Software transactional memory as a building block for parallel embedded realtime systems

The recent trends of chip architectures with higher number of heterogeneous cores, and non-uniform memory/non-coherent caches, brings renewed attention to the use of Software Transactional Memory (STM) as a fundamental building block for developing parallel applications. Nevertheless, although STM promises to ease concurrent and parallel software development, it relies on the possibility of aborting conflicting transactions to maintain data consistency, which impacts on the responsiveness and timing guarantees required by embedded real-time systems. In these systems, contention delays must be (efficiently) limited so that the response times of tasks executing transactions are upper-bounded and task sets can be feasibly scheduled. In this paper we assess the use of STM in the development of embedded real-time software, defending that the amount of contention can be reduced if read-only transactions access recent consistent data snapshots, progressing in a wait-free manner. We show how the required number of versions of a shared object can be calculated for a set of tasks. We also outline an algorithm to manage conflicts between update transactions that prevents starvation.

Building adaptable, QoS-aware dependable embedded systems

Most of today’s embedded systems are required to work in dynamic environments, where the characteristics of the computational load cannot always be predicted in advance. Furthermore, resource needs are usually data dependent and vary over time. Resource constrained devices may need to cooperate with neighbour nodes in order to fulfil those requirements and handle stringent non-functional constraints. This paper describes a framework that facilitates the distribution of resource intensive services across a community of nodes, forming temporary coalitions for a cooperative QoSaware execution. The increasing need to tailor provided service to each application’s specific needs determines the dynamic selection of peers to form such a coalition. The system is able to react to load variations, degrading its performance in a controlled fashion if needed. Isolation between different services is achieved by guaranteeing a minimal service quality to accepted services and by an efficient overload control that considers the challenges and opportunities of dynamic distributed embedded systems.

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.

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.

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.

A evolução de um modelo BIM de construção para gestão de empreendimentos

A implementação da evolução tecnológica no setor da construção tem se caracterizado pelo aparecimento de novas tecnologias que dinamizam os processos de troca de informação entre os vários intervenientes no ciclo de vida do empreendimento. O surgimento da tecnologia Building Information Modeling - BIM assente na modelação paramétrica e na interoperabilidade suportada em ficheiros de padrão aberto (IFC) pressupõem um novo paradigma na forma como são tratados os processos de troca de informação entre os vários intervenientes no ciclo de vida dos empreendimentos. Com base no BIM o Construction Operations Building Information Exchange – COBie, é outra tecnologia recente que recolhe informações não geométricas associadas ao modelo e em conjunto com a informação geométrica produzida pelo BIM fazem parte dos documentos de entrega para a fase Facility Management – FM. O objetivo da presente dissertação centrou-se no estudo da evolução de um modelo BIM de construção para a gestão de empreendimento. Foi desenvolvido o estudo de um modelo protótipo que incidiu na utilização de softwares para verificação e aplicação das tecnologias COBie e BIM e também foi sincronizado com a fase FM. Da aplicação dos requisitos COBie e modelação BIM foram extraídas informações geométricas e não geométricas preenchidas nas folhas de trabalho COBie. As principais conclusões do estudo realizado foram que as tecnologias COBie e BIM têm pouca implantação a nível nacional e a sua integração dinamiza os processos, reduzindo custos e aumentando a qualidade da informação fornecida.

