecer suporte ao processo de montagem, análise e anotação de genomas, metagenomas e transcriptomas dos diferentes projetos genomas em colaboração com o LABINFO e com a UGCDFA; O sistema SABIA e demais ferramentas desenvolvidas pelo LABINFO, no escopo deste projeto, serão disponibilizados livremente para a comunidade científica. Divulgação de conhecimentos na área através de publicações científicas regulares em periódicos indexados para fortalecer relações com parceiros de maior relevância. (II) Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos Relevância do Tema As áreas de pesquisa envolvendo desenho racional de fármacos e a predição de estruturas de proteínas por primeiros princípios constituem atualmente áreas de grande destaque dentro da biologia molecular computacional e química medicinal. O estudo teórico e computacional das bases moleculares envolvidas no processo de reconhecimento receptor-ligante constitui hoje uma etapa crucial para o planejamento de fármacos terapeuticamente úteis. A metodologia tradicional usualmente chamada de screening cego, responsável pela descoberta da maioria dos protótipos de fármacos disponíveis hoje, consiste no teste direto de compostos sintéticos ou produtos naturais em ensaios biológicos, células ou modelos animais. Os esforços em purificar, caracterizar e sintetizar princípios ativos, além da necessidade de se ter uma grande diversidade de material biológico para testes, tornam o processo inteiro bastante trabalhoso, ineficiente, cujo custo envolve investimentos de bilhões de dólares por parte das grandes companhias farmacêuticas mundiais. Uma abordagem mais racional, denominada desenho racional de fármacos ( rational drug design ), que visa a identificação e uma maior compreensão das interações moleculares entre receptor e ligante, envolve a utilização de métodos computacionais baseados nas estruturas tridimensionais das moléculas interagentes. A visualização molecular, modelagem por mecânica/dinâmica molecular, métodos envolvendo a construção de ligantes a partir de fragmentos moleculares menores ( de novo ligand design ) e metodologias de docking são algumas das possíveis ferramentas 44

46 utilizadas no planejamento e descoberta de compostos protótipos. As metodologias de docking visam a determinação da geometria de complexos receptor-ligante a partir da estrutura do receptor e a posterior obtenção de uma estimativa da afinidade de ligação entre o receptor e o ligante. Dois objetivos distintos estão associados à utilização de diferentes metodologias e algoritmos de docking : (i) Descoberta de compostos protótipos a partir de uma triagem computacional ( screening ) em um banco de dados de estruturas moleculares tridimensionais selecionadas (ligantes) tendo como alvo um determinado receptor molecular (e.g., proteína) ou um conjunto de receptores moleculares; (ii) A otimização de compostos protótipos com o objetivo de se aumentar a afinidade e a especificidade entre receptor-ligante e também visando a superação de resistência adquirida por parte de organismos biológicos. A predição de estrutura de proteínas por primeiros princípios é uma dos objetivos mais importantes almejadas pela biologia molecular computacional. Possui como objetivo determinar a estrutura tridimensional de proteínas a partir de suas seqüências de aminoácidos utilizando nenhuma ou um mínimo de informações obtidas de experimentos. Trata-se de uma área de pesquisa de grande destaque atualmente dado o potencial para aplicações em áreas estratégias de grande impacto na biotecnologia, na área de polímeros e bionanotecnologia. Por exemplo, a criação de novas proteínas (e.g., engenharia de novas enzimas), o desenho racional de fármacos (e.g., tratamento da flexibilidade do receptor), o refinamento de modelos teóricos obtidos por modelagem por homologia e a obtenção de estruturas a partir de dados experimentais incompletos de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Na última década a importância da predição de estrutura de proteínas aumentou consideravelmente. grandes quantidades de dados na forma de seqüências podem ser geradas a partir de projetos de sequenciamento de genomas em larga escala como o Projeto Genoma Humano. Apesar dos esforços da comunidade científica em genômica estrutural, o número de estruturas de proteínas determinadas experimentalmente, tipicamente por técnicas lentas e relativamente custosas de cristalografia por difração de raios-x e espectroscopia de RMN, estão imensamente defasados em relação ao número de seqüências de proteínas já descritas. Devido ao grande aumento no poder computacional e ao desenvolvimento de novos algoritmos, grandes progressos têm sido realizados para superar os fatores descritos acima. A implementação de um projeto que englobe tanto a predição teórica de estruturas de proteínas quanto a área de desenho racional de fármacos possui uma importância estratégica bastante relevante em uma área de grande impacto científico e tecnológico. A opção de se desenvolver metodologias próprias possui a grande vantagem de permitir a incorporação de novas abordagens (tanto teóricas quanto computacionais) que venham a ser descritas na literatura ou que venham a ser propostas por pesquisadores que utilizem os programas. O objetivo é permitir no futuro que outros grupos de pesquisa do país possam adquirir e utilizar o conhecimento gerado a um custo praticamente zero (sem a necessidade de investir milhares de dólares em programas pagos e renovações de licença para uso de softwares já adquiridos). Descrição do Projeto Metodologias de Docking Receptor-Ligante A complexidade do problema de docking requer métodos computacionais com potencial para investigar efetivamente um grande número de soluções possíveis, com o fim de que a solução ótima seja encontrada. Durante o trabalho de tese de doutorado de De Magalhães, desenvolvido no Grupo de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos, uma metodologia de docking baseada em um algoritmo genético steady-state foi desenvolvida com o objetivo de se encontrar múltiplos modos de ligação receptor-ligante. 45

47 Esta metodologia utiliza a técnica de docking na grade e utiliza um campo de forças molecular clássico para a avaliação da energia de interação entre as duas moléculas. O método desenvolvido apresentou resultados significativos em estudos de re-docking e cross-docking envolvendo ligantes altamente flexíveis (inibidores de HIV-1 protease). Os resultados obtidos mostraram que a implementação de uma estratégia em AG s para encontrar múltiplas soluções é uma ferramenta poderosa para o problema de docking, principalmente para o tratamento de moléculas ligantes altamente flexíveis associadas à hipersuperfícies de energia muito complexas. Além de aumentar a probabilidade de encontrar soluções equivalentes às determinadas experimentalmente, existem vantagens importantes em aplicar uma estratégia de múltiplas soluções para este tipo de problema. Geralmente as estratégias de docking proteína-ligante aproximam o problema real nos seguintes pontos: (i) ausência de fatores importantes associados com a função energia (e.g., efeitos entrópicos, solvatação); (ii) a ausência de moléculas de água explícitas que podem intermediar pontes de hidrogênio entre o ligante e o receptor; e (iii) o receptor é geralmente considerado rígido ou parcialmente rígido. Uma estratégia de docking com múltiplas soluções, além de aumentar a probabilidade de se encontrar soluções próximas aos resultados experimentais (mesmo não sendo a solução de melhor energia devido às simplificações introduzidas no modelo) permite que o conjunto das melhores soluções distintas possa ser usado como pontos iniciais em métodos mais sofisticados e caros computacionalmente (e.g., simulações de dinâmica molecular com solvente explícito). Outra vantagem é que, em projetos reais de desenho racional de fármacos, o ligante em estudo é apenas um protótipo do fármaco que provavelmente será modificado diversas vezes para levar em consideração diversas propriedades químicas e farmacológicas (e.g., toxidez, biodisponibilidade, estabilidade metabólica, etc.). Nesse sentido, encontrar e analisar diversos modos de ligação receptor-ligante pode aumentar as possibilidades de introduzir modificações químicas que levem a melhorias no perfil farmacológico de uma molécula candidata. Embora avanços importantes em relação ao desenvolvimento metodológico/ algorítmico para o problema de docking proteína-ligante tenham sido obtidos, alguns pontos são de extrema relevância para o aprimoramento da metodologia desenvolvida e para a sua aplicação em pesquisas dentro da área de desenho racional de fármacos baseado em estruturas: (i) Introdução da flexibilidade molecular do receptor; (ii) Inclusão de efeitos relacionados ao solvente na função energia; (iii) Desenvolvimento de uma função empírica de energia livre com maior capacidade preditiva (i.e., construção e validação utilizando um conjunto mais amplo de complexos receptor-ligante); (iv) Implementação de um campo de força específico para fármacos e o desenvolvimento de uma ferramenta de parametrização automática dos mesmos (evitando assim a necessidade de que o usuário necessariamente deva ser um especialista em modelagem molecular); (v) Otimização do código do programa, a qual, juntamente com a ferramenta de parametrização automática da topologia dos ligantes, permitirá o uso em estudos de screening virtual em larga escala; (vi) Estudos comparativos, tanto de performance quanto de investigação de problemas reais, utilizando outros programas de docking (e.g., GOLD, GLIDE, AUTODOCK). Predição de Estruturas de Proteínas por Primeiros Princípios Assim como no problema de docking receptor-ligante, o problema de se encontrar conformações nativas de uma proteína pode ser decomposto em dois sub-problemas: (i) Desenvolvimento de um modelo físico acurado para o problema; e (ii) Desenvolvimento de metodologias eficientes para explorar o espaço de conformações possíveis. O desafio teórico/computacional associado à predição por primeiros princípios do enovelamento de proteínas, além do grande impacto biotecnológico, atraem o interesse de diversos grupos 46

48 no mundo todo, tendo-se inclusive um encontro de caráter mundial (intitulado CASP - Critical Assessment of Structure Prediction a sua nona edição ocorrerá em 2010) para poder se avaliar o estado da arte da capacidade de predição das diferentes metodologias desenvolvidas. Durante o trabalho de tese de doutorado de Fábio Lima Custódio, desenvolvido no Grupo de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos (GMMSB-LNCC), foi desenvolvida uma metodologia de predição de estruturas de proteínas por primeiros princípios também baseada em um algoritmo genético de múltiplos mínimos. Esta metodologia utiliza um campo de forças molecular clássico e apresentou resultados significativos em estudos de enovelamento de pequenos peptídeos e proteínas contendo estruturas secundária em alpha-hélice. A metodologia desenvolvida foi implementada em um programa chamado GAPF. Posteriormente, em uma tese de mestrado desenvolvida no GMMSB/LNCC, foi implementada uma extensão desta metodologia para tratar da predição de estrutura de proteínas utilizando restrições advindas de experimentos de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Neste projeto o objetivo é realizar desenvolvimentos metodológicos no programa GAPF nos seguintes aspectos: (i) comparação de diversas técnicas descritas na literatura (com e sem cálculo da SAS Superfície Acessível ao Solvente) para cálculo do termo empírico de solvatação; (ii) introdução do uso de biblioteca de fragmentos para simplificação do espaço de busca e aprimorar a capacidade de predição do método (iii) paralelização do algoritmo genético em máquinas multi-processadas (tecnologias multicore e clusters). Situação Atual Nos últimos quatro anos, o Grupo de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos/GMMSB do LNCC ( tem desenvolvido (em pesquisas envolvendo teses de doutorado, teses de mestrado e iniciação científica) novas metodologias, algoritmos e programas na área de desenho racional de fármacos e predição de estruturas de proteínas. Estes desenvolvimentos estão sumarizados abaixo: Foi desenvolvida uma metodologia de docking baseada em um algoritmo genético steady-state com o objetivo de se encontrar múltiplos modos de ligação receptor-ligante (programa DOCKTHOR, cuja primeira versão encontra-se em fase de registro). Esta metodologia utiliza a técnica de docking na grade e utiliza um campo de força molecular clássico para a avaliação da energia de interação entre as duas moléculas. O método desenvolvido apresentou resultados significativos em estudos de re-docking e crossdocking envolvendo ligantes altamente flexíveis (inibidores de HIV-1 protease) e também em um conjunto teste envolvendo complexos receptor-ligante com distintas características físico-químicas, distintos graus de flexibilidade conformacional e receptores pertencentes a distintas famílias de proteínas. Foi desenvolvida também uma função empírica, utilizando redes neurais, para estimar a constante de inibição receptor-ligante. Como projeto de uma dissertação de mestrado no LNCC, está em fase avançada de implementação uma nova versão que irá trabalhar com um novo campo de força clássico, o MMFF094 (específico para moléculas orgânicas de uso na química medicinal), em substituição ao GROMOS96 (atualmente em uso). Já está implementada a construção automática das topologias (MMFF94) dos ligantes permitindo o uso por usuários não especialistas e em estudos de screening em larga escala. Também foram iniciados estudos para o desenvolvimento de metodologias mais avançadas utilizando técnicas de reconhecimento de padrões para a estimação da constante de inibição receptor-ligante. 47

49 Desenvolvimento de um programa de predição de estruturas de proteínas por primeiros princípios, baseado em um campo de força molecular clássico e em uma metodologia de algoritmos genéticos de múltiplos mínimos (programa GAPFOLDER, cuja primeira versão encontra-se em fase de registro). O programa, em sua primeira versão, apresentou excelentes resultados frente aos outros métodos publicados. A estratégia de múltiplos mínimos desenvolvida permitiu que em uma única execução do programa fossem encontradas múltiplas estruturas, de baixa energia, de interesse. A estratégia de múltiplos mínimos/ag foi desenvolvida e testada no modelo de proteínas simplificado Hidrofóbico-Polar (HP), superando outras abordagens de otimização global publicadas. Uma versão modificada do programa GAPF com o objetivo de resolver estruturas a partir de dados de RMN foi desenvolvida em uma tese de mestrado no LNCC, e está atualmente sendo aperfeiçoada. Este trabalho está sendo realizado com o apoio do Centro Nacional de Ressonância Nuclear Magnética da UFRJ, dirigido pelo Prof. Jerson Lima, em colaboração com os professores Fábio C. L. Almeida e Ana Paula Valente. Os seguintes trabalhos de tese de mestrado e de iniciação científica associados ao programa GAPF de predição de estrutura sob o modelo molecular estão atualmente em desenvolvimento no LNCC: (i) Encontra-se em fase de publicação um aplicativo para criação de bibliotecas de fragmentos de proteínas para auxiliar na predição de estruturas proteínas; (ii) Encontra-se em fase de finalização, como trabalho de dissertação de mestrado uma modificação para o GAPF utilizar bibliotecas de fragmentos, assim, aumentando sua capacidade preditiva; (iii) Encontra-se em fase de desenvolvimento, como trabalho de dissertação de mestrado a implementação de funções para o cálculo da energia de solvatação no GAPF; (iv) Encontra-se em desenvolvimento a implementação de um campo de forças simplificado (coarse grained) para predição de estrutura de proteínas junto ao GAPF como trabalho de tese de doutorado no LNCC; (v) Encontra-se em desenvolvimento a implementação das rotinas de cálculo intenso do GAPF em unidades de processamento gráfico, assim incrementando a velocidade de execução do programa. Tanto a parte de predição de estruturas de proteínas quanto a parte de docking estão inseridas no Projeto Cientista Jovem do Nosso Estado da FAPERJ - Predição de Estruturas de Proteínas e Complexos Receptor-Ligante: Desenvolvimento de Métodos, Algoritmos e Programas - n. E-26/ /2009. Foi desenvolvido o programa LLDB ( LASSBio Ligand Data Bank, em fase de registro) para o gerenciamento de informações via web (e.g. propriedades físico-química, grupamentos químicos, alvos moleculares, resultados in vitro, dados farmacológicos,...) do banco de ligantes do LASSBio/Faculdade de Farmácia/UFRJ (grupo de pesquisa em química medicinal experimental). O objetivo no futuro é permitir o cruzamento de informações e busca de correlações entre dados experimentais e dados teóricos entre ligantes e alvos moleculares. Este programa está associado ao Projeto Instituto do Milênio Inovação e Desenvolvimento de Fármacos e Medicamentos (coordenado pelo Prof. Eliezer Barreiro/ Fac. Farmácia/UFRJ, CNPq / e ao INCT- de Inovação de Fármacos e Medicamentos (também coordenado pelo Prof. Eliezer Barreiro ), dos quais o Grupo de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos é integrante. Predição de Estrutura de Proteínas por Modelagem Comparativa - Em colaboração com Laboratório de Física Biológica (FISBIO) do IBCCF-UFRJ/ME o GMMSB desenvolveu o workflow MHOLline. Como fruto desta colaboração, foi lançado o portal MHOLline ( que é composto por um conjunto de programas para a 48

50 analise estrutural de proteínas, incluindo métodos de modelagem comparativa, identificação de regiões transmembranares e inferência de função enzimática. O principal diferencial do MHOLline está no fato de o usuário poder submeter desde uma simples sequência protéica até um genoma completo (composto por milhares de sequencias), e permitir que estes usuários tenham acesso a diferentes resultados de interesse biológico de forma automática e eficiente, sem a necessidade de um preprocessamento de uma grande massa de dados. O MHOLline conta também com uma seção de administração online permitindo a aprovação e gerenciamento de cadastro de usuários, manutenção dos bancos de dados e ferramentas, geração de relatórios do uso do workflow. Além disso, MHOLline foi integralmente desenvolvido através de ferramentas de uso livre e todos os programas acoplados ao workflow são de uso público. O MHOLline está em uso desde Julho de 2009, conta com 11 usuários registrados (de ora dos grupos de pesquisa que o desenvolveram) e já analisou mais de sequências genômicas. Atualmente, os seguintes trabalhos relacionados ao MHOLline encontram-se em desenvolvimento: (i) Finalização da primeira versão do worflow e portal MHOLline, como projeto de iniciação científica no LNCC do aluno Damásio Ferreira; (ii) Elaboração de artigos referentes a modelagem comparativa de proteínas preditas do genoma de Trypanosoma cruzi. Trabalho realizado em colaboração com o Laboratório de genômica Funcional e Bioinformática da FIOCRUZ-RJ, coordenado pelo pesquisador Wim Degrave; (iii) Acoplamento do MHOLline ao gerenciador de worflows BioSide ( Este trabalho faz parte da dissertação de mestrado da aluna Luciana Almendra, da PUC-Rio, e está sendo realizado em colaboração com Laboratório de Bioinformática (LaBBio) da PUC-Rio, coordenado pelo pesquisador Sérgio Lifschitz. Além do desenvolvimento de uma ferramenta própria como no caso do DOCKTHOR o GMMSB vem trabalhando no projeto "Estratégias Racionais para a Identificação de Alvos Terapêuticos e o Desenvolvimento de uma Quimioterapia Antiparasitária" (CNPq:410544/2006-0) onde tem sido utilizadas os programas GLIDE ( e GOLD ( life_sciences/gold) para a análise de sítio ativo de proteínas consideradas como alvos moleculares de interesse farmacológico. Atualmente, o desenvolvimento deste trabalho encontra-se da seguinte forma (i) Elaboração de artigo, em colaboração com o Laboratório de Genômica Funcional e Bioinformática da FIOCRUZ-RJ, referente a análise da proteína RPI tipo B de Leishmania major, onde foi realizada a modelagem comparativa desta proteína e o estudo do seu sítio ativo através da análise de docking com seus substratos; (ii) Busca por compostos protótipos, por varredura em bancos de ligantes, capazes de inibir enzimas consideradas alvos farmacológicos em Trypanosoma cruzi e Leishmania major. Este trabalho também vem sendo desenvolvido em colaboração com o Laboratório de Genômica Funcional e Bioinformática da FIOCRUZ-RJ Objetivos O projeto tem como objetivo principal dar continuidade ao desenvolvimento das metodologias/programas descritos acima. Mais especificamente: Dar continuidade ao desenvolvimento do programa de docking receptor/ligante, nos seguintes aspectos: - aprimoramento do algoritmo genético visando tornar o programa mais eficiente e robusto; - implementação de técnicas visando a introdução da flexibilidade do receptor; - desenvolvimento de uma função empírica mais robusta, utilizando técnicas de 49

