Rhapsody in Fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Supporting real-time parallel task models with work-stealing

Dynamic parallel scheduling using work-stealing has gained popularity in academia and industry for its good performance, ease of implementation and theoretical bounds on space and time. Cores treat their own double-ended queues (deques) as a stack, pushing and popping threads from the bottom, but treat the deque of another randomly selected busy core as a queue, stealing threads only from the top, whenever they are idle. However, this standard approach cannot be directly applied to real-time systems, where the importance of parallelising tasks is increasing due to the limitations of multiprocessor scheduling theory regarding parallelism. Using one deque per core is obviously a source of priority inversion since high priority tasks may eventually be enqueued after lower priority tasks, possibly leading to deadline misses as in this case the lower priority tasks are the candidates when a stealing operation occurs. Our proposal is to replace the single non-priority deque of work-stealing with ordered per-processor priority deques of ready threads. The scheduling algorithm starts with a single deque per-core, but unlike traditional work-stealing, the total number of deques in the system may now exceed the number of processors. Instead of stealing randomly, cores steal from the highest priority deque.

LMP triggered real time demand response events

Recent changes in power systems mainly due to the substantial increase of distributed generation and to the operation in competitive environments has created new challenges to operation and planning. In this context, Virtual Power Players (VPP) can aggregate a diversity of players, namely generators and consumers, and a diversity of energy resources, including electricity generation based on several technologies, storage and demand response. Demand response market implementation has been done in recent years. Several implementation models have been considered. An important characteristic of a demand response program is the trigger criterion. A program for which the event trigger depends on the Locational Marginal Price (LMP) used by the New England Independent System operator (ISO-NE) inspired the present paper. This paper proposes a methodology to support VPP demand response programs management. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated using a 32 bus network with intensive use of distributed generation. Results concerning the evaluation of the impact of using demand response events are also presented.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Soil remediation time to achieve clean-up goals I: influence of soil water content

The current models are not simple enough to allow a quick estimation of the remediation time. This work reports the development of an easy and relatively rapid procedure for the forecasting of the remediation time using vapour extraction. Sandy soils contaminated with cyclohexane and prepared with different water contents were studied. The remediation times estimated through the mathematical fitting of experimental results were compared with those of real soils. The main objectives were: (i) to predict, through a simple mathematical fitting, the remediation time of soils with water contents different from those used in the experiments; (ii) to analyse the influence of soil water content on the: (ii1) remediation time; (ii2) remediation efficiency; and (ii3) distribution of contaminants in the different phases present into the soil matrix after the remediation process. For sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that (i) if the soil water content belonged to the range considered in the experiments with the prepared soils, then the remediation time of real soils of similar characteristics could be successfully predicted, with relative differences not higher than 10%, through a simple mathematical fitting of experimental results; (ii) increasing soil water content from 0% to 6% had the following consequences: (ii1) increased remediation time (1.8–4.9 h, respectively); (ii2) decreased remediation efficiency (99–97%, respectively); and (ii3) decreased the amount of contaminant adsorbed onto the soil and in the non-aqueous liquid phase, thus increasing the amount of contaminant in the aqueous and gaseous phases.

Effects of sulphurization time on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin films solar cells obtained from metallic precursors

We report the results of a study of the sulphurization time effects on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin film solar cells prepared from dc-sputtered tackedmetallic precursors. Three different time intervals, 10 min, 30min and 60 min, at maximum sulphurization temperature were considered. The effects of this parameter' change were studied both on the absorber layer properties and on the final solar cell performance. The composition, structure, morphology and thicknesses of the CZTS layers were analyzed. The electrical characterization of the absorber layer was carried out by measuring the transversal electrical resistance of the samples as a function of temperature. This study shows an increase of the conductivity activation energy from 10 meV to 54meV for increasing sulphurization time from 10min to 60min. The solar cells were built with the following structure: SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni:Al grid. Several ac response equivalent circuit models were tested to fit impedance measurements. The best results were used to extract the device series and shunt resistances and capacitances. Absorber layer's electronic properties were also determined using the Mott–Schottky method. The results show a decrease of the average acceptor doping density and built-in voltage, from 2.0 1017 cm−3 to 6.5 1015 cm−3 and from 0.71 V to 0.51 V, respectively, with increasing sulphurization time. These results also show an increase of the depletion region width from approximately 90 nm–250 nm.