A metodologia BIM-FM aplicada a um caso prático

O crescente aumento da consciencialização da importância da fase de operação e manutenção, bem como a amplificação que a metodologia Building Information Modelling (BIM) tem obtido nos últimos anos, sugere uma necessidade de alterar a atual abordagem da gestão das instalações de forma a dotá-la das mais recentes inovações tecnológicas como seja a utilização do BIM. Os Building Information Models apresentam as características ideais para a integração da gestão das instalações, não só pela visualização do edifício, mas sobretudo pela potencialidade que a base de dados oferece, com informação referente a cada um dos componentes presentes e suas relações. O âmbito deste trabalho envolve assim a integração da gestão das instalações com o modelo BIM criado, representativo do edifício em estudo. Este trabalho começa com as definições do âmbito e dos objetivos que são propostos no Capítulo 1. No Capítulo 2, é elaborada uma pesquisa sobre o estado da arte atual de cada uma das metodologias BIM e FM, de forma a tomar conhecimento dos seus conceitos principais. Foi feito também um levantamento no campo do BIM-FM de forma a apurar as atuais soluções tecnológicas existentes, a forma como é feita a sua troca de informação e também alguns casos em que esta metodologia foi aplicada. Com base na informação recolhida sobre as metodologias e também nos casos práticos estudados, é realizado no Capítulo 3, capítulo central deste trabalho, a aplicação prática. A realização desta aplicação é dividida por 3 fases principais. Numa primeira fase é especificada e recolhida a informação necessária de ser obtida para a realização do modelo e a posterior aplicação do FM. A escolha da informação a recolher é feita ponderando todos os fatores existentes, mas de forma a cumprir os requisitos pedidos. Numa segunda fase, assente na compilação de informação recolhida anteriormente, realiza-se o modelo do edifício. A modelação, de forma a seguir o método de trabalho BIM é realizada por especialidades, sendo numa primeira fase realizada a especialidade de arquitetura e posteriormente, utilizando esse modelo como base, é feita a modelação das especialidades de águas, águas residuais, AVAC e eletricidade. Esta escolha foi também estimulada pela organização do software utilizado para a modelação, por módulos. Na última fase da aplicação do caso prático a informação inserida na fase de modelação do edifício é exportada para o software de FM, neste caso em específico, o IBM Maximo. Para a exportação destes dados foi utilizado o formato Construction Operations Building Information Exchange (COBie), de forma a garantir a integridade e conformidade da informação transferida. No Capítulo 4 deste trabalho são abordadas as especificidades relativas à informação existente, à modelação e à troca de dados entre o software de modelação e o software utilizado na gestão do edifício. São também sugeridos alguns temas para futuros desenvolvimentos com o intuito de ampliação dos campos de FM com o uso do modelo. O BIM-FM é um tema emergente na atualidade do BIM, sendo a sua utilização encarada como uma mais-valia ao processo BIM. A compilação da informação durante a fase de projeto e execução, aliada à existência do modelo torna a implementação do FM com o modelo BIM como uma sequência natural.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

Impact of design options in zero energy building conception: the case of large buildings in Portugal

The new recast of Directive 2010/31/EU in order to implement the new concept NZEB in new buildings, is to be fully respected by all Member States, and is revealed as important measure to promote the reduction of energy consumption of buildings and encouraging the use of renewable energy. In this study, it was tested the applicability of the nearly zero energy building concept to a big size office building and its impact after a 50-years life cycle span.

A Metodologia BIM 4D e BIM 5D aplicada a um caso prático Construção de uma ETAR na Argélia

Mestre em Engenharia Civil – Ramo de Gestão das Construções

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Estudo comparativo entre o sistema convencional de arrefecimento e o arrefecedor evaporativo para os edifícios industriais portugueses