51 reconhecimento de padrões, para estimar a energia livre de ligação receptor-ligante; -implementação de um programa para construção automática dos arquivos de entrada referentes ao ligante, utilizando um campo de força específico para fármacos (MMFF94 ); - acoplamento do programa DOCKTHOR com o programa LLDB; - otimização e depuração do código do programa DOCKTHOR visando a sua disponibilização para a comunidade acadêmica. Dar continuidade ao desenvolvimento do programa de predição de estruturas de proteínas por primeiros princípios, nos seguintes aspectos: - aprimoramento da metodologia visando aumentar a previsibilidade do programa; - implementação de uma versão paralela do programa (crucial para este tipo de programa); - aprimoramento da versão modificada do programa para resolverestruturas a partir de dados de RMN; - Disponibilização dos programas GAPF e GAPF-NMR para a comunidade acadêmica. Continuação do desenvolvimento e aperfeiçoamento do workflow MHOLline inserindo demais programas sugeridos pelos atuais usuários; Adaptar o workflow MHOLline para execução em máquinas multi-processadas (tecnologias multi-core e clusters), permitindo que um maior número de usuários possam submeter seus processos sem que haja o comprometimento do desempenho computacional, bem como do uso de diferentes metodologias mais custosas até então não implementadas. Resultados Esperados Desenvolvimento e disponibilização para a comunidade acadêmica do programa DOCKTHOR de docking receptor-ligante; Desenvolvimento e disponibilização para a comunidade acadêmica de uma versão melhorada do programa GAPF de predição ab initio de estruturas de proteínas; Desenvolvimento e disponibilização para a comunidade acadêmica de uma versão melhorada do programa GAPF-NMR de predição de estruturas de proteínas utilizando dados experimentais de RMN; Formação de pelo menos um doutor e dois mestres na área de modelagem molecular de sistemas biológicos; Apresentação de trabalhos associados a este projeto em congressos nacionais e internacionais; Publicação de pelo menos 4 artigos em revistas indexadas nacionais e internacionais; Ministrar mini-cursos associados ao uso dos programas desenvolvidos em eventos com caráter de formação de recursos humanos. 50

52 (III) Modelagem e Métodos Matemáticos em Biossistemas Biologia Computacional define-se como a resolução de modelos biológicos pelo uso de algoritmos computacionais baseados em técnicas e métodos oriundos das áreas de matemática e estatística. Este é o contexto na qual esta linha de pesquisa em Modelagem e Métodos Matemáticos em Biossistemas (M 3 B) se insere. Em particular, o M 3 B objetiva a representação matemática e a simulação computacional de processos biológicos através do uso de técnicas e ferramentas da matemática aplicada, com especial ênfase em aplicações em ecossistemas e sistemas biológicos associados ao ser humano. De fato, questões relacionadas à previsão de impacto ambiental e à saúde dos seres humanos são dois dos principais desafios deste início de século. Neste âmbito, o desenvolvimento de modelos matemáticos e de métodos numéricos contribui de forma decisiva na compreensão e tomada de decisão, via simulação em computador, de tais biossistemas. Em resumo, o a linha de pesquisa M3B caracteriza-se por ser fortemente multidisciplinar, agregando conhecimentos das áreas da biologia, matemática e computação. Com o intuito de atuar em diferentes aspectos do tema de forma eficiente, o M3B decompõe-se em 3 linhas específicas de pesquisa: (III.1) Ecologia Numérica, (III.2) Neurociência Computacional e (III.3) Organizações biológicas. (III.1) Ecologia Numérica Relevância do Tema A obrigatoriedade em se fornecer aos órgãos de controle do meio ambiente um relatório de impacto ambiental (RIMA) antes de qualquer ação ou empreendimento que possa agredir o meio ambiente, estimulou o aparecimento de numerosos estudos sobre as características estruturais e funcionais da dispersão de poluentes e seu impacto nos ecossistemas. O que se pretende com o RIMA é disponibilizar para a sociedade e orgãos competentes, previsões de médio e longo prazo confiáveis e precisas sobre um eventual impacto negativo sobre o ecossistema. A modelagem e a resolução numérica de modelos acoplados fluido-ecossistemas constitui instrumento fundamental para a previsão de possíveis impactos no biossistema de uma região. De fato, são conhecidos de longa data os problemas ambientais que ecossistemas vêm sofrendo ao longo dos anos. Em particular no caso de biomas marinhos, e com base em estudos fragmentados da biota das ultimas décadas, constata-se alterações significativas da qualidade das águas e substratos, com perda de biodiversidade, aumento da eutrofização, alterações das comunidades planctônicas e bentônicas, com consequente diminuição dos estoques pesqueiros. Descrição do Projeto e Situação Atual Foi recentemente aprovado o PELD (Pesquisas Ecológicas de Longa Duração) para a Baía da Guanabara, no qual o LNCC, através do projeto M3Becos, é responsável pelo desenvolvimento de modelos e métodos numéricos para a simulação de ecossistemas. Além disso, o M3Becos tornou-se responsável pela manutenção de um banco de dados relacional alimentado pelos grupos de pesquisa do PELD via internet e acessível a consulta externa. Paralelamente, tais dados subsidiarão a elaboração/validação de modelos ecológicos, fornecendo uma ferramenta objetiva aos órgãos responsáveis do meio ambiente. Neste projeto pretendemos contribuir no tema simulação numérica de ecossistemas visando o estudo de impacto ambiental. Para tanto, técnicas matemáticas quantitativas e qualitativas serão desenvolvidas e aplicadas na elaboração/estudos de 51

53 modelos físicos de fluidos acoplados com equações de transporte do tipo reaçãoadvecção-difusão transientes, e na elaboração de novos métodos numéricos do tipo diferenças e elementos finitos adaptados a sua resolução. De fato, o acoplamento entre modelos de fluido e de transporte está na base da modelagem da dispersão de poluentes em aquíferos e seus impactos em ecossistemas. A presente proposta, com duração inicial de 2 anos ( ), pretende interligar a área de pesquisa em matemática aplicada às de biologia e ecologia marinhas visando um melhor entendimento da estrutura e do funcionamento do ecossistema da Baia de Guanabara e de suas respostas aos impactos antrópicos (aporte de esgotos, assoreamentos, construção do Comperj), e climáticos (alterações na temperatura, aporte de água doce e aumento do nível do mar). Será dada ênfase à biocomplexidade, diversidade funcional e relações tróficas dessa baia, escolhida como modelo de ambientes sujeitos à influência antrópica, proporcionando um elevado nível de eutrofização com consequências em níveis social e econômico. O segundo aspecto do projeto M3Becos consiste em disponibilizar os resultados das simulações numéricas à comunidade acadêmica e à sociedade civil. Para tanto, aos dados observacionais e experimentais disponibilizados pelo PELD e gerenciados no LNCC pelo M3Becos, serão acrescidos os resultados das simulações computacionais. Objetivos Os objetivos do projeto M3Becos no período do PCI são os seguintes: Investigar as relações funcionais entre os diversos compartimentos da cadeia trófica planctônica (relações presa-predador) da Baia de Guanabara, bem como entre a complexidade dessas comunidades e as características hidroquímicas desse ecossistema costeiro; Desenvolver modelos baseados em equações diferenciais para as relações funcionais estabelecidas no item anterior; Desenvolver e analisar matematicamente métodos numéricos adaptados à resolução dos modelos de ecossistemas acoplados; Calibrar e validar os modelos ecológicos/físicos com base nos dados experimentais coletados no âmbito do PELD; Disponiblizar para a comunidade as simulações numéricas através do banco de dados do PELD. Resultados Esperados Nos dois anos de duração do PCI/LNCC pretendemos iniciar o desenvolvimento de um modelo conceitual do ecossistema marinho da Baia da Guanabara. Para sua resolução, novos métodos de elementos finitos do tipo multiescalas/estabilizados serão desenvolvidos para os modelos do tipo transporte e de fluidos. As simulações numéricas serão validadas através de comparações com os dados experimentais obtidos no PELD da Baia da Guanabara. A produção de artigos e proceedings em congressos decorrerão dos resultados obtidos, assim como o desenvolvimento de um banco de dados contendo tais simulações. 52

54 (III.2) Neurociência Computacional Relevância do Tema Talvez em contraste com outras áreas biológicas, desde os seus primórdios a neurociência tem sido fortemente influenciada por simulações computacionais, mas pouco se fez em termos de análise numérica. Dentre as equações que incorporam fenômenos espaciais, estão as equações do cabo linear e não linear - principalmente em se tratando dos dendritos -, e o sistema de equações de Hodgkin-Huxley - ganhadores do Nobel de medicina por modelarem o comportamento do axônio. Estas EDPs têm sido amplamente utilizadas em modelos, mas em geral não em sua capacidade total. De fato, é comum a parte espacial do sistema ser desprezada e o sistema de EDOs resultante ser utilizado em simulações. Quando se torna imprescindível a discretização espacial, modelos denominados compartimentalizados são utilizados. Nesta modelagem, argumentos envolvendo fisiologia celular, condições de contorno, implementação computacional e discretizações são usados simultaneamente, resultando numa modelagem muitas vezes pouco confiável. Do ponto de vista do comportamento de redes de neurônios, sistemas de EDOs do tipo integrate and fire são usados, em detrimento dos detalhes neurofisiológicos. Novamente, a parte espacial tem sido desprezada. Contudo, a incorporação do efeito espacial nas simulações de grandes redes é considerado uma das grandes metas da neurociência atual. Simulações cada vez mais realistas dos sistemas cerebrais buscam refletir sua organização espacial. Neste projeto planejamos utilizar métodos numéricos comprovadamente eficientes a fim de simular tanto o comportamento neuronal, como o de redes moderadamente grandes de neurônios. Buscamos, em última análise, atacar o problema da sinalização neuronal sem ter que desprezar a dimensão espacial. Este tipo de modelagem tem aplicações no entendimento de várias doenças, como esclerose múltipla e esquizofrenia, para citar apenas duas. Descrição do Projeto e Situação Atual Um neurônio típico pode ser dividido em três partes: dendritos, soma e axônio. Os dendritos podem ser vistos como receptores de sinais que outros neurônios enviaram, e a complexidade de sua modelagem reflete a geometria da árvore dendrítica. O soma é a unidade de processamento que integra os sinais provenientes dos dendritos, dando origem ou não ao potencial de ação - disparo neuronal propagado ao longo do axônio. Uma vez propagado até a extremidade do axônio, o disparo neuronal dá origem a eventos químicos que culminam com a liberação de neurotransmissores na sinapse (espaço interneuronal), os quais são captados pelos dendritos dos neurônios pós-sinápticos. Modelagem dos dendritos: os dendritos têm sido modelados por equações do cabo não lineares numa geometria de árvore binária. Em cada segmento uma EDP singularmente perturbada, do tipo reação-difusão transiente e não linear tem que ser resolvida. A nossa proposta é utilizar elementos finitos multiescalas desenvolvidos aqui no LNCC (Pelod profs. F. Valentin e A. Madureira) para capturar de forma correta as camadas limites presentes (no tempo e no espaço). O método tem que ser implementado de forma eficiente pois os segmentos da árvore são acoplados e o número de EDPs a serem resolvidas é extremamente grande. Modelagem do axônio: o comportamento do axônio é tradicionalmente modelado pelo sistema de equações de Hodgkin-Huxley. Apesar da geometria ser cilíndrica, esta não é homogênea, devido à mielina, uma bainha de isolamento. Esta cobertura é interrompida de forma periódica nos nodos de Ranvier, cujo comportamento é modelado por uma outra EDP do cabo. Em particular, a correta modelagem da influência da mielina é de interesse no estudo de doenças neurológicas como a esclerose múltipla, e a 53

55 dolorosa nevralgia dos trigêmeos. O sistema de Hodgkin-Huxley é bem posto, e dois trabalhos analisaram dois esquemas de discretização por diferenças finitas. Aparentemente, a discretização desse sistema por elementos finitos não é discutida na literatura. Nossa proposta é resolver computacionalmente, utilizando elementos finitos, o sistema de Hodgkin-Huxley incluindo a influência da mielina e dos nodos de Ranvier. Modelagem de redes neuronais: tendo modelos confiáveis para as partes do neurônio, estes podem ser acoplados, resultando num modelo para o neurônio. O desafio seguinte é acoplar vários neurônios em rede para simular seu comportamento como um todo. É nesse sentido que nossa proposta de trabalho se insere nos atuais interesses da modelagem neurocientífica, podendo contribuir para a investigação mais realística dos fenômenos cerebrais. Objetivos Aprofundamento da compreensão das equações do cabo linear e não linear e do sistema Hodgkin-Huxley; Averiguação dos métodos numéricos multiescala adequados a modelo de EDPs para os axônios; Implementação computacional dos métodos numéricos; Análise Numérica; Comparação com modelagens que utilizam outros tipos de métodos numéricos; Comparação com modelagens que desprezam a dimensão espacial; Modelagem multiescala para os ramos e árvores de dendritos heterogêneos com espinhas; Estudo de redes de neurônios modelados pelos métodos acima descritos. Resultados Esperados Uma vez os objetivos descritos acima atingidos, os resultados farão parte de publicações em revistas de circulação internacional e em congressos. (III.3) Organização Biológica Relevância do Tema Organização é uma característica intrínseca a todos os fenômenos da vida e às entidades que neles intervêm. Assim, é de suma importância encontrarmos meios para identificar, representar e manipular a organização biológica e seus conceitos. Por outro lado, a organização destrói de forma contundente a isotropia e a homogeneidade subjacentes aos fenômenos físico-químicos e a seus modelos. Nesses modelos, anisotropia e a não homogeneidade são incorporadas via subdivisão de domínios ou descrições estocásticas, que não se coadunam facilmente com os métodos de observação biológicos. Dessa forma, entender matematicamente a organização inerente aos fenômenos biológicos e encontrar métodos para descrever a fenômenos que representem diretamente organizações e que admitam a construção de uma dinâmica de 54

56 organizações é crucial para o desenvolvimento de teorias biológicas baseadas na linguagem matemática. Descrição do Projeto e Situação Atual Este projeto visa desenvolver estruturas e construtos matemático-computacionais que possam expressar diretamente organizações, associando a elas a dinâmica usual dos processos físico-químicos que suportam os biológicos. Além disso, visa aplicar continuamente estas idéias em casos de estudo em biologia, biologia de sistemas em particular, a fim de manter coerência entre os desenvolvimentos matemáticos e os fenômenos biológicos que buscam representar. Ele oscila, assim, entre desenvolvimentos teóricos e aplicações a dados disponíveis. O arcabouço teórico para tratar tanto organização como informação biológicas se encontra bastante desenvolvido, contando com espaços matemáticos contendo classes de modelos para organização abstrata e concreta. Objetivos Geração de metodologias de análise de dados biológicos que serão aplicadas a redes metabólicas e a sistemas ambientais; Estudo de uma descrição completa do arcabouço lógico-matemático para a expressãoo, modelagem e estudo da organização e informação biológicas, bem como de interações nelas baseadas. Resultados Esperados Os resultados abaixo mencionados, implicarão, no mínimo, em um trabalho publicado por ano e uma monografia até o final do projeto. ampliação do uso de algoritmos de grafos e hiper-grafos na análise e estudo do comportamento de sistemas dinâmicos; aprofundamento da compreensão dos ciclos em redes metabólicas e seu significado biológico; desenvolvimento de heurísticas e algoritmos de cunho biológico para a determinação de organizações biológicas; conexão das descrições da dinâmica espaço-temporal com a biológica associada a chaveamentos e mudanças de regimes estacionários, e sua aplicação no estudo dos fenômenos da vida; estabelecimento de uma dinâmica organizacional (envolvendo tão somente organizações) centrada em informações como agentes de interação Modelagem Computacional em Reservatórios de Petróleo, Águas Subterrâneas e Captura de CO2 55

