https://hdl.handle.net/1884/39740 Wed, 22 Apr 2026 23:35:50 GMT 2026-04-22T23:35:50Z https://hdl.handle.net/1884/97933 Métodos computacionais aplicados a bioinformática : análise de expressão de genes e inferência de redes de regulação gênica Resumo: Compreender a complexa rede de interações que forma e mantém um organismo é uma tarefa desafiadora, composta por múltiplos passos, muitos dos quais envolvem análises computacionais. A identificação de genes envolvidos em um processo biológico representa um desses passos essenciais para o entendimento dessa rede de interações, podendo incluir o sequenciamento de nova geração (RNA-Seq), a identificação de genes diferencialmente expressos e a inferência de redes de regulação gênica. Contudo, a vasta quantidade de metodologias computacionais existentes comumente gera dúvidas quanto à definição de um pipeline e à seleção do método mais adequado para cada tipo de análise no contexto biológico. Além da análise de genes diferencialmente expressos, pode ser necessário identificar a rede de regulação desses genes, a qual indica quais genes são possíveis agentes de aumento da expressão ou de silenciamento de outros. Esta indicação é feita utilizando grafos, nos quais as arestas indicam a possível influência da expressão de um gene sobre a expressão de outro. Para esta tarefa, igualmente computacional, existe uma ampla gama de métodos disponíveis. Considerando as ferramentas computacionais desenvolvidas para a análise de expressão diferencial de genes, mesmo que apenas as especificamente desenvolvidas para dados de RNA-Seq, identifica-se um grande volume de metodologias, porém não é trivial encontrar uma categorização e/ou detalhamento das estratégias utilizadas em cada uma delas. Ainda neste contexto, a identificação da rede de relações entre genes é geralmente responsável por definir características ou respostas em diferentes organismos, entretanto a inferência de redes de regulação gênica ainda é uma atividade desafiadora, uma vez que as metodologias atuais apresentam baixas taxas de recuperação dessas relações. A identificação de lacunas das metodologias atualmente disponíveis para inferência de redes de regulação gênica pode indicar caminhos de melhorias para novos métodos. Esta tese selecionou e classificou as metodologias computacionais para análise de expressão gênica com dados de RNA-Seq mais relevantes desde a popularização do RNA-Seq até os dias atuais. Como resultado desta classificação, foi observado que, dentre as metodologias para análise de expressão, mais de 30% são desenvolvidas com dependência, total ou parcial de outras metodologias. Além disso, foi desenvolvido um pacote R para a análise de expressão que indica genes diferencialmente expressos com base no consenso entre várias metodologias. Considerando a análise das metodologias para a inferência de redes de regulação gênica, foram avaliadas 10 metodologias, sendo identificado que algumas das interações entre fatores de transcrição e genes não são detectadas, mesmo quando várias metodologias são empregadas conjuntamente para essa finalidade. Esta tese também caracterizou as relações encontradas, as não encontradas e as exclusivamente identificadas pelas metodologias utilizadas, para tanto utilizamos a entropia do sinal de expressão de cada gene da relação. Além disso foi possível definir um intervalo de valores de entropia para as arestas não detectadas, o que pode apoiar trabalhos futuros; Abstract: Understanding the complex network of interactions that form and sustain an organism is a challenging task involving multiple steps, many of which rely on computational analyses. Identifying genes involved in a specific biological process is one of these essential steps, often requiring next-generation sequencing (RNA-Seq), differential gene expression analysis, and the inference of gene regulatory networks (GRNs). However, the wide array of available computational methodologies frequently raises questions regarding the construction of an appropriate analysis pipeline and the selection of the most suitable tools for a given biological context. Besides identifying differentially expressed genes (DEGs), it may be necessary to infer the regulatory network underlying their expression—i.e., to determine which genes may upregulate or suppress others. This inference is commonly represented as a graph, where edges suggest potential regulatory influence between genes. Similar to DEG analysis, diverse methods have been proposed to handle the computationally intensive task of GRNs inference. Despite the abundance of tools developed specifically for RNA-Seq-based differential expression analysis, categorizing and understanding the methodological strategies behind them remains non-trivial. Furthermore, the reconstruction of gene regulatory networks is critical for elucidating the mechanisms driving phenotypic traits or responses across different organisms, yet it remains a challenging endeavor. Current GRN inference approaches often yield low recall rates, failing to recover many true regulatory interactions. Identifying the limitations of these existing methods mayhelp