A framework for the response time analysis of fixed-priority tasks with stochastic inter-arrival times

Real-time scheduling usually considers worst-case values for the parameters of task (or message stream) sets, in order to provide safe schedulability tests for hard real-time systems. However, worst-case conditions introduce a level of pessimism that is often inadequate for a certain class of (soft) real-time systems. In this paper we provide an approach for computing the stochastic response time of tasks where tasks have inter-arrival times described by discrete probabilistic distribution functions, instead of minimum inter-arrival (MIT) values.

Implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Consider the problem of scheduling sporadic message transmission requests with deadlines. For wired channels, this has been achieved successfully using the CAN bus. For wireless channels, researchers have recently proposed a similar solution; a collision-free medium access control (MAC) protocol that implements static-priority scheduling. Unfortunately no implementation has been reported, yet. We implement and evaluate it to find that the implementation indeed is collision-free and prioritized. This allows us to develop schedulability analysis for the implementation. We measure the response times of messages in our implementation and find that our new response-time analysis indeed offers an upper bound on the response times. This enables a new class of wireless real-time systems with timeliness guarantees for sporadic messages and it opens-up a new research area: schedulability analysis for wireless networks.

Collision-free prioritized medium access in the presence of hidden nodes without relying on out-of-band signaling

Consider the problem of sharing a wireless channel between a set of computer nodes. Hidden nodes exist and there is no base station. Each computer node hosts a set of sporadic message streams where a message stream releases messages with real-time deadlines. We propose a collision-free wireless medium access control (MAC) protocol which implements staticpriority scheduling. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed. It neither relies on synchronized clocks nor out-of-band signaling; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to receive an incoming bit from the channel while transmitting to the channel. Our protocol has the key feature of not only being prioritized and collision-free but also dealing successfully with hidden nodes. This key feature enables schedulability analysis of sporadic message streams in multihop networks.

Collision-free prioritized medium access control in wireless networks with hidden nodes

We propose a collision-free medium access control (MAC) protocol, which implements static-priority scheduling and works in the presence of hidden nodes. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to sense the channel while transmitting to the channel. Our protocol is collision-free even in the presence of hidden nodes and it achieves this without synchronized clocks or out-of-band busy tones. In addition, the protocol is designed to ensure that many non-interfering nodes can transmit in parallel and it functions for both broadcast and unicast transmissions.

Run-time monitoring approach for the shark kernel

Typically common embedded systems are designed with high resource constraints. Static designs are often chosen to address very specific use cases. On contrast, a dynamic design must be used if the system must supply a real-time service where the input may contain factors of indeterminism. Thus, adding new functionality on these systems is often accomplished by higher development time, tests and costs, since new functionality push the system complexity and dynamics to a higher level. Usually, these systems have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to the external applications, usually using a run-time monitoring mechanism. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Multi-criteria optimization manipulator trajectory planning

In the last twenty years genetic algorithms (GAs) were applied in a plethora of fields such as: control, system identification, robotics, planning and scheduling, image processing, and pattern and speech recognition (Bäck et al., 1997). In robotics the problems of trajectory planning, collision avoidance and manipulator structure design considering a single criteria has been solved using several techniques (Alander, 2003). Most engineering applications require the optimization of several criteria simultaneously. Often the problems are complex, include discrete and continuous variables and there is no prior knowledge about the search space. These kind of problems are very more complex, since they consider multiple design criteria simultaneously within the optimization procedure. This is known as a multi-criteria (or multiobjective) optimization, that has been addressed successfully through GAs (Deb, 2001). The overall aim of multi-criteria evolutionary algorithms is to achieve a set of non-dominated optimal solutions known as Pareto front. At the end of the optimization procedure, instead of a single optimal (or near optimal) solution, the decision maker can select a solution from the Pareto front. Some of the key issues in multi-criteria GAs are: i) the number of objectives, ii) to obtain a Pareto front as wide as possible and iii) to achieve a Pareto front uniformly spread. Indeed, multi-objective techniques using GAs have been increasing in relevance as a research area. In 1989, Goldberg suggested the use of a GA to solve multi-objective problems and since then other researchers have been developing new methods, such as the multi-objective genetic algorithm (MOGA) (Fonseca & Fleming, 1995), the non-dominated sorted genetic algorithm (NSGA) (Deb, 2001), and the niched Pareto genetic algorithm (NPGA) (Horn et al., 1994), among several other variants (Coello, 1998). In this work the trajectory planning problem considers: i) robots with 2 and 3 degrees of freedom (dof ), ii) the inclusion of obstacles in the workspace and iii) up to five criteria that are used to qualify the evolving trajectory, namely the: joint traveling distance, joint velocity, end effector / Cartesian distance, end effector / Cartesian velocity and energy involved. These criteria are used to minimize the joint and end effector traveled distance, trajectory ripple and energy required by the manipulator to reach at destination point. Bearing this ideas in mind, the paper addresses the planning of robot trajectories, meaning the development of an algorithm to find a continuous motion that takes the manipulator from a given starting configuration up to a desired end position without colliding with any obstacle in the workspace. The chapter is organized as follows. Section 2 describes the trajectory planning and several approaches proposed in the literature. Section 3 formulates the problem, namely the representation adopted to solve the trajectory planning and the objectives considered in the optimization. Section 4 studies the algorithm convergence. Section 5 studies a 2R manipulator (i.e., a robot with two rotational joints/links) when the optimization trajectory considers two and five objectives. Sections 6 and 7 show the results for the 3R redundant manipulator with five goals and for other complementary experiments are described, respectively. Finally, section 8 draws the main conclusions.