57 Relevância do Tema O correto entendimento de diversos processos termodinâmicos que ocorrem na sub-superfície terrestre é de fundamental importância para o avanço científico e tecnológico da sociedade. A busca por recursos hídricos em aqüíferos tornou-se vital para a perpetuação do homem. Apesar da abundância de recursos hídricos, o Brasil enfrenta sérios problemas relacionados com distribuição irregular, contaminação, qualidade de água e desperdícios em todos os níveis. Por outro lado, as recentes descobertas de novos campos de petróleo na costa marítima brasileira, em particular nas formações geológicas da camada do pré-sal, ampliam em muito as nossas reservas de petróleo e demandam desenvolvimento de novas tecnologias para extração em águas profundas. Essas novas tecnologias, por sua vez, demandam novas metodologias para simulação de processos de recuperação de petróleo na rocha do pré-sal. Além desses desafios o próprio armazenamento do dióxido de carbono na sub-superfície é essencial para mitigar o aumento do efeito estufa ocasionado pela liberação desse poluente para a atmosfera. Em suma, para a sociedade analisar a viabilidade de utilização de tecnologias seguras e sustentáveis agindo proativamente nas questões mencionadas acima é fundamental o desenvolvimento de uma modelagem computacional acurada acompanhada de simulações numérica realistas dos vários fenômenos relacionados com escoamentos em meios porosos sub-superficiais Descrição do Projeto e Situação Atual Este projeto tem como objetivo principal apoiar as atividades de pesquisa, desenvolvimento e formação de recursos humanos em modelagem computacional orientada para aplicações em Engenharia do Petróleo, águas subterrâneas e seqüestro geológico de dióxido de carbono. Em particular, os seguintes tópicos de interesse serão contemplados: Simulação computacional da contaminação de reservatórios de águas subterrâneas, onde se dará continuidade ao desenvolvimento de modelos computacionais para simulação de escoamentos em meios porosos e transporte de poluentes em aqüíferos particularmente na região não-saturada; Modelagem computacional de processos de injeção e de captura de dióxido de carbono nas formações geológicas do pré-sal; Modelagem computacional de acoplamento hidro-geomecânico visando a simulação de processos de recuperação avançada de petróleo no pré-sal; Modelagem computacional estocástica em múltiplas escala de reservatórios altamente heterogêneos; Desenvolvimento e implementação de algoritmos computacionais de alto desempenho para processamento paralelo. Situação Atual Modelagem Computacional em Engenharia é uma das áreas de pesquisa consolidada no LNCC desde a sua origem, destacando-se aplicações em problemas de mecânica dos sólidos, mecânica dos fluidos e escoamentos em meios porosos, de interesse estratégico para a indústria nacional, particularmente para o setor Petróleo e 56

58 Gás. Nessa área temos realizado em parceria com o CENPES/PETROBRAS um grande número de projetos de pesquisa e desenvolvimento. Destacam-se atualmente a participação do LNCC em duas redes temáticas, a saber: Infra-Estrutura do Laboratório de Modelagem Computacional e Visualização em Engenharia do Petróleo no âmbito da Rede Temática de Computação e Visualização Científica Rede GALILEU, à qual o LNCC se associou no final de 2007; Modelagem e Simulação Numérica de Escoamentos em Reservatórios Heterogêneos com Acoplamento Geomecânico no âmbito da Rede Temática de Simulação e Gerenciamento de Reservatórios - Rede SIGER, à qual o LNCC se associou em Atualmente o LNCC tem buscado intensificar as parcerias existentes com os demais nós das redes acima mencionadas, desenvolvendo projetos de pesquisa conjuntos nos temas descritos no projeto estruturante Engenharia do Petróleo. Como conseqüência dessa estratégia deu-se início a nucleação de um grupo de pesquisadores, alunos de pósgraduação e pós-doutorandos com formação multidisciplinar apropriada para atacar os problemas de alta complexidade que surgem nesta área. Objetivos e Resultados Esperados Desenvolvimento de uma metodologia computacional para análise de qualidade e prospecção de águas subterrâneas e de dispersão de poluentes em solos e aqüíferos com elevado grau de heterogeneidade; Desenvolvimento de protótipo para resolução de problemas inversos de detecção de fontes de dispersão de poluentes em fluidos; Desenvolvimento de novos modelos computacionais, fundamentados em formulações e análise matemática rigorosas, análise numérica e implementação computacional visando a simulação de escoamentos em meios porosos nas zonas saturada e nãosaturada. Desenvolvimento de modelos computacionais para simular o acoplamento Hidromecânico durante a extração de petróleo/gás em reservatórios altamente heterogêneos com propriedades geológicas sujeitas a alto grau de incerteza; Validação do(s) código(s) desenvolvido(s) através de comparações com resultados obtidos em softwares conhecidos na literatura, tais como HYDRUS, PHREEQC, NIGHTHAWE, entre outros. Ampliação das parcerias com outras instituições com o objetivo de aperfeiçoar o conhecimento científico sobre o tema e, conseqüentemente, obter simulações numéricas mais realistas dos problemas que surgem na área; Dar continuidade ao desenvolvimento de um projeto de cooperação com o CENPES/PETROBRAS Medicina Assistida por Computação Científica 57

59 O avanço da computação científica tem promovido um desenvolvimento sem precedentes na história da sociedade humana. A popularização do computador pessoal, o advento da Internet, o desenvolvimento da comunicação sem fio, da computação distribuída de alto desempenho, de banco de dados distribuídos e a sua mineração gerando novos conhecimentos, das técnicas de monitoração, da visualização científica, da realidade virtual e da modelagem e simulação computacional de sistemas complexos, permeiam atualmente todas as atividades humanas gerando grandes e profundas modificações. Na medicina, esta nova realidade teve suas origens no início do Século XX, quando foi chamada de telemedicina (segundo a OMS, telemedicina é a provisão de serviços ligados aos cuidados com a saúde, nos casos em que a distância é o fator crítico). Tais serviços são providos por profissionais da área da saúde, usando tecnologias de informação e comunicação.... Entretanto, isto está atualmente ultrapassado frente às possibilidades que surgem com a utilização das novas tecnologias acima mencionadas. Por exemplo, com a modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos complexos que acoplam, através de múltiplas escalas espaciais (da escala de 1nm para o tamanho do poro nos canais de íons para a escala de 1m para o corpo humano) e temporais (desde 10-6 s típica dos movimentos Brownianos a 10-9 s da vida humana), a bioquímica, a biofísica e a anatomia de células, tecidos e órgãos, é possível conhecer melhor o funcionamento dos mesmos em condições normais ou alteradas por processos patológicos ou procedimentos médicos fornecendo informações adicionais que contribuem ao melhoramento da diagnose, tratamento e planejamento de diversos procedimentos médicos. Um indicativo desta nova realidade pode ser encontrado nos projetos em desenvolvimento nos Estados Unidos e em países da Comunidade Européia tais como: Physiome Project da International Union of Physiological Sciences ( Virtual Human Project, ( The Digital Human Project Federation of American Scientist ( EuroPhysiome Projec HaeMOdel Mathematical Modeling of the Cardiovascular System ( SimBio Simulation in Biology ( GEMSS Grid for Medical Simulation Service ( No Brasil esta realidade está materializada através do INCT-MACC Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica no qual participam sob a coordenação do LNCC/MCT 23 Laboratórios Associados com sede em 11 estados do Brasil. A consolidação e desenvolvimento do MACC, visa o desenvolvimento de novos conhecimentos e de inovações tecnológicas que busquem o entendimento do funcionamento de sistemas fisiológicos complexos objetivando soluções para o complexo problema da saúde no País. Para isso se requer o desenvolvimento integrado das seguintes atividades de P&D: 1. Modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos complexos com ênfase no sistema cardiovascular humano e suas aplicações na diagnose, tratamento e planejamento de procedimentos médicos. 2. Processamento avançado de imagens médicas incluindo visualização e 58

60 reconstrução tridimensional de estruturas de relevância médica e suas aplicações na modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos e na diagnose por imagem. 3. Ambientes Virtuais Colaborativos e de Realidade Virtual. 4. Sistemas de Computação Aplicados à Saúde. Temos assim um projeto aglutinador de profissionais em diversas áreas do conhecimento (engenharia, computação, medicina, saúde e áreas afins) focados em: (i) colocar a modelagem e as tecnologias da computação científica, da informação e da comunicação e (ii) formar novos profissionais capazes de aplicar estes novos conhecimentos e tecnologias ao serviço da saúde do País. Em particular as atividades de P&D 2. e 3. mencionadas acima estão sendo contempladas em projeto especifico do PCI Assim, a seguir são apresentadas as atividades de P&D 1. e 4. detalhando os objetivos e resultados a serem alcançados. (I) Modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos complexos com ênfase no sistema cardiovascular humano e suas aplicações na diagnose, tratamento e planejamento de procedimentos médicos. Relevância do Tema O avanço da computação científica tem promovido um desenvolvimento sem precedentes na história da sociedade humana. Devido à popularização do computador pessoal, da computação distribuída de alto desempenho e da modelagem e simulação computacional de sistemas complexos, novas técnicas baseadas na predição de modelos computacionais passaram a permear atualmente todas as atividades humanas gerando grandes e profundas modificações. Mais especificamente, através da modelagem computacional e simulação numérica de sistemas fisiológicos que acoplam, através de múltiplas escalas espaciais e temporais, a bioquímica, a biofísica e a anatomia de células, tecidos e órgãos, é possível conhecer melhor o funcionamento dos mesmos em condições fisiológicas e/ou patofisiológicas, assim como também o estado dos sistema após procedimentos externos, fornecendo informações adicionais que contribuam ao melhoramento da diagnose, tratamento e planejamento destes diversos procedimentos médicos. Desta maneira, a computação científica está destinada a gerar grandes e profundas modificações na área da saúde ao permitir: a síntese do diagnóstico por imagem que, acoplada à modelagem e simulação, permite o desenvolvimento de novas técnicas terapêuticas para melhorar procedimentos e tratamentos médicos; o desenvolvimento de modelos e simuladores precisos dos diversos sistemas do corpo humano e sua inter-relação integrando anatomia, fisiologia, propriedades biomecânicas, biologia celular e bioquímica para aplicações terapêuticas, de pesquisa, de formação e treinamento de recursos humanos; desenvolver um corpo virtual para cada paciente de maneira a servir como um repositório para diagnóstico, patologias e outras informações médicas sobre o paciente. Por sua vez, este corpo virtual permitirá aumentar a comunicação entre o paciente e o médico, fornecendo uma referência para exames, patologias e mudanças que acontecem com o passar do tempo; utilizar estes modelos e simuladores para planejamento cirúrgico, treinamento e credenciamento médico. Estes simuladores permitem verdadeira interação do usuário com órgãos humanos simulados incluindo propriedades físicas e fisiológicas realísticas 59

61 para educação, pesquisa e desenvolvimento de aplicações médicas. Descrição do Projeto O presente projeto nesta área de P&D tem como objetivo dar continuidade às atividades de pesquisa e desenvolvimento levadas a cabo no período anterior ( ) no contexto de sistemas fisiológicos complexos. Assim sendo, pretende-se continuar com o desenvolvimento de ferramentas computacionais e métodos numéricos para resolver problemas sucintos na modelagem do sistema cardiovascular humano. Os grandes desafios que serão abordados neste projeto são os seguintes: (i) modelagem do escoamento sanguíneo nas diferentes escalas geométricas do problema; (ii) modelagem dos diferentes mecanismos físicos que dão lugar à resposta do sistema cardiovascular como um sistema fechado e auto-regulado; (iii) modelagem envolvendo múltiplas escalas constitutivas para a representação do comportamento de tecidos biológicos; (iv) modelagem da interação entre o sangue e válvulas cardíacas e seu acoplamento dentro do sistema cardiovascular. Cabe mencionar que se dará especial ênfase à transferência de tecnologia para os profissionais da área médica a fim de viabilizar o uso das ferramentas desenvolvidas no dia-a-dia da pesquisa médica assim como também no eventual uso para diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. Ao mesmo tempo, propõe-se levar adiante atividades de formação de recursos humanos através da participação de alunos dos Programas de pós-graduação em níveis de Mestrado e Doutorado do Laboratório Nacional de Computação Científica. Situação Atual Nesta área de P&D o presente projeto manterá atividades de cooperação científica entre pesquisadores e colaboradores do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) e pesquisadores das seguintes instituições do país e do exterior: Universidade de São Paulo (USP), Brasil InCor, Hospital de Clinicas da Faculdade de Medicina da USP. Instituto Balseiro (IB), Bariloche, Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMDP), Mar del Plata, Argentina. Universidad del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNCPBA), Tandil, Agentina. Universidade Pompeu Fabra (UPF), Barcelona, Espanha. École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Suíça. University of Wales (UW), Swansea, UK. Objetivos Os objetivos particulares, enquadrados dentro dos grandes desafios indicados na seção descrição, desta atividade de P&D do projeto MACC são os seguintes: Desenvolvimento e implementação de técnicas numéricas e computacionais para a modelagem e simulação da circulação sanguínea nas principais artérias do corpo humano. Aqui se dará orientação à modelagem de casos em pacientes específicos e suas aplicações no estudo dos principais fatores que afetam a variáveis clínicas de risco cardiovascular, visando entender e co-relacionar fenômenos observáveis com informações obtidas de simulações; 60

62 Desenvolvimento e implementação de técnicas numéricas e computacionais para a modelagem e simulação do transporte de fármacos na corrente sanguínea e através dos tecidos arteriais circundantes e suas aplicações na definição de procedimentos para a dosificação de fármacos em situações patofisiológicas devido aos efeitos de procedimentos médicos; Desenvolvimento e implementação de técnicas numéricas e computacionais para a modelagem e simulação de problemas de acoplamento entre tecidos biológicos de complexa resposta e o escoamento sanguíneo e suas aplicações no estudo do funcionamento das válvulas cardíacas; Desenvolvimento e implementação de técnicas numéricas e computacionais para a modelagem e identificação de propriedades de materiais biológicos a partir de imagens médicas e suas aplicações no estudo de condições patológicas em artérias coronárias, e na avaliação de procedimentos de angioplastia com stents; Modelagem e simulação de fenômenos multiescala para a determinação do comportamento constitutivo de tecidos biológicos e suas aplicações no estudo da degradação da constituição da parede arterial devido a condições hemodinâmicas adversas assim como também a influência do transporte de espécies na evolução do comportamento constitutivo destes tecidos; Providenciar os meios necessários para o fortalecimento dos vínculos de cooperação científica entre as instituições participantes; Formação de recursos humanos nas áreas acima mencionadas; Transferência das tecnologias desenvolvidas para a comunidade científica médica por meio da disponibilização de material didático e realização de cursos sobre os métodos e ferramentas computacionais desenvolvidos. Resultados Esperados Cabe mencionar que todas as instituições envolvidas na presente atividade de P&D apresentam largas trajetórias no tocante ao desenvolvimento de técnicas de modelagem computacional e simulação numérica aplicadas a problemas da engenharia e da física, e em particular na modelagem de sistemas fisiológicos complexos. Assim sendo, e após concluir as atividades definidas neste texto, espera-se obter os seguintes resultados: disponibilidade de modelos matemático-computacionais com maior capacidade de representação fenomenológica; fortalecimento das relações entre as instituições de maneira a maximizar a capacidade de produção científica; estabelecimento de uma rede de pesquisa que tenha como característica o aproveitamento dos aspectos complementares das instituições; maior capacidade técnica na transferência de tecnologia para a comunidade 61

63 médica por meio da disponibilização de modelos computacionais mais sofisticados e acurados; maior capacidade de formação de recursos humanos nas áreas de modelagem computacional e simulação numérica aplicadas à saúde. (II) Sistemas de Computação Aplicados à Saúde Relevância do Tema Avanços recentes na área de tecnologia da informação e comunicação (TIC) têm permitido o desenvolvimento de sistemas de computação direcionados a uma gama de diferentes serviços na área de saúde. Por exemplo, a adoção crescente de tecnologias de comunicação móvel em nossa sociedade torna viável vislumbrar novas possibilidades de uso ubíquo de TIC no suporte ao atendimento e monitoramento remoto de pacientes, além de coleta de dados de interesse para saúde coletiva como em aplicações de vigilância epidemiológica. Descrição do Projeto Grande parte dos esforços atuais de pesquisa na área estão restritos a redes de comunicação sem fio de curto alcance, com enfoque principal em serviços de monitoramento contínuo. Em contraste com esse cenário, o presente tema contempla a adoção de tecnologias de comunicação móvel em escalas diversas, visando primordialmente o suporte remoto necessário em casos de atendimento médico emergencial e vigilância pública em saúde, como coleta de dados de interesse para saúde coletiva e orientação em atenção primária. Situação Atual Atualmente há no grupo MARTIN (Mecanismos e Arquiteturas para Teleinformática) do LNCC um protótipo para o suporte remoto ao atendimento médico emergencial para vítimas de infarto agudo do miocárdio, desenvolvido em parceria com a Faculdade de Medicina da UFRJ e o SAMU/RJ. Projetos específicos recentemente coordenados pelo LNCC tiveram como foco temas relacionados ao tema do presente subprojeto: Projeto Medicina Assistida por Redes sem FIo Multimídia (MARFIM) ( ) - Processo no / Edital MCT-CNPq/MS-SCTIE-DECIT no. 23/2006 Coordenador: Artur Ziviani (LNCC); Projeto Suporte Remoto ao Atendimento Médico Emergencial com Uso de Eletrocardiografia Digital via Dispositivos Móveis ( ) - Processo no. E- 26/ / Edital FAPERJ 14/2007 (Prioridade-Rio) Coordenador: Artur Ziviani (LNCC); Projeto Rede de P&D em Medicina Assistida por Computação Científica do Estado do Rio de Janeiro (MACC-Rio) ( ) - Processo no. E-26/ / Edital MS/CNPq/FAPERJ no. 07/2006 (PPSUS) Coordenador: Artur Ziviani (LNCC). Nesta área de P&D o presente projeto manterá atividades de cooperação científica 62

