Fractional dynamics of genetic algorithms using hexagonal space tessellation

The paper formulates a genetic algorithm that evolves two types of objects in a plane. The fitness function promotes a relationship between the objects that is optimal when some kind of interface between them occurs. Furthermore, the algorithm adopts an hexagonal tessellation of the two-dimensional space for promoting an efficient method of the neighbour modelling. The genetic algorithm produces special patterns with resemblances to those revealed in percolation phenomena or in the symbiosis found in lichens. Besides the analysis of the spacial layout, a modelling of the time evolution is performed by adopting a distance measure and the modelling in the Fourier domain in the perspective of fractional calculus. The results reveal a consistent, and easy to interpret, set of model parameters for distinct operating conditions.

Solving MPCC problem with the hyperbolic penalty function

The main goal of this work is to solve mathematical program with complementarity constraints (MPCC) using nonlinear programming techniques (NLP). An hyperbolic penalty function is used to solve MPCC problems by including the complementarity constraints in the penalty term. This penalty function [1] is twice continuously differentiable and combines features of both exterior and interior penalty methods. A set of AMPL problems from MacMPEC [2] are tested and a comparative study is performed.

Solving a signalized traffic intersection problem with an hyperbolic penalty function

Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC) finds many applications in fields such as engineering design, economic equilibrium and mathematical programming theory itself. A queueing system model resulting from a single signalized intersection regulated by pre-timed control in traffic network is considered. The model is formulated as an MPCC problem. A MATLAB implementation based on an hyperbolic penalty function is used to solve this practical problem, computing the total average waiting time of the vehicles in all queues and the green split allocation. The problem was codified in AMPL.

Factores de rentabilização do processo de serragem de granitos com engenhos multi-lâminas

Este trabalho visa apresentar um enquadramento da realidade económica e industrial do sector transformador de granitos ornamentais em Portugal e fazer uma análise do processo de serragem, com engenhos multi-lâminas e granalha de aço, na medida em que este é o método de seccionamento de blocos de granito mais utilizado pelas grandes indústrias do sector. Tendo em conta a importância económica desta operação produtiva na indústria em causa, foi definido como fito deste projecto a análise estatística dos custos de produção; a definição de fórmulas de cálculo que permitam prever o custo médio de serragem; e o estudo de soluções economicamente viáveis e ambientalmente sustentáveis para o problema das lamas resultantes do expurgo dos engenhos. Para a persecução deste projecto foi realizada uma recolha de dados implementando rotinas de controlo e registo dos mesmos, em quadros de produção normalizados e de fácil preenchimento, pelos operadores destes equipamentos. Esta recolha de dados permitiu isolar, quantificar e formular os factores de rentabilização do processo de serragem selecionando, dentro da amostra de estudo obtida, um conjunto de serragens com características similares e com valores próximos dos valores da média estatística. Apartir dos dados destas serragens foram geradas curvas de tendência polinomial com as quais se analisaram as variações provocadas no custo médio de serragem, pelas variações do factor em estudo. A formulação dos factores de rentabilização e os dados estatísticos obtidos permitiram depois o desenvolvimento de fórmulas de cálculo do custo médio de serragem que establecem o custo de produção diferenciado em função das espessuras com, ou sem, a incorporação dos factores de rentabilização. Como consequência do projecto realizado obteve-se um conjunto de conclusões util, para o sector industrial em causa, que evidencia a importancia da Ocupação dos engenhos e rentabilização de um espaço confinado, da Resistência oferecida à serragem pelos granitos, e da Diferença de altura entre os blocos de uma mesma carga, nos custos de transformação.