A flexible online apparatus for projectile launch experiments

In order to provide a more flexible learning environment in physics, the developed projectile launch apparatus enables students to determine the acceleration of gravity and the dependence of a set of parameters in the projectile movement. This apparatus is remotely operated and accessed via web, by first scheduling an access time slot. This machine has a number of configuration parameters that support different learning scenarios with different complexities.

Aparato para experimentação remota do lançamento de projéteis

Num sistema de ensino cada vez mais exigente, a experimentação assume um papel fundamental na aquisição e validação do conhecimento. No ensino da Física, a necessidade de compreender a influência do meio num dado conceito teórico leva a que a experimentação tenha um carácter obrigatório. Neste contexto, surgem três cenários capazes de suportar a aprendizagem dos conceitos teóricos adquiridos. A simulação que faz uso da velocidade e capacidades de cálculo do computador para obter o resultado de uma experiência, a experimentação tradicional em laboratório, na qual o aluno executa, presencialmente, a sua experiência e por último a experimentação remota, que permite a execução de uma experiência real sem a presença física do aluno. Esta dissertação apresenta o projeto de um aparato para experimentação remota do “Lançamento de projéteis”. De forma a providenciar um meio de ensino de Física mais flexível, o aparato desenvolvido permite, aos alunos, a determinação da aceleração da gravidade e o estudo da dependência do movimento de um projétil num conjunto de parâmetros. Este aparato, operado remotamente, é acedido via web, onde primeiramente é reservado um intervalo de tempo. O conjunto de parâmetros (“Bola”, “Altura de lançamento” e “Ângulo de lançamento”) da máquina permite suportar vários cenários de ensino da Física, com diferentes complexidades.

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Uma metaheurística para a programação de projectos com multi-modos e recursos limitados

Este artigo apresenta uma nova abordagem (MM-GAV-FBI), aplicável ao problema da programação de projectos com restrições de recursos e vários modos de execução por actividade, problema conhecido na literatura anglo-saxónica por MRCPSP. Cada projecto tem um conjunto de actividades com precedências tecnológicas definidas e um conjunto de recursos limitados, sendo que cada actividade pode ter mais do que um modo de realização. A programação dos projectos é realizada com recurso a um esquema de geração de planos (do inglês Schedule Generation Scheme - SGS) integrado com uma metaheurística. A metaheurística é baseada no paradigma dos algoritmos genéticos. As prioridades das actividades são obtidas a partir de um algoritmo genético. A representação cromossómica utilizada baseia-se em chaves aleatórias. O SGS gera planos não-atrasados. Após a obtenção de uma solução é aplicada uma melhoria local. O objectivo da abordagem é encontrar o melhor plano (planning), ou seja, o plano que tenha a menor duração temporal possível, satisfazendo as precedências das actividades e as restrições de recursos. A abordagem proposta é testada num conjunto de problemas retirados da literatura da especialidade e os resultados computacionais são comparados com outras abordagens. Os resultados computacionais validam o bom desempenho da abordagem, não apenas em termos de qualidade da solução, mas também em termos de tempo útil.

Problema de atribuição de vigilâncias de exames a docentes

O presente trabalho foi realizado com o intuito de resolver o problema de alocação de vigilantes a exames do Instituto Superior de Engenharia do Porto, no departamento de Engenharia Mecânica. O modelo apresentado faz a atribuição das vigilâncias de uma forma hierárquica, utilizando vários critérios, desde a regência da unidade curricular até à simples vigilância. Devido ao facto de estar implementado informaticamente, apresenta reduzidos tempos na formulação e obtenção de uma solução, o que o torna uma boa ferramenta para a criação de cenários alternativos. Em suma, o modelo proposto neste trabalho apresenta soluções de melhor qualidade, em que a distribuição de afetações é proporcional entre os docentes, e o seu tempo de obtenção é muito reduzido em comparação com a alternativa atual.