64 entre servidores do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) e pesquisadores das seguintes instituições: Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ); Universidade Federal Fluminense (UFF); Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). As atividades descritas também são parcialmente contempladas no INCT-MACC (Instituto Nacional de Ciência da Computação em Medicina Assistida por Computação Científica), coordenado pelo LNCC e o apoio do PCI se torna essencial para o alcance dos objetivos propostos. Objetivos Os objetivos do subprojeto de Sistemas de Computação Aplicados à Saúde são os seguintes: Demonstrar a relevância do emprego de tecnologias de comunicação sem fio mais especificamente, de tecnologia celular (GPRS, EDGE) na transmissão de dados médicos de pacientes para melhorar a tomada de decisão no tratamento emergencial de pacientes em ambiente pré-hospitalar; Identificar através da implantação do projeto-piloto em cardiologia em caráter experimental no SAMU/RJ, a necessidade de novos desenvolvimentos na área de TIC aplicada à saúde, especificamente para sistemas de atendimento emergencial. O piloto na área de cardiologia realizado no período anterior do projeto ( ) pode ser encarado também como um primeiro passo rumo ao desenvolvimento de sistemas ubíquos de informação que tendam a outros serviços de saúde e façam uso de outras tecnologias de comunicação sem fio. Nesse contexto, também é objetivo deste projeto a análise do problema de suporte remoto ao atendimento medico no âmbito de outras áreas de sáude, tais como coleta de dados de interesse para saúde coletiva e orientação em atenção primária, em particular vigilância epidemiológica. No que tange a sistemas de vigilância em saúde, é objetivo deste tema dentro do projeto: Implementar e avaliar um ambiente para o desenvolvimento de registros eletrônicos de saúde (RES), com enfoque no suporte ao apoio à decisão para a área de vigilância em saúde. Resultados Esperados No contexto de suporte remoto ao atendimento médico emergencial espera-se o desenvolvimento de protótipos em outras áreas de saúde além da cardiologia com a extensão do projeto-piloto já desenvolvido. Também espera-se o desenvolvimento de protótipo na área de vigilância epidemiológica. No contexto da vigilância pública em saúde, espera-se, com este projeto, produzir soluções baseadas em software livre para sistemas de informação de saúde que apresentem potencial para serem adotados em larga escala no sistema de saúde brasileiro, tanto no setor público como no privado. Essas soluções permitem disponibilizar ferramentas que facilitem o desenvolvimento de sistemas de Registro Eletrônico de Saúde (RES), viabilizam a interoperabilidade entre 63

65 sistemas de RES que utilizam arquétipos definidos de comum acordo, e permitem maior efetividade das ações de vigilância em saúde com a adoção de um sistema de apoio à decisão em interface com o RES baseado nas especificações openehr. Em suma, espera-se o desenvolvimento de ao menos 2 protótipos de sistemas de computação voltados para a área de saúde e também a publicação de resultados de pesquisa em veículos científicos qualificados Métodos Estocásticos e Robustos em Modelagem, Estimação e Controle, e Aplicações Relevância do Tema De um ponto de vista científico-tecnológico, as sociedades modernas têm que lidar com 3 pilares fundamentais: (1) Enorme taxa de desenvolvimento científico (surgem novas teorias com uma frequência enorme); (2) Um gap cada vez menor entre a nova teoria e sua aplicação; (3) Um ciclo tecnológico cada vez menor. Como conseqüência, mudanças profundas vêm ocorrendo nas sociedades nos últimos anos. Estas mudanças têm forçado os setores produtivos e de serviços, por uma questão de alta competitividade do mercado, a melhorar o seu desempenho, de forma continuada, em diversos aspectos, tais como: qualidade técnica do produto e serviço (produzir dentro de estreitas e severas margens de especificações); aumento de produtividade; minimização de perdas; otimização do uso de recursos energéticos; qualidade e confiabilidade de sistemas de redes de informação; otimização de política de estoque; minimização de impactos ambientais; controle de poluição. Nesse cenário torna-se essencial o tratamento realístico desses processos (sistemas físicos, econômicos, biológicos, etc.), o que requer a incorporação explicita de incertezas tanto de modelagem do processo, como ambientais. Essas incertezas podem ser resultantes de, por exemplo, parâmetros desconhecidos e/ou variáveis no tempo, dinâmicas não modeladas, flutuações (p.ex., atmosféricas, variações na bolsa de valores), demanda aleatória, ruídos em sistemas de comunicações, falhas durante operação, etc. Nesse contexto, métodos estocásticos e robustos em modelagem, estimação e controle de sistemas dinâmicos têm papel de destaque por possibilitarem o tratamento de incertezas determinísticas e aleatórias e ao grande potencial que apresentam na obtenção de resultados de modelagem, estimação e controle com elevado grau de precisão. Além disso, há um consenso que vem crescendo ao longo dos anos, e remonta à teoria dos gases do Boltzmann, que é mais natural utilizar os métodos estocásticos para modelar alguns sistemas complexos, do que os métodos determinísticos. A teoria ergódica, formulada por Boltzmann é um exemplo emblemático disso. Mais recentemente, grande sucesso tem sido obtido, via métodos estocásticos, na análise de sistemas sujeitos a tráfegos pesados (Internet, wireless, etc.), via equações diferenciais estocásticas com reflexão, uma área importante de pesquisa atualmente. Outro exemplo importante é o estudo de genética de populações onde, se estudado em todas as suas nuances, os sistemas são bastante complexos. Nesse cenário, destaca-se uma classe de modelos estocásticos denominados processos de Fleming-Viot. Ainda no contexto estocástico e robusto, uma área de grande relevância, com uma componente altamente interdisciplinar é a de processamento de sinais. As técnicas desenvolvidas nessa área têm interesse em praticamente todas as outras áreas que lidam com dados (que em geral têm características ruidosas). As técnicas desenvolvidas tais como, filtragem, análise espectral, reconstrução e compressão, modulação e 64

66 identificação, têm aplicações em engenharia (tratamento de imagem, análise e síntese de sinais de áudio, etc.), biologia (técnicas de HMM em genômica), etc. Descrição do Projeto O projeto tem como objetivo realizar pesquisa científica, com caráter multidisciplinar, nas áreas de Sistemas e Controle visando investigar métodos estocásticos e robustos de modelagem, controle e estimação de sistemas dinâmicos de significativos impactos tecnológicos e sócio-econômicos. Em particular dar-se-á ênfase ao desenvolvimento das seguintes atividades de pesquisa: Investigar problemas de decisão Markovianos, em particular análise e desenvolvimento de ferramentas de soluções aproximadas e aplicações em problemas de redes estocásticas, como por exemplo, nas áreas de filas, roteamento, manufatura e redes sem fio; Modelagem, estimação de sinais e controle de sistemas complexos, tais como sistemas interligados de grande escala envolvendo subsistemas com dinâmicas a tempo contínuo e discreto, e sujeitos a falhas; Modelagem, estimação e controle de sistemas robóticos; Modelagem de sistemas econômicos/financeiros; Estimação robusta de sinais em sistemas de redes de informação, tais como redes wireless com perdas randômicas de pacotes de informação; Modelagem e controle de sistemas sujeitos a tráfegos pesados (Internet, redes wireless, etc.); Dinâmica de Populações via Processos de Fleming-Viot; Análise e Síntese de Sinais de Áudio, com ênfase em: Restauração Digital de Áudio; Processamento Adaptativo em Áudio; Reconhecimento de Padrões em Música; Avaliação de Qualidade de Sinais de Áudio e Voz. Situação Atual O LNCC conta com um grupo de pesquisadores nas áreas de Sistemas e Controle, com vasta experiência e de reconhecida reputação científica nos âmbitos nacional e internacional. Isto é evidenciado por vários indicadores, tais como, publicações em periódicos internacionais de grande prestígio, citações no Web of Science, livro publicado sobre os temas em uma prestigiosa série da editora Springer-Verlag, convites para ministrar palestras em eventos científicos de renome no país e no exterior, convites para participar de comitês científicos internacionais, projetos Cientista do Nosso Estado, Edital Universal do CNPq e coordenação em nível nacional de projeto PRONEX (projeto Controle de Sistemas Dinâmicos ). Ao longo da última década importantes avanços científicos foram alcançados por este grupo nos temas de análise e controle de sistemas dinâmicos sujeitos a incertezas de modelagem. Apesar destes avanços, torna-se necessário ampliar as atividades de P&D visando incluir novos temas estratégicos para ciência e tecnologia no país. É neste contexto que se insere o presente projeto, que tem como foco a pesquisa sobre métodos estocásticos e robustos de modelagem e controle e aplicações em sistemas complexos, tais como sistemas robóticos, sistemas econômicos, 65

67 sistemas de redes de informação, manufatura. Objetivos e Resultados Esperados Expansão das atividades de P&D no LNCC na área de métodos estocásticos e robustos de modelagem, controle e estimação de sistemas dinâmicos complexos, tais como em: sistemas robóticos, redes de comunicação wireless, sistemas econômicos/financeiros, processamento colaborativo de informação e sinais em redes de sensores wireless, e sistemas interligados de grande escala envolvendo subsistemas com dinâmicas híbridas contínua/discreta e sujeitos a falhas; Desenvolvimento de metodologias estocásticas e robustas de modelagem, análise e projeto de estratégias de controle para classes de sistemas complexos envolvendo subsistemas com dinâmicas híbridas contínua/discreta e sujeitos a falhas em componentes e/ou interconexões e suas aplicações a problemas de redes de informação, como por exemplo, em problemas de congestionamento de tráfego em Internet; Desenvolvimento de atividades em modelagem dinâmica de sistemas robóticos e projeto de estratégias de controle avançado, tais como, controle robusto, controle não-linear, e controle adaptativo; Modelagem e controle estocástico de importantes problemas em sistemas econômicos/financeiro, tais como otimização de carteiras de investimentos e seleção de ativos; Desenvolvimento de técnicas de reconstrução de sinais não acessíveis (nãomensuráveis) em classes de sistemas de redes de informação levando em consideração incertezas de modelagem, em particular em redes de comunicação wireless com perdas randômicas de pacotes de informação; Algoritmos de programação dinâmica exata e aproximada para a solução de classes de problemas de decisão Markovianos e suas aplicações a problemas-teste nas áreas de manufatura, filas e roteamento; Expansão das atividades de P&D em sistemas sujeitos à tráfego pesado (em particular problemas de balanceamento de redes internet) e questões relevantes em Dinâmicas de Populações (como, por exemplo, representações em termos de equações estocásticas que permitam a utilização eficiente de uma imensa quantidade de dados disponíveis); Expansão das atividades de P&D em processamento de sinais, com ênfase nos tópicos de pesquisa relacionados à Análise e Síntese de Sinais de Áudio, tais como: Restauração Digital de Áudio; Processamento Adaptativo em Áudio; Reconhecimento de Padrões em Música; Avaliação de Qualidade de Sinais de Áudio e Voz; Métodos Matemáticos e Numéricos Aplicadas às Engenharias e Ciências Relevância do Tema Nas últimas décadas importantes resultados científicos e tecnológicos, com grande 66

68 impacto econômico, vêm sendo obtidos via computação intensiva aplicada a problemas antes considerados intratáveis. Alguns exemplos clássicos incluem as engenharias aeronáutica, mecânica, nuclear, ambiental, civil, de petróleo e ciências biológicas. Com as fronteiras do conhecimento alargadas, outros desafios se apresentam, e desta vez combinações de diversas ferramentas das várias áreas são essenciais. A matemática aplicada aí se enquadra, pois permite o completo entendimento de propriedades intrínsecas dos problemas em questão, permitindo o desenvolvimento de métodos matemáticos e computacionais adequados. Também aqui se apresenta um novo desafio para a própria matemática, pois conhecimentos de diferentes áreas têm que ser combinados para haver chance de sucesso. Comumente os problemas de interesse prático, das engenharias e de ciências em geral, têm sua modelagem, quando esta é possível, via Equações Diferenciais Parciais, freqüentemente não-lineares. Estas equações são em geral extremamente complexas, com propriedades muitas vezes surpreendentes, e não intuitivas. Estas propriedades têm que ser levadas em conta no projeto de métodos numéricos apropriados, tema da análise numérica. Outro aspecto extremamente importante associado a simulações numéricas de problemas de interesse prático e complexos refere-se ao fato de que sempre vêm acompanhadas de incertezas e erros. Estas características são muitas vezes agravadas pela precariedade ou ausência das informações necessárias para caracterizar a fenomenologia. Na modelagem matemática as principais incertezas estão associadas tanto à escolha do modelo matemático utilizado, tendo em vista o fenômeno físico que se deseja modelar, quanto aos parâmetros das equações, às condições de contorno e iniciais. Na modelagem numérica existem incertezas associadas às formulações utilizadas e ao procedimento de discretização. Os erros estão associados ao número de incógnitas e à ordem do polinômio interpolante (erro de discretização espacial), à escolha do passo de tempo (erro de discretização temporal) e à obtenção da solução aproximada do sistema de equações algébricas (erro de aproximação). O principal objetivo de qualquer simulação numérica é prever o valor de uma quantidade de interesse, que será utilizada para uma determinada tomada de decisão. Devido às incertezas envolvidas em vários níveis na simulação, a questão primordial é a confiabilidade da predição. Neste contexto, o desenvolvimento de procedimentos para a verificação, validação e adaptação devem ser etapas de qualquer simulação numérica. Assim, a plena compreensão dos resultados de simulações e do próprio problema estudado, do método matemático adequado e do método numérico requer um esforço no entendimento dessas áreas no início da modelagem matemática/numérica para o sucesso dos resultados obtidos quando se abordam os problemas de engenharias e de ciências. Descrição do Projeto Apresentamos abaixo uma breve descrição de temas pertinentes a este projeto: Modelagem, análise e simulação em Fenômenos de Transporte A. Reologia Computacional - De maneira geral os fluidos não-newtonianos são caracterizados por não obedecerem a relação linear de Newton entre o tensor de tensões e o tensor taxa de deformação para determinadas condições de pressão e temperatura. A característica não linear da constituição da maioria desses fluidos é complicante suficiente para que a teoria fluidodinâmica ainda não esteja completamente desenvolvida, mesmo para os casos mais simples. Neste tema serão desenvolvidas pesquisas em fluidos com comportamento pseudoplástico (sem tensão limite) e em fluidos que apresentam tensão limite (ou residual) lineares e não lineares. Propõe-se dar continuidade às pesquisas em andamento na área de modelagem, simulação e análise numérica para problemas de 67

69 escoamento de fluidos predominantemente pseudoplásticos com diferentes equações constitutivas, investigando também os efeitos térmicos que podem acarretar mudanças consideráveis nas características físicas de tais fluidos como, por exemplo, na viscosidade e, consequentemente, no estado de tensões. Tendo em vista que esses problemas são caracterizados por fortes não linearidades e acoplamentos, perdendo, assim, certas propriedades matemáticas dos casos particulares lineares, cuja teoria é melhor estabelecida, torna-se indispensável que as abordagens numéricas via elementos finitos sejam feitas utilizando-se modelos mistos e formulações estabilizadas não convencionais. Um outro aspecto reológico de interesse é o da difusão de antígenos, que comumente se estuda em uma escala somente. Neste tema será feita uma abordagem de duas escalas, envolvendo o tecido e o potencial de ação para mediação de mastócitos no caso de processo alérgico, elaborando-se uma equação constitutiva que considere esses dois aspectos B Modelagem em Conforto Térmico - Conforto térmico é definido pela American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) como estado de espírito que reflete a satisfação térmica que envolve uma pessoa, ou seja, a sensação de nem frio nem quente. Na arquitetura a análise desta propriedade possibilita corrigir eventuais erros ou, ainda, selecionar os melhores arranjos nos projetos originais sugerindo alterações que possam adequar o desenho ou projeto existente às necessidades do clima local. Assim, a utilização de modelos computacionais em ambientes construídos vem de encontro à necessidade de trabalhar situações o mais próximo possível da realidade, estudando espaços funcionais que proporcionem conforto, desta forma, replanejando e fornecendo parâmetros para experimentos. Neste tema, modelagem e simulação em problemas de adaptação de ambientes construídos serão considerados, visando fazer modificações, através das condições de circulação do ar de ambientes já construídos e também na fase de projeto, a baixos custos. Discretização, Análise Numérica, Assintótica e Controle de Equações Diferenciais Parciais - Um dos enfoques desta linha é o estudo do comportamento das equações discretizadas, com desenvolvimento de métodos de elementos finitos estabilizados e/ou multiescalas. As discretizações espaciais permitem que problemas baseados em equações diferenciais parciais recaiam na resolução de um sistema de equações diferenciais ordinárias. Para tal sistema, as ferramentas teóricas da área de controle elaboradas no LNCC são naturalmente aplicáveis. Os problemas de interesse envolvem equações de transporte do tipo singularmente perturbados, problemas mistos e EDPs com coeficientes oscilatórios, que descrevem sistemas heterogêneos; Pretendemos aplicar diversas técnicas acima estudadas em problemas de fluidos em meios porosos, petróleo, problemas de transporte, materiais piezoelétricos. A presente linha de pesquisa prevê em sua abordagem metodológica tanto a fase de análise matemática quanto a numérica, e na interação entre esses vários componentes reside à fertilização cruzada que enriquecerá a inovação tecnológica no desenvolvimento de simuladores computacionais eficientes e inspirará novas idéias e teorias matemáticas no tratamento de questões científicas abertas na área das Equações Diferenciais Parciais e no controle de tais sistemas. Análise Matemática e Numérica em Mecânica dos Fluidos - Neste tema se visa a formulação variacional e análise numérica em problemas de escoamentos, incluindo análise matemática, estudo de convergência de novas formulações e desenvolvimento de códigos computacionais, com aplicações em meio ambiente, reservatórios de petróleo, engenharia nuclear, águas subterrâneas, aeronáutica, escoamentos biológicos e biosistemas. 68