Em Portugal existem muitos espaços comerciais e industriais em que as necessidades térmicas de arrefecimento são muito superiores às necessidades de aquecimento devido aos ganhos internos que advêm da existência de equipamentos e da iluminação dos edifícios, assim como, da presença das pessoas. A instalação de sistemas convencionais de ar condicionado para espaços comerciais e industriais de grande dimensão está geralmente associada ao transporte de grandes caudais de ar, e consequentemente, a elevados consumos de energia primária, e também, elevados custos de investimento, de manutenção e de operação. O arrefecedor evaporativo é uma solução de climatização com elevada eficiência energética, cujo princípio de funcionamento promove a redução do consumo de energia primária nos edifícios. A metodologia utilizada baseou-se na criação de uma ferramenta informática de simulação do funcionamento de um protótipo de um arrefecedor evaporativo. Foi efetuada a modelação matemática das variáveis dinâmicas envolvidas, dos processos de transferência de calor e de massa, assim como dos balanços de energia que ocorrem no arrefecedor evaporativo. A ferramenta informática desenvolvida permite o dimensionamento do protótipo do arrefecedor evaporativo, sendo determinadas as caraterísticas técnicas (potência térmica, caudal, eficiência energética, consumo energético e consumo e água) de acordo com o tipo de edifício e com as condições climatéricas do ar exterior. Foram selecionados três dimensionamentos de arrefecedores evaporativos, representativos de condições reais de uma gama baixa, média e elevada de caudais de ar. Os resultados obtidos nas simulações mostram que a potência de arrefecimento (5,6 kW, 16,0 kW e 32,8 kW) e o consumo de água (8 l/h, 23,9 l/h e 48,96 l/h) aumentam com o caudal de ar do arrefecedor, 5.000 m3/h, 15.000 m3/h e 30.000 m3/h, respetivamente. A eficácia de permuta destes arrefecedores evaporativos, foi de 69%, 66% e 67%, respetivamente. Verificou-se que a alteração de zona climática de V1 para V2 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 20% no consumo de água, e que, a alteração de zona climática de V2 para V3 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 39% no consumo de água. O arrefecedor evaporativo apresenta valores de consumo de energia elétrica entre 40% a 80% inferiores aos dos sistemas de arrefecimento convencionais, sendo este efeito mais intenso quando a zona climática de verão se torna mais severa.

Desenvolvimento de ferramentas BIM no âmbito do cálculo estrutural em situação de incêndio

Este trabalho insere-se no âmbito de um estágio curricular realizado no gabinete de projetos SE2P, durante o qual foram desenvolvidas ferramentas de cálculo estrutural em situação de incêndio, integradas numa metodologia de trabalho que segue os princípios inerentes à tecnologia BIM (Building Information Modeling). Em particular foi implementado um procedimento de análise ao fogo segundo os modelos simplificados prescritos pelos Eurocódigos. Estes modelos garantem a segurança estrutural, permitindo, de forma rápida e eficiente, a determinação das necessidades de proteção passiva para diferentes cenários, tendo em vista a obtenção da solução mais económica. Esta dissertação, para além da apresentação do trabalho desenvolvido em regime de estágio curricular, objetivou dotar o leitor de um documento que introduza os principais conceitos relativos ao cálculo estrutural em situação de incêndio, indicando as várias opções de análise e respetivas vantagens e desvantagens, ajudando a definir a sua adequabilidade ao projeto em estudo. Neste contexto é efetuada uma introdução geral ao fenómeno do fogo e às medidas mais correntes de proteção, indicando-se os documentos normativos aplicáveis tanto ao cálculo estrutural como aos materiais de proteção. É também abordada a interação entre as várias normas que devem ser consultadas quando é efetuada uma análise ao fogo, e quais se aplicam a cada fase da análise. Efetua-se uma clara distinção entre a análise do comportamento térmico e mecânico, indicando-se as principais propriedades dos materiais em função do tipo de análise e a forma como são afetadas pela temperatura. No campo da análise do comportamento térmico faz-se essencialmente referência aos modelos de cálculo simplificados do desenvolvimento da temperatura em elementos metálicos e vigas mistas, com e sem proteção passiva. No que concerne ao campo da análise do comportamento mecânico são descritos os modelos de cálculo simplificados para a verificação da segurança estrutural atendendo às ações e combinações em situação de incêndio e à perda de resistência a temperaturas elevadas. Relativamente ao trabalho desenvolvido na SE2P, relativo ao desenvolvimento de ferramentas de cálculo e a sua implementação na análise ao fogo, realiza-se uma descrição detalhada de todo o processo, e da forma como se integra no conceito BIM, utilizando informações provenientes da modelação das estruturas e introduzindo novos dados ao modelo. Realizou-se também a aplicação de todo o procedimento de análise e das ferramentas desenvolvidas, a um caso de estudo baseado num edifício de habitação. Este caso de estudo serviu também para criar cenários de otimização utilizando-se referências de preços de mercado para o aço, sua transformação em fábrica e sistemas de proteção passiva, demonstrando-se a dificuldade em encontrar caminhos rápidos e diretos de decisão no processo de otimização.