Application of computational intelligence to engineering

Computational Intelligence (CI) includes four main areas: Evolutionary Computation (genetic algorithms and genetic programming), Swarm Intelligence, Fuzzy Systems and Neural Networks. This article shows how CI techniques overpass the strict limits of Artificial Intelligence field and can help solving real problems from distinct engineering areas: Mechanical, Computer Science and Electrical Engineering.

A comparative analysis of fault injection methods via enhanced on-chip debug infrastructures

On-chip debug (OCD) features are frequently available in modern microprocessors. Their contribution to shorten the time-to-market justifies the industry investment in this area, where a number of competing or complementary proposals are available or under development, e.g. NEXUS, CJTAG, IJTAG. The controllability and observability features provided by OCD infrastructures provide a valuable toolbox that can be used well beyond the debugging arena, improving the return on investment rate by diluting its cost across a wider spectrum of application areas. This paper discusses the use of OCD features for validating fault tolerant architectures, and in particular the efficiency of various fault injection methods provided by enhanced OCD infrastructures. The reference data for our comparative study was captured on a workbench comprising the 32-bit Freescale MPC-565 microprocessor, an iSYSTEM IC3000 debugger (iTracePro version) and the Winidea 2005 debugging package. All enhanced OCD infrastructures were implemented in VHDL and the results were obtained by simulation within the same fault injection environment. The focus of this paper is on the comparative analysis of the experimental results obtained for various OCD configurations and debugging scenarios.

Effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints

Bonded unions are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional fastening, riveting, bolting and welding techniques. Between the available bonding configurations, the single-lap joint is the most commonly used and studied by the scientific community due to its simplicity, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes in single-lap joints is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses at the damage initiation sites in structures or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints was analyzed experimentally with two main purposes: (1) to check whether or not the anchorage effect of the adhesive within the holes is more preponderant than the stress concentrations near the holes, arising from the sharp edges, and modification of the joints straining behaviour (strength improvement or reduction, respectively) and (2) picturing a real scenario on which the components to be bonded are modified by some external factor (e.g. retrofitting of decaying/old-fashioned fastened unions). Tests were made with two adhesives (a brittle and a ductile one) varying the adherend thickness and the number, layout and diameter of the holes. Experimental testing showed that the joints strength never increases from the un-modified condition, showing a varying degree of weakening, depending on the selected adhesive and hole drilling configuration.

Real time fault injection using a modified debugging infrastructure

Dependability is a critical factor in computer systems, requiring high quality validation & verification procedures in the development stage. At the same time, digital devices are getting smaller and access to their internal signals and registers is increasingly complex, requiring innovative debugging methodologies. To address this issue, most recent microprocessors include an on-chip debug (OCD) infrastructure to facilitate common debugging operations. This paper proposes an enhanced OCD infrastructure with the objective of supporting the verification of fault-tolerant mechanisms through fault injection campaigns. This upgraded on-chip debug and fault injection (OCD-FI) infrastructure provides an efficient fault injection mechanism with improved capabilities and dynamic behavior. Preliminary results show that this solution provides flexibility in terms of fault triggering and allows high speed real-time fault injection in memory elements

Real time fault injection using enhanced OCD -- a performance analysis

Fault injection is frequently used for the verification and validation of dependable systems. When targeting real time microprocessor based systems the process becomes significantly more complex. This paper proposes two complementary solutions to improve real time fault injection campaign execution, both in terms of performance and capabilities. The methodology is based on the use of the on-chip debug mechanisms present in modern electronic devices. The main objective is the injection of faults in microprocessor memory elements with minimum delay and intrusiveness. Different configurations were implemented and compared in terms of performance gain and logic overhead.

Using NEXUS compliant debuggers for real time fault injection on microprocessors

As electronic devices get smaller and more complex, dependability assurance is becoming fundamental for many mission critical computer based systems. This paper presents a case study on the possibility of using the on-chip debug infrastructures present in most current microprocessors to execute real time fault injection campaigns. The proposed methodology is based on a debugger customized for fault injection and designed for maximum flexibility, and consists of injecting bit-flip type faults on memory elements without modifying or halting the target application. The debugger design is easily portable and applicable to different architectures, providing a flexible and efficient mechanism for verifying and validating fault tolerant components.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Real-time fault injection using enhanced on-chip debug infrastructures

The rapid increase in the use of microprocessor-based systems in critical areas, where failures imply risks to human lives, to the environment or to expensive equipment, significantly increased the need for dependable systems, able to detect, tolerate and eventually correct faults. The verification and validation of such systems is frequently performed via fault injection, using various forms and techniques. However, as electronic devices get smaller and more complex, controllability and observability issues, and sometimes real time constraints, make it harder to apply most conventional fault injection techniques. This paper proposes a fault injection environment and a scalable methodology to assist the execution of real-time fault injection campaigns, providing enhanced performance and capabilities. Our proposed solutions are based on the use of common and customized on-chip debug (OCD) mechanisms, present in many modern electronic devices, with the main objective of enabling the insertion of faults in microprocessor memory elements with minimum delay and intrusiveness. Different configurations were implemented starting from basic Components Off-The-Shelf (COTS) microprocessors, equipped with real-time OCD infrastructures, to improved solutions based on modified interfaces, and dedicated OCD circuitry that enhance fault injection capabilities and performance. All methodologies and configurations were evaluated and compared concerning performance gain and silicon overhead.