70 Escoamentos termicamente acoplados - Em inúmeras aplicações industriais, tais como extrusão, fundição ou moldagem, são encontrados materiais submetidos a altas temperaturas ou na fase líquida governados por leis constitutivas não newtonianas e com predominância de efeitos viscosos sobre os termos convectivos. Nesses casos, onde o campo de temperatura é variável, o modelo natural é o de Stokes generalizado termicamente acoplado, uma vez que, em geral, os parâmetros das leis constitutivas, viscosidade, tensão de escoamento, índices de potência de leis power-law, podem ser altamente dependentes da temperatura. Em outras situações de grande interesse, como escoamento sanguíneo de fluidos biológicos, a inclusão dos termos convectivos é de fundamental importância na modelagem, assim gera o modelo de Navier-Stokes generalizado termicamente acoplado. A equação de temperatura é elíptica ou parabólica semilinear. Escoamentos de fluidos não newtonianos mesmo modelos simplificados apresentam grandes dificuldades matemáticas e numéricas. Problemas de interface - Em mecânica dos fluidos, existem problemas de interfaces de dois ou mais fluidos com densidades, viscosidades, pressões e velocidades diferentes, as interações entre os fluidos podem gerar as complexidades de fenômenos com instabilidades interfaciais. Nos problemas correlacionados ao escoamento em meios porosos que um modelo preciso deve ser capaz de representar, está a interação entre o escoamento de um fluido livre e um meio poroso saturado com este fluido, modelada através de um sistema basicamente composto pela equação de Stokes para o fluido livre e pela lei de Darcy para o meio poroso, conectadas através de condições de contorno na superfície de interface entre os meios. No caso de hidrodinâmica de radiação onde densidade, velocidade, pressões (de eletrônico, íon e fóton) e energias (de eletrônico, íon e fóton) são fortemente acopladas pela lei de conservação e equações de estados eletrônico, íon e radiação, o calor de radiação é governado pela equação parabólica nãolinear degenerada que depende das densidade, energias, etc.. O problema de interfaces em multimeio é altamente complexo. As elevadas densidades levam instabilidades interfaciais de Rayleigh-Taylor. Do ponto de vista da aproximação numérica, mesmo o modelo simples apresenta dificuldades. A construção de métodos numéricos estáveis e precisos, capazes de captar esses fenômenos, constitui um grande desafio da modelagem computacional. Análise de Sensibilidade Topológica A Análise de Sensibilidade Topológica fornece um desenvolvimento assintótico para um funcional de forma adotado, cujo termo principal é um campo escalar, denominado derivada topológica, que mede a sensibilidade do referido funcional quando uma perturbação singular (furo, inclusão, termo-fonte, etc) infinitesimal é introduzida em um ponto arbitrário do domínio. A derivada topológica tem sido aplicada com sucesso, portanto, no contexto de otimização topológica, problemas inversos e processamento de imagens. Assim, a Análise de Sensibilidade Topológica é reconhecida como uma importante área de pesquisa que vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos anos. Atualmente trabalha-se no desenvolvimento teórico e aplicações da Análise de Sensibilidade Topológica de primeira e segunda ordem nas três grandes áreas ora mencionadas. Através desta linha de pesquisa objetiva-se, fundamentalmente, trabalhar no desenvolvimento teórico e aplicações da Análise de Sensibilidade Topológica de primeira e segunda ordem no contexto de otimização topológica, problemas inversos e processamento de imagens. Quantificação de Incertezas, Verificação e Validação - Neste tema, o enfoque é o desenvolvimento de métodos robustos para a resolução eficiente de problemas nos quais estejam presentes incertezas nos parâmetros físicos. Ênfase será dada à confiabilidade 69

71 da solução e à eficiência computacional. Modelos de incerteza do modelo, de dados, parâmetros e de controle de erros serão desenvolvidos utilizando a Teoria de Conjuntos Fuzzy e teoria da Evidência. Para as situações nas quais se conhece estatísticas associadas à variabilidade paramétrica, serão desenvolvidos estimadores de erro a posteriori associados às quantidades de interesse relevantes. À partir deles, técnicas adaptativas serão desenvolvidas para a automática adaptação da dimensão do espaço probabilístico e dos parâmetros de discretização do espaço físico. Serão estudados procedimentos para a calibração, validação e predição de quantidades de interesse baseados nos desenvolvimentos anteriores. Aplicações: Pretendemos aplicar diversas técnicas acima estudadas em problemas de fluidos em meios porosos, petróleo, conforto térmico problemas de transporte, materiais piezoelétricos, modelos em meio ambiente (dispersão de poluentes, impacto em ecosistemas), recursos hídricos e modelos de crescimento de tumores. Meta-heurísticas e Aplicações - Com este projeto pretende-se dar continuidade às atividades de pesquisa que vêm sendo desenvolvidas na área de meta-heurísticas, em especial as de inspiração natural, tanto em seus aspectos básicos como em suas aplicações, a fim de gerar novos procedimentos computacionais eficazes e eficientes para a resolução de vários problemas relevantes em Engenharia Mecânica (em especial ligados à otimização e à identificação), Pesquisa Operacional, Mineração de Dados, bem como problemas relevantes na área de Modelagem Molecular em Biologia. Uma característica dos problemas de otimização e identificação mencionados acima é a necessidade de se realizar numerosas simulações computacionais com modelos complexos (via método dos elementos finitos, por exemplo) com alta demanda de recursos computacionais, especialmente quando se deseja explorar a generalidade das meta-heurísticas consideradas. A fim de poder tratar problemas de complexidade cada vez maior, propõe-se aqui: (i) a busca de meta-heurísticas mais eficientes; (ii) o uso de meta-modelos, para substituição parcial dos modelos complexos de simulação e (iii) sua implementação em arquiteturas de alto desempenho, através do desenho de algoritmos que explorem o paralelismo inerente às técnicas aqui propostas. Sistemas Dinâmicos Dissipativos Controle e Aplicações - Será estudada a estabilidade linear e não linear de soluções constantes para alguns modelos ecológicos com difusão incluindo os sistemas de Cantrell-Cosner e de May-Leonard. Serão estudadas as regiões onde a estabilidade linear e não linear coincidem e serão verificados os raios de atração dos correspondentes dados iniciais. Trataremos estes assuntos em várias dimensões e para termos não lineares gerais. Nosso propósito é estender estes modelos para casos de dependência a diversas drogas. Este é um problema que envolve sérias dificuldades na abordagem em Equações Diferenciais Parciais. A primeira porque os portadores destes problemas podem extrapolar cidades ou países o que faz com que pelo menos um dos coeficientes de difusão sejam bem pequenos (ou nulo) em comparação aos outros. Isto implica que o sistema resultante seja do tipo parabólico hiperbólico. Outro problema envolvendo estas modelagens é a forma das não linearidades que intervêm na modelagem produzidas pelo fato que neste caso não é possível supor que a população seja constante. Nos modelos acima ainda podemos utilizar a teoria de controle ótimo para encontrar estratégias de aplicações de vacinas. O propósito dos modelos matemáticos na quimioterapia do câncer é predizer o curso da doença quando está sendo aplicado um tratamento. É importante porque é mais econômico formular um modelo matemático e simulá-lo no computador, do que fazer experimentos clínicos envolvendo até assuntos éticos, quando novas terapias são postas em prática. Um tumor é caracterizado pelo número de células que contém, e pela taxa de crescimento do número de células. O número de células cancerosas num tumor pode ser calculado pelo 70

72 volume do tumor devido ao fato da existência de uma relação aproximadamente linear entre o volume do tumor e o número de células. Nem todas as células cancerosas se comportam da mesma forma, porém um tumor contendo um número grande de células se desenvolve de forma homogênea, facilitando a modelagem matemática. Consideraremos não apenas o crescimentos das células cancerosas mas também sua propagação no organismo humano. Isto será tratado como um fenômeno difusivo. Em alguns canceres se observa que a medida que a massa do tumor aumenta a taxa de crescimento é mais lenta. Por exemplo, o câncer de mama, chega a crescer até 5 vezes entre a fase inicial e a fase terminal. Para isto usamos outros modelos de crescimento, como o denominado modelo logístico. A principal característica deste modelo é que sua taxa de crescimento vai decrescendo e, portanto, a população se aproxima a um nível estável chamada população planalto. A população planalto de células cancerosas esta acima do nível letal ao hospedeiro. Este modelo modela bem o número de células cancerosas até elas chegarem próximos a população planalto. Uma outra alternativa para modelar crescimento de tumor quando a taxa de crescimento do tumor vai decrescendo é o modelo conhecido pelo nome de Modelo de Gompertz. Em estudos recentes foi comprovado que para quatro de cinco populações tumorais, o modelo acima forneceu boas aproximações. Objetivos e Resultados Esperados Assim, para escoamentos pseudoplásticos, propomos o desenvolvimento de algoritmos e formulações bem como análise de elementos finitos para problemas de escoamento de fluidos predominantemente pseudoplásticos, tendo em vista diferentes tipos de equações constitutivas advindas de modelos Sisko, Walburn- Schenk no escopo da reologia sangüínea computacional em escoamentos não viscométricos, considerando efeitos de hematócrito e nível de proteínas e estudo da inclusão da dependência do diâmetro nesses modelos. Consideração de efeitos térmicos Arrhenianos e não Arrhenianos para o modelo Power-law em casos de polímeros e fluência em sólidos; Para os escoamentos com tensão limite presente, propomos a modelagem desses problemas através de métodos estabilizados de elementos finitos mistos com aproximações descontínuas, com base no que vem sendo desenvolvido no LNCC, tanto para o modelo clássico de Bingham quanto para suas regularizações e extensões, sem transferir a instabilidade para o contorno, com base no que temos desenvolvido com sucesso para fluidos que apresentam pseudoplasticidade, fenômeno que também está presente nos fluidos com tensão residual. No caso do processo alérgico, objetiva-se desenvolver uma equação constitutiva e um modelo em duas escalas que clarifique a participação da mediação ou não de mastócitos no processo alérgico, dando uma sugestão para novos experimentos de laboratório. Em conforto térmico objetiva-se a análise e previsão de conforto térmico em ambientes construídos, através da modelagem e simulação numérica das condições de circulação do ar e respostas térmicas, tendo em vista a economia de energia, no âmbito da construção auto-sustentável; Na área de modelagem de EDPs em domínios rugosos, pretendemos desenvolver condições de contorno efetivas que levem em conta a curvatura da fronteira. Estas condições de contorno efetivas serão utilizadas como condições de acoplamento 71

73 para problemas multi-modelos. Em problemas em corpos delgados, pretendemos desenvolver estimativas de erro para métodos hierárquicos; Na parte referente à Análise Numérica, pretendemos continuar a desenvolver e analisar novos métodos de elementos finitos estabilizados multiescalas e aplicar esse conhecimento às aplicações acima descritas, em particular às equações de transporte singularmente perturbados e com coeficientes oscilatórios. Estas técnicas de discretização permitirão o desenvolvimento de controladores para sistemas de EPDs; Análise numérica e implementação computacional de novos métodos de elementos finitos para os problemas com características de precisão de estabilidade superiores aos existentes; Como resultado esperado destaca-se a consolidação da Análise de Sensibilidade Topológica como linha de pesquisa no LNCC, permitindo criar uma estrutura de trabalho multidisciplinar de modo a desenvolver desde novos modelos, métodos e ferramentas matemáticas, até algoritmos de otimização, problemas inversos e modelagem mecânica; No tema associado à variabilidade não probabilística, este projeto prevê o desenvolvimento e implementação da análise não-probabilística (via teoria de conjuntos Fuzzy) através do método de elementos finitos fuzzy, assim como a comparação com outras metodologias; estudo e implementação de métodos para selecionar as variáveis mais críticas durante a simulação; análise de diferentes métodos para lidar com o Princípio de Extensão e o desenvolvimento de modelos que combinem os controles Fuzzy do erro espacial e temporal com a incerteza dos parâmetros; No tema associado à variabilidade probabilística, este projeto prevê o desenvolvimento de formulações variacionais multiescala estocásticas; desenvolvimento de estimador de erro a posteriori baseado em conceitos de dualidade; desenvolvimento de estratégias adaptativas para a estratégia adaptativa para a determinação da dimensão do espaço probabilístico e para a construção de malhas anisotrópicas tanto para o espaço probabilístico quanto para o espaço físico; desenvolver procedimento para construção do processo de calibração e validação para problemas de transporte e problemas de crescimento tumoral sujeito a incertezas paramétricas; Pretende-se obter um conjunto de metodologias eficazes (baseadas em metaheurísticas) para a resolução de problemas complexos de otimização e identificação em Engenharia, Pesquisa Operacional, Mineração de Dados,e de otimização global para a predição da estrutura tridimensional de proteínas, diretamente implementáveis em plataformas computacionais de alto desempenho plenamente acessíveis à indústria nacional; Estudo da forma de evolução de um tumor sob a ação quimioterápica; Publicações em periódicos nacionais e internacionais; Promover a divulgação dos resultados em congressos nacionais e internacionais; 72

74 Desenvolver e implementar novas metodologias computacionais; Formação de recursos humanos qualificados Modelagem Computacional da Difusão do Conhecimento Relevância do Tema Pode-se dizer que a história dos sistemas de pensamento político e social ocidentais é a expressão de um conflito profundo entre dois tipos de conhecimento: conhecimento como ciência e conhecimento como cultura. Tal conflito revela-se também na histórica dicotomia racional-social entre as abordagens empíricas e normativas de produção do conhecimento científico e toma proporções cada vez mais significativas quando se considera a força da aplicação dos conhecimentos científicos no impulso da cadeia acelerada de transformações tecnológicas na sociedade contemporânea, mas, ao mesmo tempo, este é um processo do qual poucos ainda participam. A importância da participação de diferentes segmentos da sociedade nos processos de transformação cientifica e tecnológica é outra das razões para se instituir esta proposta que busca superar fatores restritivos a tal participação. Descrição do Projeto Este projeto tem como meta investigar sob o ponto de vista interdisciplinar a complexidade dos processos de geração e difusão do conhecimento agregando pesquisadores das áreas de ciências exatas, sociais, humanas e neurociências buscando a construção de modelos de interpretação, análise e explicação desses processos e seus impactos na sociedade. Pretende-se expor as bases iniciais para um modelo orientado para a exploração dos processos de evolução de conhecimento numa cadeia produtiva; ou mesmo num grupo social que interage criando e transferindo conhecimento. Dentro desta concepção, as atividades de pesquisa a serem desenvolvidas neste tema, no período ( ), no âmbito deste Projeto PCI, mantêm o mesmo objetivo original, e refletem um avanço em relação aos resultados obtidos no período anterior (ver relatório PCI ( ). Além disso, participam também deste projeto pesquisadores das seguintes instituições: Universidade Federal do rio de Janeiro (UFRJ); Universidade Federal da Bahia (UFBA); Universidade Federal de Santa Catarina(UFSC); Universidade federal de Minas Gerais (UFMG); Universidade Estadual do Rio de Janeiro(UERJ); Universidade Estadual da Bahia(UNEB); Universidade Estadual Feira de Santana(UEFS); Universidade Estadual de santa Cruz(UESC); CIMATEC-BA (SENAI). Situação Atual 73

75 No período anterior, foi desenvolvido um modelo para a simulação qualitativa da evolução de uma cadeia de conhecimento, considerando-se simultaneamente a geração e a difusão de conhecimento. Este modelo é descrito por uma equação diferencial parcial dependente do tempo, com termos de ordem zero (geração) e derivadas segundas (difusão) na variável espacial. Os resultados obtidos com este modelo computacional reproduzem qualitativamente diversos cenários conhecidos na prática. No entanto, na fundamentação deste modelo surgem parâmetros, que exigiriam a realização de experimentos, para uma melhor avaliação quantitativa dos resultados numéricos. São eles: i) Impedância Cognitiva (que caracteriza a velocidade de aprendizado, coeficiente associado com a derivada primeira no tempo); a criatividade, (relacionado com a geração do conhecimento- coeficiente associado com a derivada de ordem zero na variável espacial função que caracteriza a evolução da cadeia de conhecimento no tempo); e difusividade, (relacionada com a permeabilidade da cadeia ao fluxo de idéias- coeficiente do termo de derivada segunda, associada a difusão do conhecimento). ii) iii) iv) Dada a dificuldade da realização de experimentos, para uma avaliação precisa destes parâmetros (meio social), e a inevitável incerteza dos dados colhidos, optamos por uma abordagem Fuzzy na caracterização destes parâmetros. Um primeiro modelo foi desenvolvido anteriormente, mas tratamentos mais elaborados desta linha de atuação serão objetos de pesquisas deste PCI. Seguindo esta mesma linha de procedimento, propusemos a utilização de métodos e técnicas de problemas inversos, a partir dos quais, uma vez estabelecida a configuração final desejável para a cadeia de conhecimento, procuramos quantificar os valores requeridos para estes parâmetros. Como no caso anterior, esta também é uma linha de pesquisa ainda incipiente, requerendo, portanto, um maior aprofundamento neste tópico. Na construção do modelo descrito no item 1, assumimos que o processo de difusão de conhecimento obedecia à lei clássica de Fick de forma que cada célula de conhecimento distribuía igualitariamente para as células adjacentes, 50% do seu conteúdo (distribuição Gaussiana da densidade de conhecimento). Esta hipótese restringe processos mais realistas, pois elimina a possibilidade de retenção de parcela do conhecimento em cada célula que compõe a cadeia de conhecimento. Ao reformularmos esta hipótese, verificamos que a retenção de conhecimento introduzia termos envolvendo derivadas de 4 a ordem. Este é um resultado novo e que tem desdobramentos importantes em outras áreas do conhecimento entre os quais, por exemplo, a proposição de novas relações constitutivas para o tratamento de problemas de escoamento em meios porosos e problemas adsorção, entre outros. Mais uma vez, este é um novo tema que será objeto de pesquisas deste PCI. 74

76 v) Ainda no tema de difusão e transferência de conhecimento optamos por uma linha diferenciada em que o nível de conhecimento dos indivíduos era classificado de acordo com a taxonomia de Bloom. Com este enfoque, evitávamos a construção de um modelo matemático baseado em equações diferenciais, e buscávamos uma população de indivíduos que evoluía o seu nível de conhecimento de acordo com aquela taxonomia. Durante o desenvolvimento deste tema verificamos que, com pequenos ajustes na taxonomia de Bloom e uma adaptação no conceito de evolução, seria possível generalizar a idéia original e estendê-la para uma metodologia que corroboraria a Teoria de Darwin sobre a evolução de espécies. Este é também um resultado novo. Um maior aprofundamento neste tópico e resultados mais densos nesta linha de trabalho farão parte dos temas de pesquisas a serem desenvolvidos neste PCI. Objetivos e Resultados Esperados Desenvolvimento de modelos matemáticos e computacionais aplicados à Modelagem da Difusão do Conhecimento; Desenvolvimento de meta-heurísticas para quantificação da influência de parâmetros associados a: criatividade, transmissibilidade, e impedância cognitiva da rede de conhecimento; Simulação de cenários para aplicação de Políticas Públicas para CT&I (Desenvolvimento Científico, Tecnológico e Inovação); Orientações de teses de Doutorado pelo grupo de pesquisadores ligados a este projeto no tema Difusão do Conhecimento; Transferência de Conhecimento por meio de cursos ministrados por pesquisadores e tecnologistas do LNCC/MCT para outras instituições de pesquisas nacionais; Continuação do desenvolvimento de um sistema para Representação de Conhecimento baseado em Ontolologias que permite que as informações contidas nos relatórios de P&D do LNCC sejam compartilhadas tanto por pesquisadores do LNCC quanto na WEB. Para tanto, foi criado um grupo de trabalho envolvendo alunos de doutorado da UFBA e de mestrado do SENAI-CIMATEC/BA tendo como um dos objetivos o de projetar, programar, implementar e validar os sistemas computacionais necessários para a construção da referida Ontologia. É importante ressaltar que este sistema pode ser aplicado (com pequenos ajustes) na utilização da futura biblioteca digital do LNCC; Publicação de três artigos em periódicos; Publicação de artigos em congressos nacionais/internacionais; Publicação de um livro em Modelagem da Difusão de Conhecimento. 75