guide the development of more effective approaches. This thesis systematically selected and categorized the most relevant computational methods for RNA-Seq-based gene expression analysis since the widespread adoption of RNA-Seq technology. The analysis revealed that over 30%ofDEGanalysis tools rely, either partially or entirely, on pre-existing methods. Additionally, an R package was developed to identify differentially expressed genes based on consensus across multiple methodologies. For the GRN inference component, ten methods were evaluated, and the results showed that certain transcription factor–gene interactions were not recovered, even when combining multiple inference strategies. This thesis also characterized the recovered, not recovered, and uniquely inferred regulatory interactions using the entropy of gene expression signals. Furthermore, this study identified a specific entropy range for undetected edges, which may support future investigations into the properties of missing regulatory links Orientador: Profº. Drº. David Menotti; Coorientador: Profº. Drº. Fabricio M. Lopes; Banca: David Menotti Gomes (Presidente da Banca), Lucas Ferrari de Oliveira, Márcio Dorn, Mauro Antonio Alves Castro e Fabricio Martins Lopes; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 30/05/2025; Inclui referências; Área de concentração: Ciência da Computação Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/97933 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98399 Otimização do protocolo de roteamento RPL para as smart grids, smart cities e IoT Resumo: As tecnologias de Internet das Coisas têm sido adotadas em diversas aplicações. Destaca-se seu uso em redes elétricas inteligentes, incluindo medição de energia, recomposição automática de falhas e integração da geração distribuída. Além disso, essas tecnologias também são aplicadas em cidades inteligentes, como na iluminação pública, no controle de semáforos e no monitoramento ambiental. Estas aplicações possuem características muito específicas, mas existe um ponto em comum, todas necessitam de comunicação para funcionarem ou serem monitoradas. Uma tecnologia que tem ganhado destaque nesse contexto é a rede sem fio conhecida como Wi-SUN FAN, sigla para Wireless Smart Ubiquitous Network– Field Area Network. A especificação desta rede define a implementação e o comportamento de uma rede interoperável baseada em padrões abertos. Os padrões de projeto de redes sem fio utilizados para definir as redes Wi-SUN FAN permitem que estas usufruam de características como segurança, salto de canais de rádio, endereçamento IPv6, dentre outros. Apesar de todas as boas práticas adotadas, estas redes possuem pontos a serem melhorados, tais como: tempo gasto na formação e recuperação da rede após desligamentos, dificuldade de interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes e questões inerentes à mobilidade dos dispositivos na rede. O protocolo de roteamento RPL é um dos padrões adotados nas redes Wi-SUN FAN, sendo responsável pelo roteamento de pacotes na camada de rede. Este trabalho tem como objetivo principal propor e avaliar um mecanismo que otimize o tempo de convergência do protocolo RPL e consequentemente reduza o tempo de formação da rede. As questões de interoperabilidade e de mobilidade não são abordadas neste trabalho. Este trabalho foi motivado inicialmente pelos estudos e desenvolvimentos efetuados sobre a rede inteligente da Copel em Ipiranga-PR. Sobre a rede de Ipiranga são desenvolvidas e demonstradas algumas soluções de software para viabilizar o uso compartilhado das redes inteligentes de última milha com aplicações de cidades inteligentes e Internet das Coisas. Em seguida, motivado por dados da bibliografia revisada e do elevado tempo de inicialização verificado na rede de Ipiranga, é conduzida uma investigação para verificar a influência dos parâmetros de configuração do protocolo de roteamento RPL no seu tempo de convergência e é idealizado o mecanismo de otimização. O mecanismo de otimização proposto neste trabalho é avaliado por meio de simulações e experimentos. Os resultados obtidos indicam que o mecanismo pode reduzir o tempo de convergência do protocolo RPL original em até 50%. Ainda, possui baixa complexidade de implementação e contribui para reduzir o ciclo de trabalho e o consumo de energia da rede, visto que reduz o número de mensagens transmitidas. Por fim, os resultados das investigações indicam que a seleção adequada de parâmetros de configuração do protocolo RPL também contribui com a redução do tempo de formação das redes que fazem uso deste protocolo; Abstract: Internet of Things technologies have been adopted in various applications. Their use stands out in smart power grids, including energy metering, automatic fault recovery, and distributed generation integration. Additionally, these technologies are also applied in smart cities, such as public lighting, traffic light control, and environmental monitoring. These applications have very specific characteristics, but they share a common point: all require communication to function or be monitored. A technology that has