Otimização do processo produtivo de extrusão de pisos na E06

O presente trabalho foi elaborado no âmbito da Dissertação Final de Mestrado do curso de Engenharia Mecânica – Gestão Industrial do Instituto Superior de Engenharia do Porto. Este foi realizado numa empresa da indústria de pneus, a Continental Mabor S.A.. Nos dias atuais, a indústria esta cada vez mais competitiva, os custos e os prazos da entrega são cada vez mais reduzidos e a qualidade cada vez mais exigente, assim sendo, é imprescindível uma constante melhoria do sistema produtivo. Este fato fez com que o presente trabalho tivesse como principal objetivo determinar o estado atual e delinear um plano de melhoria para um equipamento (Extrusora de pisos nº6), recentemente instalado na fábrica mas oriundo de outra fábrica do grupo, recorrendo para tal ao Lean Manufacturing e a ferramentas que lhe estão associadas. Inicialmente realizou-se uma análise e diagnóstico ao processo de extrusão de pisos na Extrusora nº6, com o intuito de avaliar todas as suas ineficiências e ainda formular um plano de melhorias para a ineficiência de maior impacto no sistema produtivo. Esta análise foi realizada em diferentes turnos e diferentes equipas de trabalho de forma a se obter uma amostra mais representativa da realidade global. Após esta análise verificou-se que as principais ineficiências eram Setup, conformidade do material, dimensões e encravamentos, entre outros. Sendo que os Setup provocam um tempo de paragem de 101 minutos por turno, escolheu-se esta perturbação como o foco do plano de melhorias a realizar posteriormente. De forma a reduzir os tempos de mudança (Setup), o autor no presente trabalho utilizou ferramentas Lean Manufacturing, principalmente o SMED. Conjuntamente com o SMED ainda foram utilizadas outras ferramentas Lean Manufacturing tais como: 5S, Gestão Visual, Problem Solving e Normalização do Método de Trabalho. Após a implementação de todas estas ferramentas obteve-se uma redução de tempos de mudança de 43% com 1 operador e 71% com 2 operadores, ou seja, reduziu-se de 40,5 minutos gastos por turno para a mudança de fieira para 23,13 min e 11,79 min respetivamente, o que corresponde a um ganho monetário anual de 63.621€ ou 105.045€, respetivamente. Com este trabalho conclui-se que a utilização de ferramentas Lean Manufacturing contribuem para a redução dos desperdícios do processo produtivo. Por isso, espera-se que este estudo seja aplicado na Extrusora nº6 e nas restantes Extrusoras de pisos existentes na fábrica, e num futuro próximo que se realize estudos semelhantes em máquinas com diferentes funções.

Real time manufacturing systems simulator

A área da simulação computacional teve um rápido crescimento desde o seu apareciment, sendo actualmente uma das ciências de gestão e de investigação operacional mais utilizadas. O seu princípio baseia-se na replicação da operação de processos ou sistemas ao longo de períodos de tempo, tornando-se assim uma metodologia indispensável para a resolução de variados problemas do mundo real, independentemente da sua complexidade. Das inúmeras áreas de aplicação, nos mais diversos campos, a que mais se destaca é a utilização em sistemas de produção, onde o leque de aplicações disponível é muito vasto. A sua aplicação tem vindo a ser utilizada para solucionar problemas em sistemas de produção, uma vez que permite às empresas ajustar e planear de uma maneira rápida, eficaz e ponderada as suas operações e os seus sistemas, permitindo assim uma rápida adaptação das mesmas às constantes mudanças das necessidades da economia global. As aplicações e packages de simulação têm seguindo as tendências tecnológicas pelo que é notório o recurso a tecnologias orientadas a objectos para o desenvolvimento das mesmas. Este estudo baseou-se, numa primeira fase, na recolha de informação de suporte aos conceitos de modelação e simulação, bem como a respectiva aplicação a sistemas de produção em tempo real. Posteriormente centralizou-se no desenvolvimento de um protótipo de uma aplicação de simulação de ambientes de fabrico em tempo real. O desenvolvimento desta ferramenta teve em vista eventuais fins pedagógicos e uma utilização a nível académico, sendo esta capaz de simular um modelo de um sistema de produção, estando também dotada de animação. Sem deixar de parte a possibilidade de integração de outros módulos ou, até mesmo, em outras plataformas, houve ainda a preocupação acrescida de que a sua implementação recorresse a metodologias de desenvolvimento orientadas a objectos.