77 5.4 Programa pesquisadores visitantes Por períodos de curta ou longa duração, este programa pretende incorporar nas atividades de P&D previstas nas Grandes Áreas e nos Projetos Estruturantes jovens e produtivos pesquisadores. Durante a implementação das bolsas para atender o Programa de Pós-Doutoramento ou para atender os Projetos Estruturantes e Núcleos de Pesquisa, ocorrem períodos onde estas bolsas não são efetivamente implementadas. Assim, estes recursos não utilizados serão empregados pelo presente Programa. Desta maneira, este programa não requer recursos próprios já que os mesmos serão obtidos através dos recursos não utilizados pelos outros projetos (Programa de Pós-Doutoramento e apoio aos Projetos de Pesquisa). 5.5 Necessidades de bolsas por área/tema Do Relatório de Atividades do PCI no biênio pode-se observar que todas as atividades de P&D apoiadas nesse PCI estão estreitamente vinculadas com a proposta do PCI para o biênio Assim as bolsas (e os bolsistas) ainda ativas do PCI anterior serão alocadas inicialmente nos correspondentes projetos do PCI atual e, através da avaliação por parte da Comissão do PCI/LNCC esta alocação inicial poderá ser modificada de maneira a atender melhor as necessidades dos projetos e manter a qualidade técnico-científica dos projetos. A previsão que será apresentada corresponde ao período de um ano entre 05/2010 e 04/2011, sendo que para o restante do período de vigência do projeto PCI (um ano) as mesmas estimativas de bolsas serão válidas. O nome do bolsista será explicitado no caso de bolsas ainda ativas até a data de 30/04/ Programa de Pós-Doutoramento 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ , Computação Científica Distribuída e de Alto Desempenho Computação Científica Distribuída 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Mariza Ferro) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Fábio Lopes Licht * ) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Matheus Bousquet Bandini*) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Ramon Gomes Costa) = R$ ,84 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 (Patrícia Araújo P. Costa) = R$ ,76 76

78 Total/ano estimado para este projeto R$ ,26 *Bolsa em processo de reavaliação de nível Redes de Computadores 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (André Castelucio) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Bruno de Souza P. M. Correa) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Marcos Lima Kirszeblatt) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Thiago Boubée Cardoso) = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ , Computação Massivamente Paralela 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Pablo Javier Grunmann) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Marcos André da Frotta Mattos) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Roberto Pinto Souto**) = R$ ,44 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 (Alexandre Vassalo Monteiro) = R$ ,76 Total/ano estimado para este projeto R$ ,08 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT BASES DE DADOS MASSIVOS 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ , Informação e Computação Quântica 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ , Visualização Científica, Ambientes Virtuais Colaborativos e Realidade Virtual 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Ana Maria de Carvalho Moura) = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Renata Alves Campos) = R$ ,98 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Daniel Ribeiro Chelles) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Danúbia de Araújo Machado) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Danyela do Amaral Santos) = R$ ,68 77

79 1 DTI 7H, R$ 868,08 (André Sobiecke**) = R$ ,96 1 ITI 1A, R$ 300,00 = R$ 3.600,00 Total/ano estimado para este projeto R$ ,42 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT Biologia Computacional (I) Bionformática 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Milena Magalhães**) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Viviani Ribeiro Rocha**) = R$ ,84 Total/ano estimado para este projeto R$ ,00 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT (II) Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 = R$ ,76 Total/ano estimado para este projeto R$ ,74 (III) Modelagem e Métodos Matemáticos em Biossistemas 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Daniele Quintela Madureira) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 Total/ano estimado para este projeto R$ , Modelagem Computacional em Reservatórios de Petróleo, Águas Subterrâneas e Captura de CO2 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Juarez dos Santos Azevedo) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Ramon de Souza Domingues) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Tuane Vanessa Lopes) = R$ ,68 78

80 Total/ano estimado para este projeto R$ , Medicina Assistida por Computação Científica 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ , Métodos Estocásticos e Robustos em Modelagem, Estimação e Controle, e Aplicações 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Saul de Castro Leite) = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ , Métodos Matemáticos e Numéricos Aplicadas às Engenharias e Ciências 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Guilherme Novaes Ramos) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Júlio Cezar Alves Thomaz) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Marlon Michael L. Flores) = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ , Modelagem Computacional da Difusão do Conhecimento 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Regina Célia F. de Souza) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 Total/ano estimado para este projeto R$ ,88 79

81 5.6 Mecanismos Internos de Avaliação dos Bolsistas A avaliação do desempenho técnico-científico dos bolsistas é realizada pela Comissão do PCI integrada pelo Diretor do LNCC, os 05 chefes das Coordenações do LNCC e pelo Coordenador do PCI. Foi criado um portal dedicado ao PCI no LNCC que contêm todas as informações sobre o funcionamento, relatórios/tabelas e submissão/julgamento das bolsas PCI. Desta forma a aprovação e acompanhamento do bolsista será todo on-line. Além do relatório final ao término da bolsa, o bolsista de longa duração deverá encaminhar via o Portal PCI relatórios com a seguinte periodicidade em função do tipo de trabalho a ser desenvolvido: Pesquisa: um relatório semestral sucinto (máximo de 1 página) informando sua produção técnico-científica no período, incluindo-se a este o parecer do coordenador do projeto de pesquisa ao qual o bolsista está vinculado; Desenvolvimento: um parecer trimestral do coordenador do projeto de pesquisa ao qual o bolsista está vinculado Este instrumento proporcionará agilidade e total transparência sobre as atividades do bolsista dentro do LNCC, e será instrumento fundamental de eventuais reconsiderações sobre a continuação da bolsa. Os bolsistas de pesquisa também deverão dar um seminário anual (divulgado para todo o corpo técnico-científico do LNCC) relatando os resultados de suas pesquisas/projetos. Os coordenadores (e/ou orientadores) dos bolsistas de desenvolvimento ficarão também responsáveis por ministrar um seminário anual relatando os desenvolvimentos dos respectivos projetos. 5.7 Equipe envolvida, incluindo os técnicos da instituição a serem engajados no projeto (perfil do bolsista por área/tema) Programa de Pós-Doutoramento 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ ,94 80

82 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido através de concurso 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 1/5/2010 a 30/4/ Formação Acadêmica: Doutor com formação em alguma das vertentes do conhecimento : Computação Científica de de Alto Desempenho; Bioinformática & Biologia Computacional, Modelagem Estocástica; Modelagem Multiescala; Modelagem Computacional de Processos Complexos 5. Área de Atuação: Produtivo pesquisador em alguma das seguintes Grandes Áreas de atuação: Sistemas e Controle; Mecânica Computacional, Matemática Aplicada e Computacional, Biologia Computacional e Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 7. Resumo do Plano de Trabalho Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) Não corresponde. 9. Local da execução do projeto Laboratório Nacional de Computação Cientifica - LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 81

83 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido através de concurso 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 1/5/2010 a 30/4/ Formação Acadêmica: Doutor com formação em alguma das vertentes do conhecimento : Computação Científica de de Alto Desempenho; Bioinformática & Biologia Computacional, Modelagem Estocástica; Modelagem Multiescala; Modelagem Computacional de Processos Complexos 5. Área de Atuação: Produtivo pesquisador em alguma das seguintes Grandes Áreas de atuação: Sistemas e Controle; Mecânica Computacional, Matemática Aplicada e Computacional, Biologia Computacional e Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 7. Resumo do Plano de Trabalho Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) Não corresponde. 9. Local da execução do projeto Laboratório Nacional de Computação Cientifica - LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 82

84 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido através de concurso 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 1/5/2010 a 30/4/ Formação Acadêmica: Doutor com formação em alguma das vertentes do conhecimento : Computação Científica de de Alto Desempenho; Bioinformática & Biologia Computacional, Modelagem Estocástica; Modelagem Multiescala; Modelagem Computacional de Processos Complexos 5. Área de Atuação: Produtivo pesquisador em alguma das seguintes Grandes Áreas de atuação: Sistemas e Controle; Mecânica Computacional, Matemática Aplicada e Computacional, Biologia Computacional e Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 7. Resumo do Plano de Trabalho Será conhecido após o concurso (este será um dos elementos a serem considerados no concurso). 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) Não corresponde. 9. Local da execução do projeto Laboratório Nacional de Computação Cientifica - LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 83

85 5.7.2 Computação Científica Distribuída e de Alto Desempenho Computação Científica Distribuída Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Antônio Tadeu Azevedo Gomes Artur Ziviani Bruno Richard Schulze Eduardo Lúcio Mendes Garcia Fabio Andre Machado Porto Jauvane Cavalcante de Oliveira Raúl A. Feijóo Renato Portugal Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Mariza Ferro) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Fábio Lopes Licht * ) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Matheus Bousquet Bandini*) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Ramon Gomes Costa) = R$ ,84 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 (Patrícia Araújo P. Costa) = R$ ,76 Total/ano estimado para este projeto R$ ,26 *Bolsa em processo de reavaliação de nível 84

86 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Mariza Ferro 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Ciência da Computação e Matemática Computacional 5. Área de Atuação: Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Professora: Faculdade Santa Giulia, Associação de Escolas Reunidas e Faculdade Politécnica de Matão. 7. Resumo do Plano de Trabalho A natureza complexa e dinâmica das Grades Computacionais (GC) resultam em uma dificuldade para as tarefas de configuração e gerenciamento desses ambientes. Assim, uma abordagem na qual a GC fosse capaz de se autorrecuperar de falhas se torna de grande importância. Porém, desenvolver um componente completo de autorrecuperação é uma tarefa complexa que envolve a implementação de muitas habilidades. Assim, propõe-se inicialmente o desenvolvimento das habilidades de predição e diagnóstico das causas de uma falha. É proposto o uso de Aprendizado de Máquina (AM), mais especificamente, Programação Lógica Indutiva para a construção desses preditores de falhas e possibilitar a realização de diagnóstico. Além disso, devido a falta de padronização das informações sobre falhas na GC e a necessidade de informação de qualidade a serem utilizadas pela ferramenta de AM, propõe-se ainda, a definição e desenvolvimento de ontologias para descrição semântica dos recursos e informações para que sejam utilizadas como exemplos e conhecimento do domínio, integrala a qualquer ferramenta de AM e também a outros recursos da grade. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 85

87 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Fábio Lopes Licht 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Sistemas e Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) P&D como bolsista no LNCC; Instrutor na FAETEC; Professor no SENAC; Manutenção eletroeletrônica e de computação no TENASEG 7. Resumo do Plano de Trabalho Em uma grade computacional baseada no Middleware Globus Toolkit, é necessário, para que se possa aderir a ela que tanto usuários quanto máquinas possuam certificados de uso da mesma. Estes certificados são gerados de acordo com os parâmetros de cada usuário e os mesmos dependem de uma Autoridade Certificadora (CA), que é a entidade responsável pela assinatura dos certificados de uso desta grade. Todo esse processo de inclusão é feito de forma manual.o presente projeto integra-se ao esforço dos pesquisadores do LNCC em intensificar as pesquisas na área de Grades Computacionais e torná-las um serviço de mais fácil acesso, como, por exemplo, luz e telefone. Assim sendo, o objetivo deste projeto é criar uma estrutura funcional e segura de automatização na adesão de novos nós em uma grade computacional baseada no Middleware Globus Toolkit. Essa implementação facilitará o uso e disseminação do uso de grades computacionais sem abrir mão da segurança no uso destas. Além de tornar a grade um serviço mais fácil de ser usado, agregando mais recursos de hardware, ou seja, associando mais nós que também poderão ser usados, dentro da grade, para aumentar para aumentar a capacidade computacional.nós móveis também serão beneficiados por este trabalho, já que estes farão sua requisição de certificados temporários ao invés do uso de certificados com prazo longo. Em uma situação normal, se um usuário móvel desejasse associar seu dispositivo à grade, estaria fazendo uma requisição de assinatura por um tempo muito longo e logo que trocasse de ambiente, endereçamento ou nome no registro DNS (Domain Name System) perderia o certificado, ou seja, este certificado não poderia mais ser utilizado por esta máquina, entretanto, poderia continuar sendo usado por outras máquinas e usuários mal intencionados, pois, o mesmo estaria válido. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 86

88 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA MATHEUS BOUSQUET BANDINI 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Sistemas e Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho O desenvolvimento tecnológico das últimas décadas desencadeou um aumento considerável na capacidade computacional dos hardwares, que por sua vez, permitiu aos desenvolvedores e pesquisadores imaginarem novas formas de explorar ao máximo, toda a capacidade computacional disponível. No entanto, os elevados preços de computadores de última geração podem tornar inviável uma atualização constante dos hardwares necessários para a realização de determinados experimentos. Uma alternativa para solucionar o problema de custo é a utilização de Grades Computacionais. Neste tipo de infra-estrutura, um determinado número de recursos (computadores e dispositivos) é utilizado, conectados entre si através de redes locais ou pela Internet, permitindo que o processamento de um ou mais recursos cooperem na realização uma tarefa em comum. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 87

89 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Ramon Gomes Costa 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Informática 5. Área de Atuação: Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Programador: DOCTUMTEC, Docente: Faculdade Doctum, Analista de sistemas: ALCATEL. 7. Resumo do Plano de Trabalho A necessidade da incorporação de modelos na área da medicina tem provocado um alto interesse pela construção de modelos matemáticos e técnicas numéricas orientadas à modelagem e simulação computacional do sistema cardiovascular humano. O sistema HeMoLab integra as ferramentas necessárias para a criação de modelos multidimensionais acoplados do sistema cardiovascular humano. A metodologia na realização de simulações ocorre da seguinte maneira: o usuário cria o modelo através dos módulos desenvolvidos e os arquivos de simulação são gerados. O SolverGP é executado tendo os arquivos do modelo como entrada. Após a simulação for concluída, os resultados são lidos pelo Hemolab, onde, através de técnicas de visualização e computação gráfica o usuário pode ter um melhor entendimento sobre o conjunto de dados produzidos. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 88

90 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Patrícia de Araújo Pereira Costa 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7D 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Modelagem Computacional 5. Área de Atuação: Modelagem Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Programadora: Intelect e R & D/UPS (USA); Analista de Sistemas: Preston Associates e Information Networks 7. Resumo do Plano de Trabalho Evolução de um sistema computacional distribuido para otimização por simulações numéricas em ambiente computacional paralelo. A técnica de otimização utilizada - algoritmos genéticos - exige vários momentos de sincronismo e por isso o balanceamento da carga computacional executada em paralelo torna-se extremamente importante. Estudo e implementação de técnicas de escalonamento inteligente que usam informação sobre os tempos de avaliações anteriores no momento da distribuição de cargas. Como meta, possui o estudo e a implementação dessas técnicas e a elaboração de um artigo em periodico internacional. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 89

91 Redes de Computadores Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Antônio Tadeu Azevedo Gomes Artur Ziviani Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (André Castelucio) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Bruno de Souza P. M. Correa) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Marcos Lima Kirszeblatt) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Thiago Boubée Cardoso) = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ ,04 90

92 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA André Oliveira Castelucio 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Sistemas e Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Fiocruz analista de suporte pleno; Techmaster técnico de suporte; PRODERJ administrador de redes; 7. Resumo do Plano de Trabalho Nesta nova etapa, a meta é desenvolver um sistema intra-domínio utilizando um protocolo de roteamento, como por exemplo, o protocolo OSPF (Open Shortest Path First), como principal veículo de comunicação entre os roteadores que possuem o sistema de rastreamento instalado, tal como realizado com o protocolo BGP (Border Gateway Protocol) em (CASTELUCIO, 2008), de forma que o rastreamento dentro de um domínio de rede possa ser feito mesmo se o sistema for instalado parcialmente e gradualmente, aumentando assim a possibilidade de adoção deste novo sistema em domínios de rede de larga escala. Considera-se também a possibilidade a criação de um sistema de rastreamento hierárquico, através da integração do sistema inter-domínio proposto em (CASTELUCIO, 2008) e do sistema intra-domínio a ser desenvolvido neste projeto, com a finalidade de realizar um rastreamento em níveis, onde em um primeiro momento o domínio de rede de onde são originados os pacotes de ataque possa ser descoberto, e em um segundo momento possa haver a descoberta do atacante dentro deste domínio. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 91

93 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bruno de Souza Pinto Marques Correa 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Sistemas e Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Macabeus informática desenvolvedor; Serrasoft desenvolvedor; Centro de Tecnologia XML desenvolvedor. 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é desenvolver, a partir da base arquitetural provida pelo sistema AToMS, uma linha de produção de software para suporte remoto ao atendimento médico emergencial em especialidades médicas variadas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 92

94 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Marcos Lima Kirszenblatt 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Bacharel em Tecnologia da Informação e da Comunicação 5. Área de Atuação: Metrologia de redes 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolver uma infra- estrutura extensível de metrologia de redes. Para o desenvolvimento dessa infra- estrutura, vislumbra- se a princípio o uso da linguagem de programação Lua como base da implementação. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 93

95 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Thiago Boubée Cardozo 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Sistemas de Informação 5. Área de Atuação: Sistemas de Informação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Este plano de trabalho propõe a atuação de um bolsista DTI- 7G na implementação de ferramentas de metrologia de redes que auxiliem na gerência e no controle de grades computacionais geograficamente dispersas. Essas ferramentas permitiriam oferecer aos mecanismos de escalonamento de tarefas das grades uma visão mais abrangente dos recursos disponíveis nas mesmas, não só em termos de parâmetros computacionais (CPU, memória, disco) como também de parâmetros de rede (latência, vazão). Para atender a diferentes estratégias de escalonamento e distintas topologias de grade, as ferramentas devem ser implementadas sobre uma infra- estrutura comum facilmente customizável, em tempo de operação, para atender a variados tipos de medições. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 94

