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.

Fuzzy Monte Carlo model for transmission power systems reliability based decision making

This thesis presents the Fuzzy Monte Carlo Model for Transmission Power Systems Reliability based studies (FMC-TRel) methodology, which is based on statistical failure and repair data of the transmission power system components and uses fuzzyprobabilistic modeling for system component outage parameters. Using statistical records allows developing the fuzzy membership functions of system component outage parameters. The proposed hybrid method of fuzzy set and Monte Carlo simulation based on the fuzzy-probabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. A network contingency analysis to identify any overloading or voltage violation in the network is performed once obtained the system states. This is followed by a remedial action algorithm, based on Optimal Power Flow, to reschedule generations and alleviate constraint violations and, at the same time, to avoid any load curtailment, if possible, or, otherwise, to minimize the total load curtailment, for the states identified by the contingency analysis. For the system states that cause load curtailment, an optimization approach is applied to reduce the probability of occurrence of these states while minimizing the costs to achieve that reduction. This methodology is of most importance for supporting the transmission system operator decision making, namely in the identification of critical components and in the planning of future investments in the transmission power system. A case study based on Reliability Test System (RTS) 1996 IEEE 24 Bus is presented to illustrate with detail the application of the proposed methodology.

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.

Copper, nickel and zinc removal by peanut hulls: batch and column studies in mono, tri-component systems and with real effluent

The main goal of this research study was the removal of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) from aqueous solutions using peanut hulls. This work was mainly focused on the following aspects: chemical characterization of the biosorbent, kinetic studies, study of the pH influence in mono-component systems, equilibrium isotherms and column studies, both in mono and tri-component systems, and with a real industrial effluent from the electroplating industry. The chemical characterization of peanut hulls showed a high cellulose (44.8%) and lignin (36.1%) content, which favours biosorption of metal cations. The kinetic studies performed indicate that most of the sorption occurs in the first 30 min for all systems. In general, a pseudo-second order kinetics was followed, both in mono and tri-component systems. The equilibrium isotherms were better described by Freundlich model in all systems. Peanut hulls showed higher affinity for copper than for nickel and zinc when they are both present. The pH value between 5 and 6 was the most favourable for all systems. The sorbent capacity in column was 0.028 and 0.025 mmol g-1 for copper, respectively in mono and tri-component systems. A decrease of capacity for copper (50%) was observed when dealing with the real effluent. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit.

Chlormequat selective electrodes: construction, evaluation and application at FIA systems

A flow injection analysis (FIA) system having a chlormequat selective electrode is proposed. Several electrodes with poly(vinyl chloride) based membranes were constructed for this purpose. Comparative characterization suggestedthe use of membrane with chlormequat tetraphenylborate and dibutylphthalate. On a single-line FIA set-up, operating with 1x10-2 mol L-1 ionic strength and 6.3 pH, calibration curves presented slopes of 53.6±0.4mV decade-1 within 5.0x10-6 and1.0x10-3 mol L-1, andsquaredcorrelation coefficients >0.9953. The detection limit was 2.2x10-6 mol L-1 and the repeatability equal to ±0.68mV (0.7%). A dual-channel FIA manifold was therefore constructed, enabling automatic attainment of previous ionic strength andpH conditions and thus eliminating sample preparation steps. Slopes of 45.5±0.2mV decade -1 along a concentration range of 8.0x10-6 to 1.0x10-3 mol L-1 with a repeatability ±0.4mV (0.69%) were obtained. Analyses of real samples were performed, and recovery gave results ranging from 96.6 to 101.1%.

Groundwater from infiltration galleries used for small public water supply systems: contamination with pesticides and endocrine disruptors

Infiltration galleries are among the oldest known means used for small public water fountains. Owing to its ancestral origin they are usually associated with high quality water. Thirty-one compounds, including pesticides and estrogens from different chemical families, were analysed in waters from infiltration galleries collected in Alto Douro Demarcated Wine region (North of Portugal). A total of twelve compounds were detected in the water samples. Nine of these compounds are described as presenting evidence or potential evidence of interfering with the hormone system of humans and wildlife. Although concentrations of the target analytes were relatively low, many of them below their limit of quantification, four compounds were above quantification limit and two of them even above the legal limit of 0.1 lg/L: dimethoate (30.38 ng/L), folpet (64.35 ng/L), terbuthylazine-desethyl (22.28 to 292.36 ng/L) and terbuthylazine (22.49 to 369.33 ng/L).