gained prominence in this context is the wireless network known as Wi-SUN FAN, an acronym for Wireless Smart Ubiquitous Network– Field Area Network. The specification of this network defines the implementation and behavior of an interoperable network based on open standards. The wireless network design standards used to define Wi-SUN FANnetworks allow them to benefit from features such as security, radio channel hopping, IPv6 addressing, among others. Despite all the good practices adopted, these networks have points that need to be improved, such as time spent on network formation and recovery after shutdowns, difficulties in interoperability between equipment from different manufacturers, and challenges inherent to device mobility within the network. The RPL routing protocol is one of the standards adopted in Wi-SUN FAN networks, being responsible for packet routing at the network layer. The main objective of this work is to propose and evaluate a mechanism that optimizes the convergence time of the RPL protocol and consequently reduces network formation time. Interoperability and mobility issues are not addressed in this work. This work was initially motivated by the studies and developments carried out on Copel’s smart grid in Ipiranga-PR. Based on the Ipiranga network, some software solutions are developed and demonstrated to enable the shared use of last-mile smart grids with smart city and IoT applications. Subsequently, motivated by data from the reviewed literature and the high initialization time observed in the Ipiranga network, an investigation is conducted to assess the influence of RPL routing protocol configuration parameters on its convergence time, leading to the design of the optimization mechanism. The optimization mechanism proposed in this work is evaluated through simulations and experiments. The results obtained indicate that the mechanism can reduce the convergence time of the default RPL protocol by up to 50%. Furthermore, it has low implementation complexity and contributes to reducing the network’s duty cycle and energy consumption, since it reduces the number of transmitted messages. Finally, the results of investigation indicates that the appropriate selection of RPL protocol configuration parameters also contributes to reducing the formation time of networks that use this protocol Orientador: Luiz Carlos Pessoa Albini; Coorientador: Roberto André Hexsel; Banca: Luiz Carlos Pessoa Albini (Presidente da Banca), Eduardo Todt, Carlos Marcelo Pedroso, Eduardo da Silva, Carlos Alberto Maziero e Roberto André Hexsel; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 02/06/2025; Inclui referências; Área de concentração: Ciência da Computação Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98399 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98396 Uma abordagem para a criação de narrativas compartilhadas para o ensino de engenharia de software Resumo: A formação de profissionais de Engenharia de Software (ES) visa ao aprendizado de processos, técnicas e ferramentas que apoiem à construção de sistemas baseados em software. Porém, para uma formação mais completa destes profissionais deve-se envolver também o exercício de habilidades não técnicas, ou seja, habilidades sociais e interpessoais que permitam a capacidade de entender e solucionar problemas, de analisar impactos que as tecnologias podem causar na sociedade, de observar questões sociais e culturais por meio de análise de contexto de forma não técnica, de obter uma visão sistêmica do contexto em que a aplicação será inserida, entre outras comuns a todas as profissões, como trabalho em equipe, comunicação e ética. O método de ensino ativo é um forte aliado para a construção do conhecimento técnico e não técnico, pois amplia a participação do estudante no processo de ensino e aprendizagem. Métodos ativos, como a aprendizagem baseada em jogos (do inglês Game-Based Learning - GBL) possibilitam aos professores simular situações problema do mundo real para que os estudantes possam vivenciá-las em ambiente acadêmico. Estas situações problemas podem advir da criação de narrativas para composições dos jogos. O Role-Playing Game (RPG), um tipo de jogo narrativo, adequa-se a esta perspectiva pelas infinitas possibilidades de enredo em que os estudantes assumem os papeis das personagens do jogo para a resolução dos problemas. Neste contexto, esta pesquisa objetiva apresentar uma abordagem para auxiliar os professores na criação de RPGs educacionais como contribuição no processo de ensino e aprendizagem de ES. Esta abordagem inclui os artefatos do Design Socialmente Consciente, que, além do seu papel principal de construir sistemas baseados em computação inclusivos e sustentáveis, de forma colaborativa, favorece o exercício das habilidades sociais e interpessoais. Os métodos utilizados para realização destra pesquisa englobam Mapeamentos Sistemáticos da Literatura (MSLs), oficinas de design semioparticipativo e participativo, prototipação como elemento exploratório de comunicação e refinamento, e a validação da abordagem por meio de um quase-experimento que avalia seu uso por professores