Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Synchronisation in high-performance integrated circuits

A distribui ção de um sinal relógio, com elevada precisão espacial (baixo skew) e temporal (baixo jitter ), em sistemas sí ncronos de alta velocidade tem-se revelado uma tarefa cada vez mais demorada e complexa devido ao escalonamento da tecnologia. Com a diminuição das dimensões dos dispositivos e a integração crescente de mais funcionalidades nos Circuitos Integrados (CIs), a precisão associada as transições do sinal de relógio tem sido cada vez mais afectada por varia ções de processo, tensão e temperatura. Esta tese aborda o problema da incerteza de rel ogio em CIs de alta velocidade, com o objetivo de determinar os limites do paradigma de desenho sí ncrono. Na prossecu ção deste objectivo principal, esta tese propõe quatro novos modelos de incerteza com âmbitos de aplicação diferentes. O primeiro modelo permite estimar a incerteza introduzida por um inversor est atico CMOS, com base em parâmetros simples e su cientemente gen éricos para que possa ser usado na previsão das limitações temporais de circuitos mais complexos, mesmo na fase inicial do projeto. O segundo modelo, permite estimar a incerteza em repetidores com liga ções RC e assim otimizar o dimensionamento da rede de distribui ção de relógio, com baixo esfor ço computacional. O terceiro modelo permite estimar a acumula ção de incerteza em cascatas de repetidores. Uma vez que este modelo tem em considera ção a correla ção entre fontes de ruí do, e especialmente util para promover t ecnicas de distribui ção de rel ogio e de alimentação que possam minimizar a acumulação de incerteza. O quarto modelo permite estimar a incerteza temporal em sistemas com m ultiplos dom ínios de sincronismo. Este modelo pode ser facilmente incorporado numa ferramenta autom atica para determinar a melhor topologia para uma determinada aplicação ou para avaliar a tolerância do sistema ao ru ído de alimentação. Finalmente, usando os modelos propostos, são discutidas as tendências da precisão de rel ogio. Conclui-se que os limites da precisão do rel ogio são, em ultima an alise, impostos por fontes de varia ção dinâmica que se preveem crescentes na actual l ogica de escalonamento dos dispositivos. Assim sendo, esta tese defende a procura de solu ções em outros ní veis de abstração, que não apenas o ní vel f sico, que possam contribuir para o aumento de desempenho dos CIs e que tenham um menor impacto nos pressupostos do paradigma de desenho sí ncrono.

Governance structures and performance management systems in universities: a comparative study between the UK and Portugal

À semelhança do que aconteceu em muitas instituições públicas, as universidades têm enfrentado pressões crescentes para mudar, tendo de repensar as suas formas de governança e de gestão, dando mais ênfase à implementação de sistemas de gestão do desempenho (SGD). Apesar de existirem vários estudos sobre o desempenho, estes têm ignorado o uso dado à informação recolhida. Além disso, e apesar de terem ocorrido várias reformas na governança destas instituições, existem ainda poucos estudos que relacionam a governança e o desempenho. Assim, esta pesquisa visa explorar a forma como as universidades medem, reportam e gerem o desempenho e como as estruturas de governança se relacionam com estas práticas. Para alcançar o objetivo proposto, um estudo comparativo entre universidades britânicas e portuguesas foi realizado. Os dados foram recolhidos através da utilização de uma metodologia qualitativa, sendo os métodos utilizados a análise documental e entrevistas semi-estruturadas a membros dos órgãos de governo e gestão de cada instituição. A análise dos dados mostrou a inexistência de um sistema completamente integrado de gestão de desempenho (SGD) em ambas as instituições, essencialmente devido à falta de práticas de gestão de desempenho. De facto, apesar de alguns dos entrevistados terem reportado o "uso positivo" de dados sobre o desempenho, alguns relataram o "não uso" desses dados, principalmente em relação ao desempenho individual, e outros o "mau uso" dessa informação, tendo sido reportadas práticas de gaming e deturpação dos resultados. Como forma de ultrapassar alguns destes problemas, verificou-se a co-existência de duas estruturas de governança: uma 'formal', da qual fazem parte todos os órgão de governo, com um valor mais 'simbólico'; e uma estrutura 'paralela', constituída por órgãos mais ágeis, que gerem a universidade no dia a dia. Verificou-se terem sido vários os fatores a afetarem, negativa e positivamente, os SGD em ambas as instituições, tendo sido rotulados de "inibidores" e "determinantes", respetivamente. A pesquisa mostrou que, apesar de as estruturas de governança serem importantes para a implementação e funcionamento de um SGD, há outros fatores que precisam de ser levados em consideração, nomeadamente, o nível de comunicação e o nível de envolvimento dos atores no processo. Estes dois fatores são considerados relevantes para a integração bem sucedida de práticas de medição, reporte e gestão de desempenho. Esta integração, juntamente com outras mudanças que ocorreram em termos de governança, contribuirá certamente para que se passe de um sistema em que se governa o desempenho para um sistema em que se governa para o desempenho.

