Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

INDEPTH: timeliness assessment of ethernet/IP-based systems

The continuous improvement of Ethernet technologies is boosting the eagerness of extending their use to cover factory-floor distributed real time applications. Indeed, it is remarkable the considerable amount of research work that has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies in the past few years. It happens, however, that the majority of those works are restricted to the analysis of sub-sets of the overall computing and communication system, thus without addressing timeliness in a holistic fashion. To this end, we address an approach, based on simulation, aiming at extracting temporal properties of commercial-off-the-shelf (COTS) Ethernet-based factory-floor distributed systems. This framework is applied to a specific COTS technology, Ethernet/IP. We reason about the modeling and simulation of Ethernet/IP-based systems, and on the use of statistical analysis techniques to provide useful results on timeliness. The approach is part of a wider framework related to the research project INDEPTH NDustrial-Ethernet ProTocols under Holistic analysis.

An architecture for reliable distributed computer-controlled systems

In Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS), both real-time and reliability requirements are of major concern. Architectures for DCCS must be designed considering the integration of processing nodes and the underlying communication infrastructure. Such integration must be provided by appropriate software support services. In this paper, an architecture for DCCS is presented, its structure is outlined, and the services provided by the support software are presented. These are considered in order to guarantee the real-time and reliability requirements placed by current and future systems.

A communication support for real-time distributed computer controlled systems

In this paper, we analyse the ability of P-NET [1] fieldbus to cope with the timing requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events should be made available within a maximum bound time. The main objective of this work is to analyse how the network access and queueing delays, imposed by P-NET’s virtual token Medium Access Control (MAC) mechanism, affect the realtime behaviour of the supported DCCS.

Using a prioritized MAC protocol to execute the database operation join in networked embedded computer systems

Database query languages on relations (for example SQL) make it possible to join two relations. This operation is very common in desktop/server database systems but unfortunately query processing systems in networked embedded computer systems currently do not support this operation; specifically, the query processing systems TAG, TinyDB, Cougar do not support this. We show how a prioritized medium access control (MAC) protocol can be used to efficiently execute the database operation join for networked embedded computer systems where all computer nodes are in a single broadcast domain.

A simulation model for the IEEE 802.15.4 protocol: delay/throughput evaluation of the GTS mechanism

The IEEE 802.15.4 protocol has the ability to support time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications due to the Guaranteed Time Slot (GTS) Medium Access Control mechanism. Recently, several analytical and simulation models of the IEEE 802.15.4 protocol have been proposed. Nevertheless, currently available simulation models for this protocol are both inaccurate and incomplete, and in particular they do not support the GTS mechanism. In this paper, we propose an accurate OPNET simulation model, with focus on the implementation of the GTS mechanism. The motivation that has driven this work is the validation of the Network Calculus based analytical model of the GTS mechanism that has been previously proposed and to compare the performance evaluation of the protocol as given by the two alternative approaches. Therefore, in this paper we contribute an accurate OPNET model for the IEEE 802.15.4 protocol. Additionally, and probably more importantly, based on the simulation model we propose a novel methodology to tune the protocol parameters such that a better performance of the protocol can be guaranteed, both concerning maximizing the throughput of the allocated GTS as well as concerning minimizing frame delay.

Using attractor dynamics to generate decentralized motion control of two mobile robots transporting a long object in coordination

Dynamical systems theory is used here as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of two mobile robots that must transport a long object and simultaneously avoid obstacles. In this approach the level of modeling is at the level of behaviors. A “dynamics” of behavior is defined over a state space of behavioral variables (heading direction and path velocity). The environment is also modeled in these terms by representing task constraints as attractors (i.e. asymptotically stable states) or reppelers (i.e. unstable states) of behavioral dynamics. For each robot attractors and repellers are combined into a vector field that governs the behavior. The resulting dynamical systems that generate the behavior of the robots may be nonlinear. By design the systems are tuned so that the behavioral variables are always very close to one attractor. Thus the behavior of each robot is controled by a time series of asymptotically stable states. Computer simulations support the validity of our dynamic model architectures.

Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

Modeling and control of a dragonfly-like robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, the dynamics of a dragonfly-inspired robot is studied. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movements, the dynamics, and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

Modeling of the lung impedance using a fractional order ladder network with constant phase elements

The self similar branching arrangement of the airways makes the respiratory system an ideal candidate for the application of fractional calculus theory. The fractal geometry is typically characterized by a recurrent structure. This study investigates the identification of a model for the respiratory tree by means of its electrical equivalent based on intrinsic morphology. Measurements were obtained from seven volunteers, in terms of their respiratory impedance by means of its complex representation for frequencies below 5 Hz. A parametric modeling is then applied to the complex valued data points. Since at low-frequency range the inertance is negligible, each airway branch is modeled by using gamma cell resistance and capacitance, the latter having a fractional-order constant phase element (CPE), which is identified from measurements. In addition, the complex impedance is also approximated by means of a model consisting of a lumped series resistance and a lumped fractional-order capacitance. The results reveal that both models characterize the data well, whereas the averaged CPE values are supraunitary and subunitary for the ladder network and the lumped model, respectively.