de ES e os RPGs criados sob a ótica de estudantes de graduação de cursos da área de computação. O resultado indica que a abordagem é de fácil entendimento e utilização, e possibilita o exercício de habilidades sociais e interpessoais, além de trabalhar conteúdos técnicos de ementas de disciplinas e conteúdos interdisciplinares, se houver possibilidade de correlação, contribuindo assim com um processo de ensino que auxilia ao professor na criação e aplicação de narrativas compartilhadas e em uma aprendizagem mais ativa que busca a formação de profissionais socialmente conscientes e responsáveis.; Abstract: The training of Software Engineering (SE) professionals aims to teach them the processes, techniques, and tools that support the construction of software-based systems. However, for these professionals to be more fully trained, it is also necessary to exercise nontechnical skills, i.e., social and interpersonal skills that enable them to understand and solve problems, analyze the impacts that technologies can have on society, observe social and cultural issues through non-technical context analysis, obtain a systemic view of the context in which the application will be inserted, among other skills common to all professions, such as teamwork, communication, and ethics. The active teaching method is a strong ally in the construction of technical and non-technical knowledge, as it increases student participation in the teaching and learning process. Active methods, such as Game-Based Learning (GBL), allow teachers to simulate real-world problem situations so that students can experience them in an academic environment. These problem situations can arise from the creation of narratives for game compositions. The Role-Playing Game (RPG), a type of narrative game, is suitable for this perspective because of the infinite possibilities of plot in which students assume the roles of the game characters to solve problems. In this context, this research aims to present an approach to assist teachers in the creation of educational RPGs as a contribution to the teaching and learning process of Higher Education. This approach includes the artifacts of Socially Conscious Design, which, in addition to its main role of building inclusive and sustainable computer-based systems, in a collaborative way, favors the exercise of social and interpersonal skills. The methods used to carry out this research include Systematic Literature Mappings (SLMs), semi-participatory and participatory design workshops, prototyping as an exploratory element of communication and refinement, and the validation of the approach through a quasi-experiment that evaluates its use by Higher Education teachers and the RPGs created from the perspective of undergraduate students in computer science courses. The result indicates that the approach is easy to understand and use, and enables the exercise of social and interpersonal skills, in addition to working on technical content from discipline syllabuses and interdisciplinary content, if there is a possibility of correlation, thus contributing to a teaching process that helps the teacher in the creation and application of shared narratives and in more active learning that seeks to train socially conscious and responsible professionals. Orientador: Leticia Mara Peres; Coorientador: Cléber Gimenez Corrêa; Banca: Leticia Mara Peres (Presidente da Banca), Katia Romero Felizardo Scannavino, José Valderlei da Silva, Mauricio Iwama Takano, Diego Addan Gonçalves e Cleber Gimenez Correa; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 08/08/2025; Inclui referências; Área de concentração: Ciência da Computação Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98396 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98730 CoordSim : um simulador de treinamento de coordenações de curso de graduação utilizando conceitos da educação 4.0 Resumo: O sucesso de um curso superior não está atrelado de forma geral apenas a direção e gestão de uma Instituição de Ensino Superior (IES), mas também da coordenação do curso. O coordenador deve possuir diversas competências, pois deverá responder pelas funções pedagógicas, políticas, gerenciais, institucionais e administrativas. Algumas IES não possuem uma regra, concurso ou base para definir um coordenador, sendo este na maioria das vezes indicado ou selecionado por diversos outros motivos, não priorizando as competências profissionais, já citadas aqui, para atuar nesta área, o que muitas vezes pode levar a dificuldades na gestão do curso. Nesse contexto, a educação 4.0 busca apoiar a aquisição de habilidades e competências que poderão ajudar o candidato a conhecer como é a gestão de um Curso Superior com ajuda de recursos tecnológicos e metodologias emergentes. Portanto, nessa tese propõe-se um Simulador de coordenação de cursos, o CoordSim (Coordinator Simulator), que servirá de base para treinar e coletar informações, com a ajuda das TICs, sobre as competências de docentes candidatos ao cargo. Além disso, o sistema auxilia na análise dos dados dos resultados pela metodologia DISC (Dominance, Influence, Stability and