A governance approach to integrated rural tourism: factors influencing organisational performance and tourism support of local development organisations

Ao longo das últimas três décadas, o envolvimento das comunidades na formulação de políticas locais tem vindo a ganhar cada vez mais atenção como uma abordagem sustentável para o desenvolvimento rural na União Europeia (UE) e no mundo. Emergendo da globalização, novas estruturas de governação têm desafiado a base territorial restricta da autoridade do Estado soberano através do envolvimento de uma rede complexa e de autoorganização de atores governamentais e não-governamentais na tomada de decisões coletivas. A reestruturação territorial e institucional das zonas rurais, associada à expansão da governança rural, ganhou atenção considerável na literatura. No entanto, o potencial de empregar princípios de governança como fatores que determinam as direções de desenvolvimento rural através de desempenho organizacional e apoio no turismo não tem sido amplamente explorado na literatura. Deste modo, o principal objetivo desta tese consiste no emprego de ‘integração’, ‘participação’ e ‘empowerment’ como fatores críticos que influenciam os rumos do desenvolvimento rural (1) através do desempenho organizacional das organizações de governança rural e (2) apoio no turismo de organizações de desenvolvimento rural tendo em vista a validação da abordagem de governança para o turismo integrado. Ao longo deste duplo objectivo geral, a tese é dividida numa componente qualitativa de ‘desempenho’ e numa componente quantitativa de ‘apoio’. Seguindo uma abordagem sistemática baseada num sistema conceptual, foram realizadas 38 entrevistas em profundidade com pessoas chave envolvendo gestores do programa LEADER da UE na Hungria (34% do número total de Grupos de Ação Local [GAL]), seguido por um levantamento de campo transversal realizado através de um sistema de recolha de dados na Internet, tendo resultado em 662 questionários válidos para uma taxa de resposta de 63.6%. Os resultados da componente “desempenho” revelaram padrões na implementação dos princípios de governança, que por sua vez permitiram a identificação de fatores que permitem e restringem o desempenho organizacional. Os resultados da componente “apoio” permitiram destacar que o ponto de vista de redes de desenvolvimento local nos princípios de governança não é homogéneo. Diferenças significativas foram encontradas entre organizações responsáveis pelo planeamento e os grupos de aconselhamento. Contudo, os resultados sugeriram que a dimensão sustentável de turismo rural integrado é um prognosticador da contribuição do turismo para o desenvolvimento global da comunicade e para o apoio do turismo ao longo das redes de desenvolvimento local. Este estudo responde a uma necessidade crescente de investigação, que resulta da proliferação à escala mundial de formações de governança em sistemas de administração pública, tanto no lado dos investigadores como no lado dos praticantes.

Automatic information and safety systems for driving assistance

O objeto principal desta tese é o estudo de algoritmos de processamento e representação automáticos de dados, em particular de informação obtida por sensores montados a bordo de veículos (2D e 3D), com aplicação em contexto de sistemas de apoio à condução. O trabalho foca alguns dos problemas que, quer os sistemas de condução automática (AD), quer os sistemas avançados de apoio à condução (ADAS), enfrentam hoje em dia. O documento é composto por duas partes. A primeira descreve o projeto, construção e desenvolvimento de três protótipos robóticos, incluindo pormenores associados aos sensores montados a bordo dos robôs, algoritmos e arquitecturas de software. Estes robôs foram utilizados como plataformas de ensaios para testar e validar as técnicas propostas. Para além disso, participaram em várias competições de condução autónoma tendo obtido muito bons resultados. A segunda parte deste documento apresenta vários algoritmos empregues na geração de representações intermédias de dados sensoriais. Estes podem ser utilizados para melhorar técnicas já existentes de reconhecimento de padrões, deteção ou navegação, e por este meio contribuir para futuras aplicações no âmbito dos AD ou ADAS. Dado que os veículos autónomos contêm uma grande quantidade de sensores de diferentes naturezas, representações intermédias são particularmente adequadas, pois podem lidar com problemas relacionados com as diversas naturezas dos dados (2D, 3D, fotométrica, etc.), com o carácter assíncrono dos dados (multiplos sensores a enviar dados a diferentes frequências), ou com o alinhamento dos dados (problemas de calibração, diferentes sensores a disponibilizar diferentes medições para um mesmo objeto). Neste âmbito, são propostas novas técnicas para a computação de uma representação multi-câmara multi-modal de transformação de perspectiva inversa, para a execução de correcção de côr entre imagens de forma a obter mosaicos de qualidade, ou para a geração de uma representação de cena baseada em primitivas poligonais, capaz de lidar com grandes quantidades de dados 3D e 2D, tendo inclusivamente a capacidade de refinar a representação à medida que novos dados sensoriais são recebidos.