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.

Agile modeling data warehouse development

Most of the traditional software and database development approaches tend to be serial, not evolutionary and certainly not agile, especially on data-oriented aspects. Most of the more commonly used methodologies are strict, meaning they’re composed by several stages each with very specific associated tasks. A clear example is the Rational Unified Process (RUP), divided into Business Modeling, Requirements, Analysis & Design, Implementation, Testing and Deployment. But what happens when the needs of a well design and structured plan, meet the reality of a small starting company that aims to build an entire user experience solution. Here resource control and time productivity is vital, requirements are in constant change, and so is the product itself. In order to succeed in this environment a highly collaborative and evolutionary development approach is mandatory. The implications of constant changing requirements imply an iterative development process. Project focus is on Data Warehouse development and business modeling. This area is usually a tricky one. Business knowledge is part of the enterprise, how they work, their goals, what is relevant for analyses are internal business processes. Throughout this document it will be explained why Agile Modeling development was chosen. How an iterative and evolutionary methodology, allowed for reasonable planning and documentation while permitting development flexibility, from idea to product. More importantly how it was applied on the development of a Retail Focused Data Warehouse. A productized Data Warehouse built on the knowledge of not one but several client needs. One that aims not just to store usual business areas but create an innovative sets of business metrics by joining them with store environment analysis, converting Business Intelligence into Actionable Business Intelligence.

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.

Modeling radionuclides dispersion and deposition downwind of a coal-fired power plant

In this study the inhalation doses and respective risk are calculated for the population living within a 20 km radius of a coal-fired power plant. The dispersion and deposition of natural radionuclides were simulated by a Gaussian dispersion model estimating the ground level activity concentration. The annual effective dose and total risk were 0.03205 mSv/y and 1.25 x 10-8, respectively. The effective dose is lower than the limit established by the ICRP and the risk is lower than the limit proposed by the U.S. EPA, which means that the considered exposure does not pose any risk for the public health.

Plataforma web de informação automobilística

Esta dissertação enquadra-se no âmbito dos Sistemas de Informação, em concreto, no desenvolvimento de aplicações Web, como é o caso de um website. Com a utilização em larga escala dos meios tecnológicos tem-se verificado um crescimento exponencial dos mesmos, o que se traduz na facilidade com que podem ser encontradas na Internet diversos tipos de plataformas informáticas. Além disso, hoje em dia, uma grande parte das organizações possui o seu próprio sítio na Internet, onde procede à divulgação dos seus serviços e/ou produtos. Pretende-se com esta dissertação explorar estas novas tecnologias, nomeadamente, os diagramas UML - Unified Modeling Language e a concepção de bases de dados, e posteriormente desenvolver um website. Com o desenvolvimento deste website não se propõe a criação de uma nova tecnologia, mas o uso de diversas tecnologias em conjunto com recurso às ferramentas UML. Este encontra-se organizado em três fases principais: análise de requisitos, implementação e desenho das interfaces. Na análise de requisitos efectuou-se o levantamento dos objectivos propostos para o sistema e das necessidades/requisitos necessários à sua implementação, auxiliado essencialmente pelo Diagrama de Use Cases do sistema. Na fase de implementação foram elaborados os arquivos e directórios que formam a arquitectura lógica de acordo com os modelos descritos no Diagrama de Classes e no Diagrama de Entidade-Relação. Os requisitos identificados foram analisados e usados na composição das interfaces e sistema de navegação. Por fim, na fase de desenho das interfaces foram aperfeiçoadas as interfaces desenvolvidas, com base no conceito artístico e criativo do autor. Este aperfeiçoamento vai de encontro ao gosto pessoal e tem como objectivo elaborar uma interface que possa também agradar ao maior número possível de utilizadores. Este pode ser observado na maneira como se encontram distribuídas as ligações (links) entre páginas, nos títulos, nos cabeçalhos, nas cores e animações e no seu design em geral. Para o desenvolvimento do website foram utilizadas diferentes linguagens de programação, nomeadamente a HyperText Markup Language (HTML), a Page Hypertext Preprocessor (PHP) e Javascript. A HTML foi utilizada para a disposição de todo o conteúdo visível das páginas e para definição do layout das mesmas e a PHP para executar pequenos scripts que permitem interagir com as diferentes funcionalidades do site. A linguagem Javascript foi usada para definir o design das páginas e incluir alguns efeitos visuais nas mesmas. Para a construção das páginas que compõem o website foi utilizado o software Macromedia Dreamweaver, o que simplificou a sua implementação pela facilidade com que estas podem ser construídas. Para interacção com o sistema de gestão da base de dados, o MySQL, foi utilizada a aplicação phpMyAdmin, que simplifica o acesso à base de dados, permitindo definir, manipular e consultar os seus dados.