96 Computação Massivamente Paralela Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Antônio Tadeu Azevedo Gomes Bruno Richard Schulze Carla Osthoff Ferreira de Barros Eduardo Lúcio Mendes Garcia Fábio André Machado Porto Pablo Javier Blanco Paulo Roberto Godoy Bordoni Wagner Vieira Léo Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Pablo Javier Grunmann) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Marcos André da Frotta Mattos) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Roberto Pinto Souto**) = R$ ,44 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 (Alexandre Vassalo Monteiro) = R$ ,76 Total/ano estimado para este projeto R$ ,08 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT 95

97 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Pablo Javier Grunmann 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Meteorologia 5. Área de Atuação: Meteorologia 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Cientista Associado na University Corporation for Atmospheric 7. Resumo do Plano de Trabalho Este projeto de estudo propõe fazer uma avaliação do desempenho do modelo numérico de previsão de tempo e clima (MNPT) Ocean-Land-Atmosphere-Model (OLAM) em sistemas de processamento massivamente paralelos híbrido do CENAPAD-LNCC. Para isto, será utilizada uma versão paralela do software MNTP OLAM [WAL08a] [WAL08b] [SIL09], desenvolvida pela Universidade de Duke (EUA) com a biblioteca de troca de mensagens Message Passing Interface (MPI) [GRO99]. Os modelos numéricos de previsão de tempo e clima simulam o comportamento tridimensional da atmosfera no tempo e no espaço, dadas as condições iniciais [EKM03]. O OLAM se enquadra nesta categoria, mas apresenta inovações significativas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - DIR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 96

98 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Marcos André da Frota Mattos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em engenharia Elétrica 5. Área de Atuação: Engenharia Elétrica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) USP e UNICAMP pesquisador; Okime engenharia. 7. Resumo do Plano de Trabalho Mesmo sendo o presente projeto de pesquisa fortemente centrado na interpretação de dados, as aplicações norteiam fortemente os atuais projetos do LNCC onde o foco aplicação é o tema central. O objetivo de desenvolver um tema de pesquisa no LNCC agregando conhecimentos transdiciplinares tais como a interpretação de dados obtidos de simulações realizadas com os modelos computacionais desenvolvidos com as Equações Diferenciais Aplicadas as Engenharias e Ciências, computação de alto desempenho com placas co-processadoras e métodos numéricos. Este projeto serve como aplicação de conhecimento em projetos do LNCC e científicos e de engenharia de modo geral. Tendo como um dos objetivos a modelagem computacional por meio do processamento paralelo em co-processadores numéricos. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 97

99 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Roberto Pinto Souto 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Computação Aplicada 5. Área de Atuação: Computação Aplicada 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Analista Computacional: INPE, UFRGS e Professor: UFRGS 7. Resumo do Plano de Trabalho Este projeto tem como pontos principais a busca por um melhor desempenho computacional do código de resolução da equação de transferência radiativa (ETR), utilizada no problema inverso de recuperação de propriedades óticas inerentes em águas de alto mar. O estudo acerca da aplicação de derivada topológica no problema inverso de recuperação de fontes internas naturais, é também um dos temas propostos. Dado que o código sequencial de resolução da ETR tem um alto custo computacional, quando em meio anisotrópico, a investigação no sentido de reduzir o tempo de processamento se justifica. É esperado um significativo ganho de desempenho ao se adaptar o código para rodar em processadores com arquitetura GPU, utilizando a plataforma de programação paralela CUDA. O cumprimento desta meta têm importância ainda mais destacada quando se pensa na resolução do problema inverso, haja vista o grande número de vezes que código de resolução da ETR deve ser executado. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - DIR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 98

100 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Alexandre Crescencio Vassallo Monteiro 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7D 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Bacharel em Ciência da Computação 5. Área de Atuação: Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Bolsista no LNCC 7. Resumo do Plano de Trabalho Estudo e implantação da versão paralela MPI do software OLAM em um ambiente de processamento distribuído. Análise do desempenho da versão paralela MPI do OLAM no ambiente distribuído. Estudo da norma OpenMP. Estudo e implantação de uma versão paralela híbrida paralela MPI/OpenMP do software OLAM em um ambiente distribuído. Análise do desempenho do sistema paralelo híbrido MPI/OpenMP na arquiteturas de alto desempenho do CENAPAD LNCC. Instalação do software OLAM em outra arquitetura dos centros CENAPAD, em particular nas arquiteturas do NACAD/UFRJ. Análise do desempenho do sistema paralelo híbrido MPI/OpenMP nas arquiteturas de alto desempenho do centro NACAD/UFRJ. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 99

101 BASES DE DADOS MASSIVOS Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Ana Tereza R. Vasconcelos Antônio Tadeu Azevedo Gomes Bruno Richard Schulze Fábio André Machado Porto Gilson Giraldi Jauvane C. de Oliveira Marisa Fabiana Nicolas Pablo Javier Blanco Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ ,98 100

102 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) experiência em projeto de P&D, dissertação na área de banco de dados, Inteligência artificial ou engenharia de software. 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é participar do desenvolvimento do ambiente de gerência de hipóteses e modelos científicos e dos dados produzidos. Pesquisa na expressão declarativa de workflow e construção de compilador para a linguagem gerando workflow científicos em linguagem a ser definida. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC Data Extreme Lab 25/02/2010 Data Coordenador do Projeto 101

103 Informação e Computação Quântica Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Renato Portugal Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ ,98 102

104 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Modelagem Computacional 5. Área de Atuação: Computação, Criptografia Quântica, Teoria da Informação Quântica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Graduado em Ciência da Computação e com Mestrado e Doutorado em Modelagem Computacional. 7. Resumo do Plano de Trabalho O trabalho proposto tem por objetivo contribuir com o desenvolvimento e análise de novos algoritmos quânticos. O projeto se insere nas atividades do grupo de pesquisa em computação quântica do LNCC, liderado pelo Prof. Renato Portugal. O trabalho será desenvolvido em colaboração com os Professores Raúl Donangelo (UFRJ) e Gonzalo Abal (UDELAR, Uruguai). Também temos contato com pesquisadores da Universidade de Waterloo (Canadá). Investigação da caminhada quântica na malha bidimensional com lado par e condições de contorno periódicas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 103

105 Visualização Científica, Ambientes Virtuais Colaborativos e Realidade Virtual Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Gilson Giraldi Jauvane C. de Oliveira Pablo Javier Blanco Raúl A. Feijóo Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Ana Maria de Carvalho Moura) = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Renata Alves Campos) = R$ ,98 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Daniel Ribeiro Chelles) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Danúbia de Araújo Machado) = R$ ,68 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Danyela do Amaral Santos) = R$ ,68 1 DTI 7H, R$ 868,08 (André Sobiecke**) = R$ ,96 1 ITI 1A, R$ 300,00 = R$ 3.600,00 Total/ano estimado para este projeto R$ ,42 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT 104

106 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Ana Maria de Carvalho Moura 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Engenharia 5. Área de Atuação: Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Professora Assistente e adjunta na Universidade Federal da Paraiba; Professora Adjunta e assistente no Instituto Militar de Engenharia; PRODERJ assessora em ITI da presidência; 7. Resumo do Plano de Trabalho Os portais vêm constantemente evoluindo de modo a automatizar muitos dos processos envolvidos em sua utilização e manutenção, e uma das vertentes que vêm contribuindo para essa evolução é a Web Semântica. Portais amparados por esta modalidade são denominados Portais Semânticos, que se caracterizam por armazenarem e estruturarem conteúdos informacionais segundo ontologias específicas de domínio. Nesse contexto, foi desenvolvido no IME-RJ, um projeto de pesquisa que teve como objetivo demonstrar que o uso de tecnologias da Web Semântica contribui sobremaneira para uma melhoria na organização, integração e gestão das informações em portais. Dando continuidade a essa pesquisa, o objetivo principal desse projeto é ampliar a utilização de portais semânticos no âmbito de governo eletrônico e permitir a integração de conteúdos entre outros portais de forma a complementar o escopo de informações buscadas pelo usuário do portal. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 105

107 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Renata Alves Campos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Engenharia Elétrica 5. Área de Atuação: Engenharia Elétrica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Professora: Fundação Novo Milênio, Associação Salgado de Oliveira e Centro Capixaba de Ensino superior. 7. Resumo do Plano de Trabalho Sistemas de Realidade Virtual estão sendo empregados como mecanismo de suporte a aprendizagem cooperativa através de simulações em Ambientes Virtuais Colaborativos de Aprendizagem. O objetivo deste trabalho seria contribuir para a melhoria da qualidade do ensino, através do estudo e implantação de soluções tecnológicas inovadoras nas escolas com auxílio da Realidade Virtual para que se possa planejar um ambiente de Realidade Virtual Imersivo itinerante para Aplicações Educacionais. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 106

108 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Daniel Ribeiro Chelles 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado 5. Área de Atuação: Desenho Industrial 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Estagiário em modelagem na Design; Bolsista PBIC na PUC. 7. Resumo do Plano de Trabalho A implementação de sistemas de Realidade Virtual Colaborativa depende da existência de objetos 3D que populem o mundo virtual, o que inclui representações geométricas dos mais variados objetos encontrados no mundo real. A modelagem de objetos 3D não é uma tarefa trivial, consistindo em definir ambos a geometria (formato) e comportamento (animações) relacionadas a um dado objeto. O projeto tem como finalidade a modelagem de modelos geométricos de objetos 3D necessários aos projetos do Laboratório ACiMA, incluindo a necessária otimização das malhas e exportação em formatos posteriormente definidos, para que os mesmos sejam posteriormente importados dentro dos vários AVCs. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 107

109 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Danúbia de Araujo Machado 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado 5. Área de Atuação: Matemática 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Colaboradora na Universidade Federal de Pelotas 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de uma classe em MatLab para o método dos conjuntos de níveis; Aplicação para reconstrução de superfícies; Familiarização com o conceito de Derivada topológica no contexto de segmentação de imagens e Publicações de 2 artigos em congresso nacional/internacional 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 108

110 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Danyela do Amaral Santos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado 5. Área de Atuação: Matemática 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Monitora na Universidade Estadual de Santa Cruz 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo da presente bolsa é o estudo da teoria de Wavelets para processamento de sinais, revisão bibliográfica de Wavelets para processamento de imagens de raio-x, testes computacionais no MatLab, aproveitando o pacote de Wavelets já disponível neste software e publicação em congresso. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 109

111 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA André Sobiecki 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7H 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Tecnologia em sistema da informação 5. Área de Atuação: sistema de informação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo deste projeto é estudar e implementar métodos de morfologia matemática, segmentação e normalização espacial de imagens frontais de faces. Neste trabalho, será utilizado o software MatLab, para aproveitarmos os recursos de processamento e edição de imagens já disponível neste sistema. Utilizaremos a base de imagens mantida pelo Professor Carlos Eduardo Thomaz, do Centro Universitário da FEI, em São Bernardo do Campo (SP) nosso colaborador neste projeto, na área de normalização de imagens ( bem como as fotos disponibilizadas no site da REDESAP para criação de um banco nacional de imagens restaurado digitalmente e normalizado espacialmente para auxiliar no reconhecimento e envelhecimento digital de faces de crianças e adolescentes desaparecidos ( Este projeto terá também a colaboração do Professor Luiz Antônio Pereira Neves, da Universidade Federal do Paraná (UFPR), especialista em morfologia matemática e segmentação de imagens. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 110

112 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: ITI 1A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Fazendo graduação em computação ou engenharias 5. Área de Atuação: Computação Gráfica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolver trabalho na área de computação gráfica e reconstrução de imagens. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 111

113 5.7.3 Biologia Computacional (I) Bionformática Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Ana Tereza R. Vasconcelos Luciane Prioli Ciapina Luiz Gonzaga Marisa Fabiana Nicolás Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Milena Magalhães**) = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Viviani Ribeiro Rocha**) = R$ ,84 Total/ano estimado para este projeto R$ ,00 **Bolsa em aprovada pela comissão PCI/LNCC e esperando aprovação MCT 112

114 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Ciências Biológicas, Computação ou áreas afins 5. Área de Atuação: Bioinformática 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Conhecimento de algoritmos de alinhamentos de sequencias e analises filogeneticas, modelagem de bancos de dados relacionais e linguagens de programacao Perl e C++. Experiencia em bancos de dados relacionais MySQL e Postgres; em sistema operacional Linux e analise de resultados dos programas de montagem de genomas (Newbler, Celera Assembler - WGS, Phrap, Velvet, Euler, Mira etc) e de analise de metagenomas (Megan, Karma, Infernal, Philip etc). 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é a pesquisa de algoritmos e desenvolvimento de pipelines aplicados à montagem de genomas e metagenomas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - LABINFO Data Coordenador do Projeto 113

115 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Ciências Biológicas, Computação ou áreas afins 5. Área de Atuação: Bioinformática 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Conhecimentos de ferramentas para analise funcional de genomase sequencias de DNA e de proteinas, Bancos de dados em bioinformatica, Integracao de dados biologicos, Prospecção de genes e funções biologicas, Sistema automatizado para a anotacao de sequencias biologicas, Ferramentas de bioinformatica aplicadas a anotacao de proteinas, Biologia molecular celular e genetica. 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é a análise funcional de genomas 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - LABINFO Data Coordenador do Projeto 114

116 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Ciências Biológicas ou áreas afins 5. Área de Atuação: Biologia Molecular 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Domínio de biologia molecular, especialmente fortes conhecimentos em manipulação de DNA, clonagem e sequenciamento (obrigatório). A posição demanda boa capacidade de analisar e discutir projetos e protocolos na área de genômica, bem como, boa capacidade de comunicação com grupos de pesquisa; ter inglês fluente (preferencialmente), iniciativa e liderança. 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é equênciar o metagenoma do rúmen bovino e com base nas sequências geradas identificar a biodiversidade microbiana existente e a presença de genes codificadores de enzimas e vias metabólicas úteis para a utilização biotecnológica na degradação de fibras vegetais. Para isso, propõese a realização do sequenciamento do DNA extraído de amostras de rúmen bovino com o uso da plataforma de sequenciamento Genome Sequencer FLX system 454 (Roche), existente na Unidade de Genômica Computacional (UGC) do Laboratório Nacional de Computação Científica LNCC. As sequências de DNA obtidas a partir do sequenciamento serão analisadas como uso de uma série de programas de bioinformática a serem implementados na forma de um pipeline implementados no Laboratório de Bioinformática (Labinfo) do LNCC. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - Unidade de Genômica Computacional (UGC) Data Coordenador do Projeto 115

117 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA MILENA MAGALHÃES 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Biologia de Agentes Infecciosos e Parasitários 5. Área de Atuação: Biologia de Agentes Infecciosos e Parasitários 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Os vírus influenza apresentam uma grande variabilidade genômica que se reflete na composição antigênica anual da vacina. Além disso, o surgimento de novas linhagens de vírus influenza, devido ao rearranjo dos seus segmentos genômicos em diferentes hospedeiros, pode aumentar a sua variabilidade genética. Assim, análises genômicas e correspondentes estudos filogenéticos são importantes para monitorar as cepas circulantes, possibilitando uma melhor análise para a indicação de cepas vacinais anuais representativas do Hemisfério Sul e para analise do impacto de novos vírus sobre os sistemas de saúde. Este impacto ainda pode ser mais significativo se considerar a possibilidade de emergência de variantes de Influenza A/H1N1v resistentes ao Oseltamivir, como já foram descrito no Canadá, Dinamarca, Japão e Hong Kong. Sendo assim, este projeto tem como finalidade aplicar a plataforma GS FLX 454 para o sequenciamento do genoma de isolados de H1N1, obtidos de pacientes infectados durante a pandemia de 2009 de várias regiões do Brasil e por quanto perdurar a pandemia de Influenza A/H1N1v e a detecção de cepas circulantes resistentes aos antivirais. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 116

118 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: VIVIANI RIBEIRO ROCHA 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Patologia 5. Área de Atuação: Patologia 6. Experiência profissional (resumo simplificado) FIOCRUZ: tecnologista 7. Resumo do Plano de Trabalho A finalidade deste projeto será aplicar a plataforma GS FLX 454 de sequenciamento de alto desempenho de DNA, recentemente adquirida pelo Ministério da Saúde e da Ciência e Tecnologia, para produção de grande quantidade de sequências genômicas de uma coleção de isolados de Klebsiella pneumoniae produtora de KPC, Enterobacter aerogenes, Pseudomonas aeruginosa, Serratia marcensens e Acinetobacter baumanii de infecção sistêmica de origem hospitalar. Pretende-se elucidar o conteúdo de genes codificando proteínas chaves relacionadas com o nicho e habitat desses microrganismos patogênicos. Esses dados serão utilizados para análise de genômica comparativa, focada em processos seletivos que possibilitam a dinâmica do genoma desses patógenos, bem como para análise de filogenia molecular. Os resultados desses estudos poderão ser usados para genotipagem desses patógenos e também permitirão identificar alvos potenciais para novos fármacos antibacterianos para o tratamento das infecções. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 117

119 (II) Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Hélio José Correa Barbosa Laurent Emmanuel Dardenne Renato Simões Silva Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7D, R$ 1.838,23 = R$ ,76 Total/ano estimado para este projeto R$ ,74 118

120 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido para atuação na área de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado. 5. Área de Atuação: Bolsista com experiência em modelagem molecular e implementação computacional de programas 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Programar em Fortran e /ou C++ Formação forte na área de otimização estocástica com especial ênfase em algoritmos genéticos Conhecimentos na área de modelagem molecular 7. Resumo do Plano de Trabalho - Desenvolvimento de um programa de docking receptor-ligante nos seguintes aspectos: - Aprimoramento do algoritmo genético visando tornar o programa mais eficiente e robusto; - Implementação de técnicas visando a introdução da flexibilidade do receptor; - Desenvolvimento de funçãos empíricas e para estimar constantes de inibição; - Implementação de um programa para construção automática dos arquivos de entrada referentes ao ligante, utilizando um campo de força específico para fármacos; - Acoplamento do programa a um banco de ligantes. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) Não corresponde. 9. Local da execução do projeto Laboratório Nacional de Computação Cientifica - LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 119