Navigation in dynamic environments taking advantage of moving agents

Esta tese propõe uma forma diferente de navegação de robôs em ambientes dinâmicos, onde o robô tira partido do movimento de pedestres, com o objetivo de melhorar as suas capacidades de navegação. A ideia principal é que, ao invés de tratar as pessoas como obstáculos dinâmicos que devem ser evitados, elas devem ser tratadas como agentes especiais com conhecimento avançado em navegação em ambientes dinâmicos. Para se beneficiar do movimento de pedestres, este trabalho propõe que um robô os selecione e siga, de modo que possa mover-se por caminhos ótimos, desviar-se de obstáculos não detetados, melhorar a navegação em ambientes densamente populados e aumentar a sua aceitação por outros humanos. Para atingir estes objetivos, novos métodos são desenvolvidos na área da seleção de líderes, onde duas técnicas são exploradas. A primeira usa métodos de previsão de movimento, enquanto a segunda usa técnicas de aprendizagem por máquina, para avaliar a qualidade de candidatos a líder, onde o treino é feito com exemplos reais. Os métodos de seleção de líder são integrados com algoritmos de planeamento de movimento e experiências são realizadas para validar as técnicas propostas.

Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.

Optimal alarms systems and its application to financial time series

This thesis focuses on the application of optimal alarm systems to non linear time series models. The most common classes of models in the analysis of real-valued and integer-valued time series are described. The construction of optimal alarm systems is covered and its applications explored. Considering models with conditional heteroscedasticity, particular attention is given to the Fractionally Integrated Asymmetric Power ARCH, FIAPARCH(p; d; q) model and an optimal alarm system is implemented, following both classical and Bayesian methodologies. Taking into consideration the particular characteristics of the APARCH(p; q) representation for financial time series, the introduction of a possible counterpart for modelling time series of counts is proposed: the INteger-valued Asymmetric Power ARCH, INAPARCH(p; q). The probabilistic properties of the INAPARCH(1; 1) model are comprehensively studied, the conditional maximum likelihood (ML) estimation method is applied and the asymptotic properties of the conditional ML estimator are obtained. The final part of the work consists on the implementation of an optimal alarm system to the INAPARCH(1; 1) model. An application is presented to real data series.

Management and Control of Water Supply Systems

The fast increase in the energy’s price has brought a growing concern about the highly expensive task of transporting water. By creating an hydraulic model of the Water Supply System’s (WSS) network and predicting its behaviour, it is possible to take advantage of the energy’s tariffs, reducing the total cost on pumping activities. This thesis was developed, in association with a technology transfer project called the E-Pumping. It focuses on finding a flexible supervision and control strategy, adaptable to any existent Water Supply System (WSS), as well as forecasting the water demand on a time period chosen by the end user, so that the pumping actions could be planned to an optimum schedule, that minimizes the total operational cost. The OPC protocol, associated to a MySQL database were used to develop a flexible tool of supervision and control, due to their adaptability to function with equipments from various manufacturers, being another integrated modular part of the E-Pumping project. Furthermore, in this thesis, through the study and performance tests of several statistical models based on time series, specifically applied to this problem, a forecasting tool adaptable to any station, and whose model parameters are automatically refreshed at runtime, was developed and added to the project as another module. Both the aforementioned modules were later integrated with an Graphical User Interface (GUI) and installed in a pilot application at the ADDP’s network. The implementation of this software on WSSs across the country will reduce the water supply companies’ running costs, improving their market competition and, ultimately, lowering the water price to the end costumer.