People counting system using existing surveillance video camera

The Casa da Música Foundation, responsible for the management of Casa da Música do Porto building, has the need to obtain statistical data related to the number of building’s visitors. This information is a valuable tool for the elaboration of periodical reports concerning the success of this cultural institution. For this reason it was necessary to develop a system capable of returning the number of visitors for a requested period of time. This represents a complex task due to the building’s unique architectural design, characterized by very large doors and halls, and the sudden large number of people that pass through them in moments preceding and proceeding the different activities occurring in the building. To achieve the technical solution for this challenge, several image processing methods, for people detection with still cameras, were first studied. The next step was the development of a real time algorithm, using OpenCV libraries and computer vision concepts,to count individuals with the desired accuracy. This algorithm includes the scientific and technical knowledge acquired in the study of the previous methods. The themes developed in this thesis comprise the fields of background maintenance, shadow and highlight detection, and blob detection and tracking. A graphical interface was also built, to help on the development, test and tunning of the proposed system, as a complement to the work. Furthermore, tests to the system were also performed, to certify the proposed techniques against a set of limited circumstances. The results obtained revealed that the algorithm was successfully applied to count the number of people in complex environments with reliable accuracy.

A framework for fault tolerant real time systems based on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available to the users in SRAM-based FPGAs, manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce costs, making its use more attractive. However, these technological improvements also make FPGAs particularly vulnerable to configuration memory bit-flips caused by power fluctuations, strong electromagnetic fields and radiation. This issue is particularly sensitive because of the increasing amount of configuration memory cells needed to define their functionality. A short survey of the most recent publications is presented to support the options assumed during the definition of a framework for implementing circuits immune to bit-flips induction mechanisms in memory cells, based on a customized redundant infrastructure and on a detection-and-fix controller.

A modified debugging infrastructure to assist real time fault injection campaigns

Fault injection is frequently used for the verification and validation of the fault tolerant features of microprocessors. This paper proposes the modification of a common on-chip debugging (OCD) infrastructure to add fault injection capabilities and improve performance. The proposed solution imposes a very low logic overhead and provides a flexible and efficient mechanism for the execution of fault injection campaigns, being applicable to different target system architectures.

A self-healing real-time system based on run-time self-reconfiguration

The new generations of SRAM-based FPGA (field programmable gate array) devices are the preferred choice for the implementation of reconfigurable computing platforms intended to accelerate processing in real-time systems. However, FPGA's vulnerability to hard and soft errors is a major weakness to robust configurable system design. In this paper, a novel built-in self-healing (BISH) methodology, based on run-time self-reconfiguration, is proposed. A soft microprocessor core implemented in the FPGA is responsible for the management and execution of all the BISH procedures. Fault detection and diagnosis is followed by repairing actions, taking advantage of the dynamic reconfiguration features offered by new FPGA families. Meanwhile, modular redundancy assures that the system still works correctly

Planeamento e controlo da instalação e manutenção de sistemas AVAC

Atualmente a elaboração de plano de trabalhos (utilizando a ferramenta Microsoft Project) é prática corrente em muitas empresas, como são o caso das empresas de construção civil, como meio de auxílio para o estabelecimento de prazos e articulação com as diversas subempreitadas que uma qualquer obra tem ao longo da sua execução. O presente trabalho visa demonstrar a importância da elaboração de um plano de trabalhos para o planeamento e controlo de uma instalação de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC). Recorrendo ao uso do software Microsoft Project foi elaborado um modelo de planeamento e controlo, utilizando dados reais, para o planeamento e controlo de uma instalação de AVAC. Foi ainda elaborado, através do Microsoft Excel, um plano anual de manutenções preventivas para os contratos de manutenção em vigor. No final, são indicadas as principais conclusões e as vantagens da utilização deste modelo na obtenção de melhores resultados no cumprimento de prazos e redução de custos com o pessoal afeto à empresa. São ainda perspetivados futuros desenvolvimentos utilizando essa ferramenta. Com o modelo criado, a empresa tem meios para planear e controlar uma série de parâmetros, como os prazos de entrega dos equipamentos a instalar, o número de trabalhadores necessários para desempenhar uma determinada função, os custos associados à mão-de-obra e/ou equipamento, o cumprimento de prazos estabelecidos pela empresa de construção civil e outros dados que possam vir a ser relevantes para a melhoria da rentabilidade dos projetos.