Sistema de aquisição de dados em tempo real

Neste trabalho propus-me realizar um Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real via Porta Paralela. Para atingir com sucesso este objectivo, foi realizado um levantamento bibliográfico sobre sistemas operativos de tempo real, salientando e exemplificando quais foram marcos mais importantes ao longo da sua evolução. Este levantamento permitiu perceber o porquê da proliferação destes sistemas face aos custos que envolvem, em função da sua aplicação, bem como as dificuldades, científicas e tecnológicas, que os investigadores foram tendo, e que foram ultrapassando com sucesso. Para que Linux se comporte como um sistema de tempo real, é necessário configura-lo e adicionar um patch, como por exemplo o RTAI ou ADEOS. Como existem vários tipos de soluções que permitem aplicar as características inerentes aos sistemas de tempo real ao Linux, foi realizado um estudo, acompanhado de exemplos, sobre o tipo de arquitecturas de kernel mais utilizadas para o fazer. Nos sistemas operativos de tempo real existem determinados serviços, funcionalidades e restrições que os distinguem dos sistemas operativos de uso comum. Tendo em conta o objectivo do trabalho, e apoiado em exemplos, fizemos um pequeno estudo onde descrevemos, entre outros, o funcionamento escalonador, e os conceitos de latência e tempo de resposta. Mostramos que há apenas dois tipos de sistemas de tempo real o ‘hard’ que tem restrições temporais rígidas e o ‘soft’ que engloba as restrições temporais firmes e suaves. As tarefas foram classificadas em função dos tipos de eventos que as despoletam, e evidenciando as suas principais características. O sistema de tempo real eleito para criar o sistema de aquisição de dados via porta paralela foi o RTAI/Linux. Para melhor percebermos o seu comportamento, estudamos os serviços e funções do RTAI. Foi dada especial atenção, aos serviços de comunicação entre tarefas e processos (memória partilhada e FIFOs), aos serviços de escalonamento (tipos de escalonadores e tarefas) e atendimento de interrupções (serviço de rotina de interrupção - ISR). O estudo destes serviços levou às opções tomadas quanto ao método de comunicação entre tarefas e serviços, bem como ao tipo de tarefa a utilizar (esporádica ou periódica). Como neste trabalho, o meio físico de comunicação entre o meio ambiente externo e o hardware utilizado é a porta paralela, também tivemos necessidade de perceber como funciona este interface. Nomeadamente os registos de configuração da porta paralela. Assim, foi possível configura-lo ao nível de hardware (BIOS) e software (módulo do kernel) atendendo aos objectivos do presente trabalho, e optimizando a utilização da porta paralela, nomeadamente, aumentando o número de bits disponíveis para a leitura de dados. No desenvolvimento da tarefa de hard real-time, foram tidas em atenção as várias considerações atrás referenciadas. Foi desenvolvida uma tarefa do tipo esporádica, pois era pretendido, ler dados pela porta paralela apenas quando houvesse necessidade (interrupção), ou seja, quando houvesse dados disponíveis para ler. Desenvolvemos também uma aplicação para permitir visualizar os dados recolhidos via porta paralela. A comunicação entre a tarefa e a aplicação é assegurada através de memória partilhada, pois garantindo a consistência de dados, a comunicação entre processos do Linux e as tarefas de tempo real (RTAI) que correm ao nível do kernel torna-se muito simples. Para puder avaliar o desempenho do sistema desenvolvido, foi criada uma tarefa de soft real-time cujos tempos de resposta foram comparados com os da tarefa de hard real-time. As respostas temporais obtidas através do analisador lógico em conjunto com gráficos elaborados a partir destes dados, mostram e comprovam, os benefícios do sistema de aquisição de dados em tempo real via porta paralela, usando uma tarefa de hard real-time.

A preliminary idea for an 8-competitive, log2 DMAX + log2 log2 1/U asymptotic-space, interface generation algorithm for two-level hierarchical scheduling of constrained-deadline sporadic tasks on a uniprocessor

Consider a single processor and a software system. The software system comprises components and interfaces where each component has an associated interface and each component comprises a set of constrained-deadline sporadic tasks. A scheduling algorithm (called global scheduler) determines at each instant which component is active. The active component uses another scheduling algorithm (called local scheduler) to determine which task is selected for execution on the processor. The interface of a component makes certain information about a component visible to other components; the interfaces of all components are used for schedulability analysis. We address the problem of generating an interface for a component based on the tasks inside the component. We desire to (i) incur only a small loss in schedulability analysis due to the interface and (ii) ensure that the amount of space (counted in bits) of the interface is small; this is because such an interface hides as much details of the component as possible. We present an algorithm for generating such an interface.