Conformity - Dominância, Influência, Estabilidade e Conformidade) para melhorar as competências e habilidades já existentes no coordenador. Para a proposta do CoordSim, foi realizado um Mapeamento Sistemático da Literatura (MSL) para identificar e caracterizar ambientes digitais de treinamento que apoiam o desenvolvimento de habilidades e competências de profissionais da educação. No entanto, foi identificado que a maioria dos ambientes de treinamento não apoiam em conjunto as habilidades pedagógicas, administrativas e políticas de um profissional da educação, o que levou a proposta do CoordSim. O CoordSim é um sistema web de simulação, capaz de disparar tarefas para que o aprendiz possa ser treinado no cargo de coordenador de Cursos, trabalhando habilidades pertinentes a esse papel. Além disso, o CoordSim busca apoiar uma melhor imersão do coordenador ao longo do uso do sistema. Dois estudos foram realizados com o CoordSim, o 1º com especialistas em metodologia DISC, para caracterizar as respostas das tarefas do sistema e o 2º com coordenadores de curso superior. O 1º estudo teve como objetivo caracterizar as tarefas e respostas do CoordSim segundo a metodologia DISC. Já o 2º estudo foi realizado para avaliar a facilidade de uso, utilidade percebida e intenção de uso futuro dos coordenadores de curso sobre o CoordSim. Com a utilização deste simulador, os coordenadores passam a ser melhor preparados para a gestão de seu curso, além de poder contribuir com o atendimento e o trato nos processos administrativos, melhorando os procedimentos tanto com a IES, quanto com o corpo docente e o discente. Por fim, ainda há a contribuição para a área de Informática, sendo aplicados neste projeto técnicas de interoperabilidade web com a simulação de eventos necessários para o treinamento; Abstract: The success of a higher education course is not generally linked only to the direction and management of a Higher Education Institution (HEI), but also to the coordination of the course. The coordinator must have several skills, as he or she will be responsible for pedagogical, political, managerial, institutional and administrative functions. Some HEIs do not have a rule, competition or basis for defining a coordinator, and in most cases the coordinator is indicated or selected for several other reasons, not prioritizing the professional skills, already mentioned here, to work in this area, which can often lead to difficulties in managing the course. In this context, Education 4.0 seeks to support the acquisition of skills and competencies that can help the candidate to understand how to manage a Higher Education Course with the help of technological resources and emerging methodologies. Therefore, this thesis proposes a course coordination simulator, CoordSim (Coordinator Simulator), which will serve as a basis for training and collecting information, with the help of ICTs. In addition, the system assists in analyzing the data from the results using the DISC methodology (Dominance, Influence, Stability and Conformity) to improve the competencies and skills already existing in the coordinator. For the CoordSim proposals, a Systematic Mapping Study (SMS) was carried out to identify and characterize digital training environments that support the development of skills and competencies of education professionals. However, it was identified that most training environments do not jointly support the pedagogical, administrative and political skills of an education professional, which led to the proposal of CoordSim. CoordSim is a web simulation system capable of triggering tasks so that the apprentice can be trained in the position of course coordinator, working on skills relevant to this role. Furthermore, CoordSim seeks to support better immersion of the coordinator throughout the use of the system. Two studies were conducted with CoordSim, the first with experts in DISC methodology, to characterize the responses of the system’s tasks and the second with higher education course coordinators. The first study aimed to characterize the tasks and responses of CoordSim according to the DISC methodology. The second study was conducted to evaluate the ease of use, perceived usefulness and intention of future use of CoordSim by course coordinators. Using this simulator, coordinators become better prepared to manage their courses, in addition to contributing to customer service and administrative processes, improving procedures with the HEI, faculty, and students. Finally, it also contributes to the IT field, as this project applies web interoperability techniques to simulate events required for training Orientadora: Profa. Dra. Natasha Malveira Costa Valentim; Coorientador: Prof. Dr. Eduardo Filgueiras Damasceno; Banca: Natasha Malveira Costa Valentim (Presidente da Banca), Pedro Henrique Dias Valle, Williamson Alison Freitas Silva, Andrey Ricardo Pimentel e Eduardo Filgueiras Damasceno; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 23/06/2025; Inclui referências; Área de concentração: Ciência da Computação Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98730 2025-01-01T00:00:00Z