Afetação de recursos em sistemas de produção

O problema do escalonamento, por ser um dos factores fundamentais na tomada de decisão para uma boa gestão das operações, tem sido alvo de um amplo estudo, tanto na sua componente teórica como na sua componente prática. A importância de um escalonamento correto das operações é preponderante, quando as pequenas diferenças, em termos de tempos de produção, podem ter um grande impacto na competitividade da organização. Em muitas unidades produtivas, existem máquinas capazes de realizar as mesmas operações com diferentes desempenhos. Isto pode dever-se à necessidade de flexibilizar os recursos ou mesmo a uma atualização da capacidade produtiva. Embora os problemas de máquinas diferentes em paralelo tenham sido alvo de um vasto estudo, muitos deles não são passíveis de ser resolvidos através de métodos exatos. O problema de minimização do makespan (Rm||Cmax), é NP-hard, sendo habitualmente abordado através de heurísticas. Entre as heurísticas utilizadas em problemas de minimização do makespan em máquinas diferentes em paralelo, é possível identificar duas filosofias de afectação: a que utiliza os tempos de processamento para alocar as tarefas e a que utiliza as datas de conclusão. Nesta dissertação, pretende-se dar uma contribuição para a resolução do problema de afectação de recursos em sistemas de produção. Para tal, foram propostas as heurísticas OMTC 3 e Suffrage One. A contribuição consiste na proposta de versões híbridas e modificadas das heurística MCT e Suffrage, uma vez identificadas várias características que podem limitar o seu desempenho, como o facto da heurística MCT alocar as tarefas numa ordem aleatória ou a heurística Suffrage alocar mais que uma tarefa por iteração. Finalmente, procedeu-se à realização de testes computacionais, para avaliar o desempenho das heurísticas propostas. Os testes realizados permitiram concluir que a heurística OMTC 3 apresentou um melhor desempenho que a heurística MCT.

Estimating Effective Slowdown of Tasks in Energy-Aware Clouds

Consolidation consists in scheduling multiple virtual machines onto fewer servers in order to improve resource utilization and to reduce operational costs due to power consumption. However, virtualization technologies do not offer performance isolation, causing applications’ slowdown. In this work, we propose a performance enforcing mechanism, composed of a slowdown estimator, and a interference- and power-aware scheduling algorithm. The slowdown estimator determines, based on noisy slowdown data samples obtained from state-of-the-art slowdown meters, if tasks will complete within their deadlines, invoking the scheduling algorithm if needed. When invoked, the scheduling algorithm builds performance and power aware virtual clusters to successfully execute the tasks. We conduct simulations injecting synthetic jobs which characteristics follow the last version of the Google Cloud tracelogs. The results indicate that our strategy can be efficiently integrated with state-of-the-art slowdown meters to fulfil contracted SLAs in real-world environments, while reducing operational costs in about 12%.

Towards high-available and energy-efficient virtual computing environments in the cloud

Empowered by virtualisation technology, cloud infrastructures enable the construction of flexi- ble and elastic computing environments, providing an opportunity for energy and resource cost optimisation while enhancing system availability and achieving high performance. A crucial re- quirement for effective consolidation is the ability to efficiently utilise system resources for high- availability computing and energy-efficiency optimisation to reduce operational costs and carbon footprints in the environment. Additionally, failures in highly networked computing systems can negatively impact system performance substantially, prohibiting the system from achieving its initial objectives. In this paper, we propose algorithms to dynamically construct and readjust vir- tual clusters to enable the execution of users’ jobs. Allied with an energy optimising mechanism to detect and mitigate energy inefficiencies, our decision-making algorithms leverage virtuali- sation tools to provide proactive fault-tolerance and energy-efficiency to virtual clusters. We conducted simulations by injecting random synthetic jobs and jobs using the latest version of the Google cloud tracelogs. The results indicate that our strategy improves the work per Joule ratio by approximately 12.9% and the working efficiency by almost 15.9% compared with other state-of-the-art algorithms.

A Hybrid Simulated Annealing approach to handle Energy Resource Management considering an intensive use of Electric Vehicles

The massification of electric vehicles (EVs) can have a significant impact on the power system, requiring a new approach for the energy resource management. The energy resource management has the objective to obtain the optimal scheduling of the available resources considering distributed generators, storage units, demand response and EVs. The large number of resources causes more complexity in the energy resource management, taking several hours to reach the optimal solution which requires a quick solution for the next day. Therefore, it is necessary to use adequate optimization techniques to determine the best solution in a reasonable amount of time. This paper presents a hybrid artificial intelligence technique to solve a complex energy resource management problem with a large number of resources, including EVs, connected to the electric network. The hybrid approach combines simulated annealing (SA) and ant colony optimization (ACO) techniques. The case study concerns different EVs penetration levels. Comparisons with a previous SA approach and a deterministic technique are also presented. For 2000 EVs scenario, the proposed hybrid approach found a solution better than the previous SA version, resulting in a cost reduction of 1.94%. For this scenario, the proposed approach is approximately 94 times faster than the deterministic approach.