A scalable and efficient approach for obtaining measurements in CAN-Based control systems

The availability of small inexpensive sensor elements enables the employment of large wired or wireless sensor networks for feeding control systems. Unfortunately, the need to transmit a large number of sensor measurements over a network negatively affects the timing parameters of the control loop. This paper presents a solution to this problem by representing sensor measurements with an approximate representation-an interpolation of sensor measurements as a function of space coordinates. A priority-based medium access control (MAC) protocol is used to select the sensor messages with high information content. Thus, the information from a large number of sensor measurements is conveyed within a few messages. This approach greatly reduces the time for obtaining a snapshot of the environment state and therefore supports the real-time requirements of feedback control loops.

How a cyber-physical system can efficiently obtain a snapshot of physical information even in the presence of sensor faults

We present a distributed algorithm for cyber-physical systems to obtain a snapshot of sensor data. The snapshot is an approximate representation of sensor data; it is an interpolation as a function of space coordinates. The new algorithm exploits a prioritized medium access control (MAC) protocol to efficiently transmit information of the sensor data. It scales to a very large number of sensors and it is able to operate in the presence of sensor faults.

A complex protocol layer as a linux user-space process

With the current complexity of communication protocols, implementing its layers totally in the kernel of the operating system is too cumbersome, and it does not allow use of the capabilities only available in user space processes. However, building protocols as user space processes must not impair the responsiveness of the communication. Therefore, in this paper we present a layer of a communication protocol, which, due to its complexity, was implemented in a user space process. Lower layers of the protocol are, for responsiveness issues, implemented in the kernel. This protocol was developed to support large-scale power-line communication (PLC) with timing requirements.

Penalty fuzzy function for derivative-free optimization

Penalty and Barrier methods are normally used to solve Nonlinear Optimization Problems constrained problems. The problems appear in areas such as engineering and are often characterised by the fact that involved functions (objective and constraints) are non-smooth and/or their derivatives are not know. This means that optimization methods based on derivatives cannot net used. A Java based API was implemented, including only derivative-free optimizationmethods, to solve both constrained and unconstrained problems, which includes Penalty and Barriers methods. In this work a new penalty function, based on Fuzzy Logic, is presented. This function imposes a progressive penalization to solutions that violate the constraints. This means that the function imposes a low penalization when the violation of the constraints is low and a heavy penalisation when the violation is high. The value of the penalization is not known in beforehand, it is the outcome of a fuzzy inference engine. Numerical results comparing the proposed function with two of the classic penalty/barrier functions are presented. Regarding the presented results one can conclude that the prosed penalty function besides being very robust also exhibits a very good performance.

Is multidimensional scaling suitable for mapping the input respiratory impedance in subjects and patients?

This paper presents the application of multidimensional scaling (MDS) analysis to data emerging from noninvasive lung function tests, namely the input respiratory impedance. The aim is to obtain a geometrical mapping of the diseases in a 3D space representation, allowing analysis of (dis)similarities between subjects within the same pathology groups, as well as between the various groups. The adult patient groups investigated were healthy, diagnosed chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and diagnosed kyphoscoliosis, respectively. The children patient groups were healthy, asthma and cystic fibrosis. The results suggest that MDS can be successfully employed for mapping purposes of restrictive (kyphoscoliosis) and obstructive (COPD) pathologies. Hence, MDS tools can be further examined to define clear limits between pools of patients for clinical classification, and used as a training aid for medical traineeship.

Single-objective spreading algorithm

This paper addresses the problem of finding several different solutions with the same optimum performance in single objective real-world engineering problems. In this paper a parallel robot design is proposed. Thereby, this paper presents a genetic algorithm to optimize uni-objective problems with an infinite number of optimal solutions. The algorithm uses the maximin concept and ε-dominance to promote diversity over the admissible space. The performance of the proposed algorithm is analyzed with three well-known test functions and a function obtained from practical real-world engineering optimization problems. A spreading analysis is performed showing that the solutions drawn by the algorithm are well dispersed.

Fitness function evaluation through fractional algorithms

This paper proposes a Genetic Algorithm (GA) for the design of combinational logic circuits. The fitness function evaluation is calculated using Fractional Calculus. This approach extends the classical fitness function by including a fractional-order dynamical evaluation. The experiments reveal superior results when comparing with the classical method.