121 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a ser definido para atuação na área de Modelagem Molecular de Sistemas Biológicos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7D 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Modelagem Computacional ou Computação 5. Área de Atuação: Bolsista com experiência em modelagem molecular e implementação computacional de programas 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Programar em C e C++ Conhecimentos na área de modelagem molecular 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de programas de modelagem molecular: - Programa de docking receptor-ligante - Programa de predição de estruturas de proteínas 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) Não corresponde. 9. Local da execução do projeto Laboratório Nacional de Computação Cientifica - LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 120

122 (III) Modelagem e Métodos Matemáticos em Biossistemas Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Alexandre L. Madureira Frédéric Valentin Hélio José Correa Barbosa Laurent Emmanuel Dardenne Marcelo Trindade dos Santos Maurício Vieira Kritz Michel Skin Sandra M.C. Malta Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Daniele Quintela Madureira) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 Total/ano estimado para este projeto R$ ,70 121

123 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 1A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado ou doutorado em Sistemas e Computação ou em Matematica 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Especialista em modelagem computacional (do ponto de vista de algorithmos computacionais e/ou teoria matematica) 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é desenvolver ferramentas teorias e praticas para a area de modelagem e simulacao de problemas biologicos. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 122

124 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 1A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em matematica ou engenharias 5. Área de Atuação: Matematica Biologica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Conhecimento em modelagem biologica e em metodos numericos para EDPs 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é a simulacao de fenomenos biologicos em ecologia numerica ou em neurociencia 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 123

125 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Daniele Madureira 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 1B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em matematica ou engenharias ou em Computacao 5. Área de Atuação: Matematica Biologica 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Conhecimento em modelagem biologica e em metodos numericos para EDPs 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é a simulacao de problemas oriundos da area de neurociencia, com e alaboracao de novos algorithmos numericos. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 124

126 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduacao ou Mestrado em Computação 5. Área de Atuação: Sistemas e Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Especialista em banco de dados e em linguagens para a WEB 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é participar da elaboracao de um novo banco de dados contendo as informacoes biologicas coletas, e dar suporte para as paginas WEB do projeto. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 125

127 5.7.4 Modelagem Computacional em Reservatórios de Petróleo, Águas Subterrâneas e Captura de CO2 Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Abimael F. D. Loula Eduardo Lúcio Mendes Garcia Frédéric Valentin João Nisan C. Guerreiro Marcio Arab. Murad Marcio Rentes Borges Sandra M.C. Malta Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Juarez dos Santos Azevedo) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Ramon de Souza Domingues) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Tuane Vanessa Lopes) = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ ,82 126

128 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Engenharia ou áreas afins 5. Área de Atuação: Simulação Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Experiencia em Métodos Numéricos para equações de transporte em formações geológicas heterogêneas 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de um simulador computacional para escoamento multifásico em reservatórios com alto teor de heterogeneidade 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSR Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 127

129 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Engenharia ou áreas afins 5. Área de Atuação: Geomecânica Computacional de Reservatórios 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Experiencia na modelagem computacional do acoplamento hidro-geomecânico em reservatórios de petróleo e aquiferos 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento da modelagem das formações geológicas do pré-sal brasileiro. Estudo da porviscoelasticidade das formações salinas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 128

130 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Engenharia ou áreas afins 5. Área de Atuação: Modelagem Estocástica de Meios Porosos Heterogêneos 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Experiencia na discretização de equações diferenciais estocásticas 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo deste projeto é o desenvolvimento da modelagem computacional estocástica para descrever meios porosos caracterizados por elevado grau de incerteza nas suas propriedades. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 129

131 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Juarez dos Santos Azevedo 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em geofísica 5. Área de Atuação: Geociências 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho O presente projeto visa o desenvolvimento de métodos de elementos finitos estocásticos em conjunto com as técnicas de mudança de escala em meios porosos heterogêneos com aplicação na área de geomecânica de reservatório, tecendo comparações dos resultados obtidos com os fornecidos pela literatura e principalmente aplicando as novas formulações a problemas de interesse prático, como o tratamento de dados estatísticos da condutividade hidráulica e do fluxo em reservatórios. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 130

132 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Ramon de Souza Domingues 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Engenharia do Petróleo 5. Área de Atuação: Engenharia do Petróleo 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Ministério da defesa: Engenheiro de operações, pesquisador Junior e Consultor técnico; University of Tulsa: Research Assistant 7. Resumo do Plano de Trabalho Este projeto inicialmente implementará os métodos numéricos acoplados de diferenças finitas nãoflexívies e de elementos finitos estabilizados (Métodos de Galerkin contínuos/descontínuos) para a resolução do problema Darcy. E, propará novas formulações matemática para o problema em questão quando houver a necessidade. O projeto podderá incluir o acoplamento numérico entre reservatório e poço, entretanto o trabalho inicial considerará os poços como termo de singularidades (source/sink) do problema de Darcy. A implementação numérica em escala espacial e temporal geometrias de duas e três dimensões. Soluções analíticas para certos casos particulares serão apresentadas através de técnica de resolução de EDP, tais como Transformação de Boltmann, Laplace ou Convolução. Bem como, a comparação dos resultados com sftwares disponíveis no mercado. Usando formulações matemáticas segundo os métodos definidos as estimativas de erros, também serão calculadas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 131

133 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Tuane Vanessa Lopes 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Informática em Análise de Sistemas 5. Área de Atuação: Análise de Sistemas 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho A presente proposta é baseada no desenvolvimento de metodologias computacionais eficientes para resolução de diversos sistemas lineares e não lineares advindos de construção de modelos computacionais multiescala que governam a geomecânica de reservatórios de petróleo capazes de se beneficiar dos ambientes de computação de alto desempenho disponíveis no LNCC (CENAPAD-RJ) 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 132

134 5.7.5 Medicina Assistida por Computação Científica Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Antônio Tadeu Azevedo Gomes Artur Ziviani Bruno Richard Schulze Pablo Javier Blanco Raúl A. Feijóo Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ ,34 133

135 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI-7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: M. Sc. em Ciência da Computação 5. Área de Atuação: Modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Analise de sistemas, Qualidade de software, Simulação e Avaliação de Protocolos de Redes, Desenvolvimento de software nas áreas de processamento avançado de imagens médicas e de simulação do sistema cardiovascular em grids de alto desempenho computacional. 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de software na area de processamento de imagens médicas para procedimentos médicos baseados em IVUS e de simulação do sistema cardiovascular em grids de alto desempenho 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 134

136 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI-7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Ciência da Computação 5. Área de Atuação: Modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Analise de sistemas, Qualidade de software, Simulação e Avaliação de Protocolos de Redes, Desenvolvimento de software nas áreas de processamento avançado de imagens médicas 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de software na area de processamento de imagens médicas incluindo segmentação, reconstrução de geometria e estruturas de relevância médica 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 135

137 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI-7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Ciência da Computação 5. Área de Atuação: Modelagem e simulação computacional de sistemas fisiológicos 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Analise de sistemas, Qualidade de software, Simulação e Avaliação de Protocolos de Redes, Desenvolvimento de software nas áreas de processamento avançado de imagens médicas 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolvimento de software na area de processamento de imagens médicas incluindo segmentação, reconstrução de geometria e estruturas de relevância médica 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 136

138 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA SECRETARIA-EXECUTIVA SUBSECRETARIA DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAS COORDENAÇÃO GERAL DAS UNIDADES DE PESQUISA 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: 01/05/2010 DTI 7G a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado 5. Área de Atuação: Ciência da Computação 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Modelagem de sistemas fisiológicos através de Métodos computacionais 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CCC Data Coordenador do Projeto 137

139 5.7.6 Métodos Estocásticos e Robustos em Modelagem, Estimação e Controle, e Aplicações Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Carlos Emanuel de Souza Gilberto de Oliveira Corrêa Jack Baczynski Marcelo Dutra Fragoso Michel Iskin da Silveira Costa Paulo Antônio Andrade Esquef Paulo César Marques Vieira Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Saul de Castro Leite) = R$ ,44 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 Total/ano estimado para este projeto R$ ,40 138

140 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Saul de Castro Leite 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Modelagem Computacional 5. Área de Atuação: Modelagem Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Oklahoma State University: Adm. De sistema UNIX 7. Resumo do Plano de Trabalho Modelos de filas são intratáveis em vários casos, especialmente quando colocados em redes. A análise via tráfego pesado, ou também chamada de aproximações por difusão,vem justamente auxiliar a análise destes sistemas em casos onde não é possível estabelecer equações que possam responder questões práticas, principalmente aquelas envolvendo temas relacionadas a controles, e controle ótimo. Com estas aproximações, é possível tratar estes sistemas sob o formalismo de equações diferenciais estocásticas. E, como consequência, pode-se tratar problemas de controle sob a bem estabelecida teoria de controles estocásticos. O objetivo é o aprofundamento de questões relacionadas a controles ótimos, dando ênfase aos métodos numéricos envolvidos, além de dar continuidade a outros temas em andamento, como a extensão dos modelos de filas com sinais, e aplicações. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 139

141 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI-7B 4. Formação Acadêmica: 01/05/2010 a 30/04/2012 Doutor com em Engenharia ou áreas afins, com formação acadêmica em Sistemas de Controle, Automação ou Robótica. 5. Área de Atuação: Pesquisador produtivo em alguma das seguintes áreas: Sistemas e Controle, Robótica.. 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolverá atividades de P&D em modelagem dinâmica e controle avançado de sistemas robóticos, tais como robôs manipuladores, visando a obtenção de desempenho com alta precisão na realização de tarefas.. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 140

142 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI-7B 4. Formação Acadêmica: 01/05/2010 a 30/04/2012 Doutor com em Engenharia ou áreas afins, com formação acadêmica em Sistemas e Controle, ou Matemática Aplicada. 5. Área de Atuação: Pesquisador produtivo em Processamento de Sinais, com conhecimentos adequados em Sistemas e Controle, Modelagem Matemática, Processos Estocásticos. 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Desenvolverá atividades de P&D em modelagem e controle estocástico para classes de sistemas complexos envolvendo subsistemas com dinâmicas híbridas contínua/discreta e susceptíveis a falhas em componentes e/ou interconexões. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC/MCT Data Coordenador do Projeto 141

143 5.7.7 Métodos Matemáticos e Numéricos Aplicadas às Engenharias e Ciências Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Abimael F. D. Loula Alexandre L. Madureira Antônio André Novotny Eduardo Lúcio Mendes Garcia Elson Magalhães Toledo Frédéric Valentin Gilberto de Oliveira Corrêa Gustavo Alberto Perla Menzala Hélio José Correa Barbosa Jaime Edilberto Munõz Rivera Jiang Zhu João Nisan Correia Guerreiro José Karam Filho Laurent Emmanuel Dardenne Paulo César Marques Vieira Regina Célia Cerqueira de Almeida Renato Simões Silva Sandra Mara Cardoso Malta Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 = R$ ,98 1 DTI 7B, R$ 2.630,58 (Guilherme Novaes Ramos) = R$ ,98 1 DTI 7C, R$ 2.186,07 (Júlio Cezar Alves Thomaz) = R$ ,84 1 DTI 7G, R$ 1.045,89 (Marlon Michael L. Flores) = R$ ,68 Total/ano estimado para este projeto R$ ,44 142

144 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutor em Engenharia, Modelagem ou afins 5. Área de Atuação: Matemática Aplicada 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Trabalhar em problemas de otimização/sensilidade aplicadas nas linhas de pesquisa citadas no projeto. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 143

145 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsista a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Modelagem, Matemática Aplicada, Engenharias ou afins 5. Área de Atuação: Matemática Aplicada 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Trabalhar em problemas de análise de equações aplicadas às projeto. nas linhas de pesquisa citadas no 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 144

146 1. Nome: PERFIL DO BOLSISTA Bolsist a definir 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutor em Engenharia, Modelagem ou afins 5. Área de Atuação: Fenômenos de Transporte Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) 7. Resumo do Plano de Trabalho Trabalhar em problemas de mecânica dos fluidos, transferência de calor e/ou massa na modelagem análise e simulação de problemas de engenharia e ciências como citado nas linhas de pesquisa do projeto. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 145

147 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Guilherme Novaes Ramos 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7B 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em Inteligência Computacional e Ciência de Sistemas 5. Área de Atuação: Ciência de Sistemas 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Aker Security Solution engenheiro de software; Brastel analista de sistemas; World Radio Japão Tradutor e Vestcon consultor de TI 7. Resumo do Plano de Trabalho A atividade proposta visa implementar um sistema de fácil uso para a classificação intuitiva de dados, utilizando a heurística baseada no comportamento de uma colônia de formigas, dando continuidade a um trabalho que já demonstrou bons resultados, aperfeiçoando e extendendo o mesmo de modo a aproveitar as características de otimização e processamento paralelo do método, bem como demonstrando sua versatilidade pela aplicação a diversos tipos de problemas. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CSC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 146

148 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Julio Cezar Alves Thomaz 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7C 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Mestrado em Ciências 5. Área de Atuação: Modelagem Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Professor substituto na UERJ e estatístico na Soc. Educ. São Paulo Apóstolo 7. Resumo do Plano de Trabalho Equações Diferenciais Estocásticas (EDE) têm cada vez mais aplicações na modelagem de diversos problemas em Engenharia Civil (Civil e Mecânica), Economia (Finanças), Processamento de Sinais, Física, Dinâmica populacional, medicina, entre outras áreas. Seu papel na modelagem de dinâmica estocástica do tempo contínuo é comparável com as equações diferenciais ordinárias eterministicas (EDO) na dinâmicanão aleatória. Em algumas aplicações, como em vibrações aleatórias nos sistemas mecânicos, requerem modelos estocásticos sofisticado para a modelagem. Outras aplicações é encontrada nos preços dos ativos no mercado financeiro que usam o modelo estocástico do moviemtno Browniano apresentada por Black e Scholes (1973) (merecedores do prêmio Nobel da economia). Os pricipais objetivos do presente plano é estudar a modelagem e a simulação no contexto de engenharia, em especiala engenharia financeira assumindo as características de modelos com memória para os preços e para as volatilidades dos ativos subjacentes no âmbito da modelagem de precificação das opções. Por outro lado considera-se em simultâneo a aleatoriedade dos principais parâmetros da modelagem (volatilidade, taxa de juro e dividendos) por meio de equações diferenciais estocásticas. Não menos importantes serão o estabelecimento deuma modelagem generalizada multidimensional, formulações em situações onde não existem soluções analíticas conhecida, com recurso à aplicação de métodos numéricos robustos, designadamente o método d elemento finito aliadoa computação de alto desempenho. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 147

149 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Marlon Michael Lopez Flores 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7G 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduado em Matemática 5. Área de Atuação: Matemática 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Analista estatístico no Instituto Nacional de La Salud e Professor na International School e na Elvel School 7. Resumo do Plano de Trabalho Este projeto se insere num esforco de pesquisa que vem sendo desenvolvido há algum tempo por parte de alguns pesquisadores das coordenações CSC e CMA. O objetivo é unir conhecimentos das areas de controle, EDP e análise numérica e desenvolver pesquisa em controle de EDPs. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMA Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 148

150 5.7.8 Modelagem Computacional da Difusão do Conhecimento Pesquisadores e tecnologistas do LNCC envolvidos: Augusto César N. R. Galeão Hélio José Correa Barbosa Maurício Vieira Kritz Regina Célia Cerqueira de Almeida Renato Simões Silva Sônia Limoeiro Monteiro Perfil das bolsas pedidas: 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 (Regina Célia F. de Souza) = R$ ,44 1 DTI 7A, R$ 3.169,37 = R$ ,44 Total/ano estimado para este projeto R$ ,88 149

151 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Regina Célia Figueiredo de Souza 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Graduação em biblioteconomia e documentação 5. Área de Atuação: Ciências Humanas 6. Experiência profissional (resumo simplificado) UCP, Faculdade de Medicina de Petrópolis, Fundação Nacional Pró Memória, Prefeitura Municipal de Petrópolis, Instituto Superior de Tecnologia, Universidade veiga de Almeida, Petrobrás. 7. Resumo do Plano de Trabalho Partindo do pressuposto que uma ontologia define um vocabulário comum para uma comunidade que precisa compartilhar informação em um determinado domínio o presente plano de trabalho tem como objetivo identificar e testar metodologias e ferramentas que possibilitem criar um vocabulário controlado nas áreas de atuação do LNCC. Ao final do trabalho pretende-se: a) oferecer subsídios para o aperfeiçoamento das ferramentas e metodologias testadas para que se tornem passíveis de operacionalização por outros grupos e/ou áreas de pesquisa; b) que o instrumento desenvolvido possa contribuir para padronização da terminologia das áreas envolvidas; c) diminuir o tempo necessário para a localização de informações tendo em vista o conhecimento da estrutura aplicada para a classificação; d) mostrar de forma hierárquica o universo de conhecimento das áreas estudadas; e) facilitar a localização de itens do conhecimento produzido. Será realizada a divulgação da terminologia das áreas para colaborar na construção de uma linguagem comum entre os pesquisadores. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 150

152 PERFIL DO BOLSISTA 1. Nome: Bolsista a ser definido 2. Modalidade da Bolsa: 3. Duração da Bolsa: DTI 7A 01/05/2010 a 30/04/ Formação Acadêmica: Doutorado em: Engenharias, Modelagem Computacional,Ciência da Computação, e afins 5. Área de Atuação: Modelagem Computacional 6. Experiência profissional (resumo simplificado) Modelagem, Problemas acoplados difusão-reação,sistemas Complexos 7. Resumo do Plano de Trabalho O objetivo principal é desenvolver um modelo de difusão do conhecimento levando em conta a ocorrência de termos de retenção; ou um modelo de evolução de espécies, conforme especificado nas metas do projeto. 8. Vínculo empregatício (modalidades EV - BEP - BSP - BEV) 9. Local da execução do projeto LNCC - CMC Data 23/02/2010 Coordenador do Projeto 151