Supporting learning through tagging systems

With the advent of Web 2.0, new kinds of tools became available, which are not seen as novel anymore but are widely used. For instance, according to Eurostat data, in 2010 32% of individuals aged 16 to 74 used the Internet to post messages to social media sites or instant messaging tools, ranging from 17% in Romania to 46% in Sweden (Eurostat, 2012). Web 2.0 applications have been used in technology-enhanced learning environments. Learning 2.0 is a concept that has been used to describe the use of social media for learning. Many Learning 2.0 initiatives have been launched by educational and training institutions in Europe. Web 2.0 applications have also been used for informal learning. Web 2.0 tools can be used in classrooms, virtual or not, not only to engage students but also to support collaborative activities. Many of these tools allow users to use tags to organize resources and facilitate their retrieval at a later date or time. The aim of this chapter is to describe how tagging has been used in systems that support formal or informal learning and to summarize the functionalities that are common to these systems. In addition, common and unusual tagging applications that have been used in some Learning Objects Repositories are analysed.

Demand response management in power systems using a particle swarm optimization approach

Competitive electricity markets have arisen as a result of power-sector restructuration and power-system deregulation. The players participating in competitive electricity markets must define strategies and make decisions using all the available information and business opportunities.

Run-time monitoring in real-time operating systems

Embedded systems are increasingly complex and dynamic, imposing progressively higher developing time and costs. Tuning a particular system for deployment is thus becoming more demanding. Furthermore when considering systems which 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 external applications, and a runtime monitoring mechanism must be available. 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.

Capacity sharing and stealing in serverbased real-time systems

A dynamic scheduler that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers is proposed. Overloads are handled by an efficient reclaiming of residual capacities originated by early completions as well as by allowing reserved capacity stealing of non-guaranteed bandwidth servers. The proposed dynamic budget accounting mechanism ensures that at a particular time the currently executing server is using a residual capacity, its own capacity or is stealing some reserved capacity, eliminating the need of additional server states or unbounded queues. The server to which the budget accounting is going to be performed is dynamically determined at the time instant when a capacity is needed. This paper describes and evaluates the proposed scheduling algorithm, showing that it can efficiently reduce the mean tardiness of periodic jobs. The achieved results become even more significant when tasks’ computation times have a large variance.

Systems of Navier-Stokes equations on cantor sets

We present systems of Navier-Stokes equations on Cantor sets, which are described by the local fractional vector calculus. It is shown that the results for Navier-Stokes equations in a fractal bounded domain are efficient and accurate for describing fluid flow in fractal media.

Observability of nonlinear fractional dynamical systems

We study the observability of linear and nonlinear fractional differential systems of order 0 < α < 1 by using the Mittag-Leffler matrix function and the application of Banach’s contraction mapping theorem. Several examples illustrate the concepts.

Stability of fractional order systems

The theory and applications of fractional calculus (FC) had a considerable progress during the last years. Dynamical systems and control are one of the most active areas, and several authors focused on the stability of fractional order systems. Nevertheless, due to the multitude of efforts in a short period of time, contributions are scattered along the literature, and it becomes difficult for researchers to have a complete and systematic picture of the present day knowledge. This paper is an attempt to overcome this situation by reviewing the state of the art and putting this topic in a systematic form. While the problem is formulated with rigour, from the mathematical point of view, the exposition intends to be easy to read by the applied researchers. Different types of systems are considered, namely, linear/nonlinear, positive, with delay, distributed, and continuous/discrete. Several possible routes of future progress that emerge are also tackled.

Combined mutation differential evolution to solve systems of nonlinear equations

This paper presents a differential evolution heuristic to compute a solution of a system of nonlinear equations through the global optimization of an appropriate merit function. Three different mutation strategies are combined to generate mutant points. Preliminary numerical results show the effectiveness of the presented heuristic.