Dermic diffusion and stratum corneum: a state of the art review of mathematical models

Transdermal biotechnologies are an ever increasing field of interest, due to the medical and pharmaceutical applications that they underlie. There are several mathematical models at use that permit a more inclusive vision of pure experimental data and even allow practical extrapolation for new dermal diffusion methodologies. However, they grasp a complex variety of theories and assumptions that allocate their use for specific situations. Models based on Fick's First Law found better use in contexts where scaled particle theory Models would be extensive in time-span but the reciprocal is also true, as context of transdermal diffusion of particular active compounds changes. This article reviews extensively the various theoretical methodologies for studying dermic diffusion in the rate limiting dermic barrier, the stratum corneum, and systematizes its characteristics, their proper context of application, advantages and limitations, as well as future perspectives.

Setting target rotation time in PROFIBUS based real-time distributed applications

In this paper, we analyse the ability of Profibus fieldbus to cope with the real-time requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events must be made available within a maximum bound time. Our methodology is based on the knowledge of real-time traffic characteristics, setting the network parameters in order to cope with timing requirements. Since non-real-time traffic characteristics are usually unknown at the design stage, we consider an operational profile where, constraining non-real-time traffic at the application level, we assure that realtime requirements are met.

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.

Server-based scheduling of parallel real-time tasks

Multicore platforms have transformed parallelism into a main concern. Parallel programming models are being put forward to provide a better approach for application programmers to expose the opportunities for parallelism by pointing out potentially parallel regions within tasks, leaving the actual and dynamic scheduling of these regions onto processors to be performed at runtime, exploiting the maximum amount of parallelism. It is in this context that this paper proposes a scheduling approach that combines the constant-bandwidth server abstraction with a priority-aware work-stealing load balancing scheme which, while ensuring isolation among tasks, enables parallel tasks to be executed on more than one processor at a given time instant.

SPARTS: simulator for power aware and real-time systems

Real-time systems demand guaranteed and predictable run-time behaviour in order to ensure that no task has missed its deadline. Over the years we are witnessing an ever increasing demand for functionality enhancements in the embedded real-time systems. Along with the functionalities, the design itself grows more complex. Posed constraints, such as energy consumption, time, and space bounds, also require attention and proper handling. Additionally, efficient scheduling algorithms, as proven through analyses and simulations, often impose requirements that have significant run-time cost, specially in the context of multi-core systems. In order to further investigate the behaviour of such systems to quantify and compare these overheads involved, we have developed the SPARTS, a simulator of a generic embedded real- time device. The tasks in the simulator are described by externally visible parameters (e.g. minimum inter-arrival, sporadicity, WCET, BCET, etc.), rather than the code of the tasks. While our current implementation is primarily focused on our immediate needs in the area of power-aware scheduling, it is designed to be extensible to accommodate different task properties, scheduling algorithms and/or hardware models for the application in wide variety of simulations. The source code of the SPARTS is available for download at [1].

Hybrid wired/wireless PROFIBUS architectures: performance study based on simulation models

The problem of providing a hybrid wired/wireless communications for factory automation systems is still an open issue, notwithstanding the fact that already there are some solutions. This paper describes the role of simulation tools on the validation and performance analysis of two wireless extensions for the PROFIBUS protocol. In one of them, the Intermediate Systems, which connect wired and wireless network segments, operate as repeaters. In the other one the Intermediate Systems operate as bridge. We also describe how the analytical analysis proposed for these kinds of networks can be used for the setting of some network parameters and for the guaranteeing real-time behaviour of the system. Additionally, we also compare the bridge-based solution simulation results with the analytical results.