Rede de monitorização ambiental em tempo- real com sistemas móveis

A compreensão das interacções entre os oceanos, a linha de costa, a qualidade do ar e as florestas só será possível através do registo e análise de informação geo-temporalmente referenciada. Mas a monitorização de grandes áreas apresenta o problema da cobertura espacial e temporal, e os custos nela envolvidos pela impossibilidade de disseminar a quantidade de estações de monitorização necessários à compreensão do fenómeno. É necessário então definir metodologias de colocação de sensores e recolha de informação de forma robusta, económica e temporalmente útil. Nesta dissertação apresentamos uma estratégia de monitorização ambiental, para meios hídricos, (ou de grande dimensão) que baseada em sistemas móveis e alguns princípios da geoestatística, fornece uma ferramenta de monitorização mais económica, sem prejuízo da qualidade de informação. Os modelos usados na geoestatística assentam na ideia de que medidas mais próximas tendem a serem mais parecidas do que valores observados em locais distantes e fornece métodos para quantificar esta correlação espacial e incorporá-la na estimação. Os resultados obtidos sustentam a convicção do uso de veículos móveis em redes de sensores e que contribuímos para responder à seguinte questão “Qual a técnica que nos permite com poucos sensores monitorizar grandes áreas?”. A solução passará por modelos de estimação de grandezas utilizados na geoestatística associados a sistemas móveis.

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.

D. João de Magalhães e Avelar e a Fundação da Real Biblioteca Pública Municipal do Porto (1833)

D. João de Magalhães e Avelar (1754-1833) formou aquela que, ao tempo, era a maior biblioteca privada portuguesa. Com cerca de 36000 volumes, foi elogiada por personalidades nacionais e estrangeiras, por aliar à quantidade de volumes inúmeros e valiosíssimos manuscritos. Formada ao longo dos séculos XVIII e XIX, durante mais de 30 anos, originou, em 1833, o primeiro núcleo da actual Biblioteca Pública Municipal do Porto. Numa época em que possuir livros era sinónimo de prestígio social mas num período em que quase não havia tradição de bibliotecas públicas no nosso país, contrariamente ao que acontecia noutras realidades, a livraria privada de Avelar formou, com outras, a Real Biblioteca Pública da Cidade do Porto. Em 1833, aquando do primeiro aniversário da entrada do exército liberal no Porto, por decreto, criou-se a biblioteca portuense. Estabelecida na casa que servia de Hospício dos Religiosos de Santo António do Val da Piedade, à praça da Cordoaria, tinha como objectivo satisfazer a utilidade pública, estando aberta todos os dias, excepto domingos e feriados. Propriedade da cidade do Porto, ficava sujeita à administração da Câmara que se obrigava à sua guarda, manutenção, conservação, bem como à constante aquisição de espólio. Como veremos, tratou-se de um processo conflituoso mas o Porto obtinha, definitivamente, a sua biblioteca pública.

Aplicação para gestão de activos de rede do Aeroporto do Porto

O presente trabalho enquadra-se na área das redes de computadores, fazendo referência aos protocolos e ao conjunto de equipamentos e softwares necessários para a administração, controlo e monitorização desse tipos de infra-estruturas. Para a gestão de uma rede de dados, é essencial dispor de conhecimentos e documentação de nível técnico para representar da forma mais fiel possível a configuração da rede, seguindo passo a passo a interligação entre os equipamentos existentes e oferecendo assim uma visão o mais fidedigna possível das instalações. O protocolo SNMP é utilizado em larga escala sendo praticamente um standard para a administração de redes baseadas na tecnologia TCP/IP. Este protocolo define a comunicação entre um administrador e um agente, estabelecendo o formato e o significado das mensagens trocadas entre ambos. Tem a capacidade de suportar produtos de diferentes fabricantes, permitindo ao administrador manter uma base de dados com informações relevantes da monitorização de vários equipamentos, que pode ser consultada e analisada por softwares NMS concebidos especialmente para a gestão de redes de computadores. O trabalho apresentado nesta dissertação teve como objectivo desenvolver uma ferramenta para apoiar à gestão da infra-estrutura de comunicações do Aeroporto Francisco Sá Carneiro que permitisse conhecer em tempo real o estado dos elementos de rede, ajudar no diagnóstico de possíveis problemas e ainda apoiar a tarefa de planeamento e expansão da rede instalada. A ferramenta desenvolvida utiliza as potencialidades do protocolo SNMP para adquirir dados de monitorização de equipamentos de rede presentes na rede do AFSC, disponibilizando-os numa interface gráfica para facilitar a visualização dos parâmetros e alertas de funcionamento mais importantes na administração da rede.

Application-specific modified particle swarm optimization for energy resource scheduling considering vehicle-to-grid

This paper presents a modified Particle Swarm Optimization (PSO) methodology to solve the problem of energy resources management with high penetration of distributed generation and Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G). The objective of the day-ahead scheduling problem in this work is to minimize operation costs, namely energy costs, regarding he management of these resources in the smart grid context. The modifications applied to the PSO aimed to improve its adequacy to solve the mentioned problem. The proposed Application Specific Modified Particle Swarm Optimization (ASMPSO) includes an intelligent mechanism to adjust velocity limits during the search process, as well as self-parameterization of PSO parameters making it more user-independent. It presents better robustness and convergence characteristics compared with the tested PSO variants as well as better constraint handling. This enables its use for addressing real world large-scale problems in much shorter times than the deterministic methods, providing system operators with adequate decision support and achieving efficient resource scheduling, even when a significant number of alternative scenarios should be considered. The paper includes two realistic case studies with different penetration of gridable vehicles (1000 and 2000). The proposed methodology is about 2600 times faster than Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) reference technique, reducing the time required from 25 h to 36 s for the scenario with 2000 vehicles, with about one percent of difference in the objective function cost value.

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.

Mechanisms for reflection-based monitoring of real- time systems

Monitoring is a very important aspect to consider when developing real-time systems. However, it is also important to consider the impact of the monitoring mechanisms in the actual application. The use of Reflection can provide a clear separation between the real-time application and the implemented monitoring mechanisms, which can be introduced (reflected) into the underlying system without changing the actual application part of the code. Nevertheless, controlling the monitoring system itself is still a topic of research. The monitoring mechanisms must contain knowledge about “how to get the information out”. Therefore, this paper presents the ongoing work to define a suitable strategy for monitoring real-time systems through the use of Reflection.

A survey of techniques and technologies for web-based real-time interactive rendering

When exploring a virtual environment, realism depends mainly on two factors: realistic images and real-time feedback (motions, behaviour etc.). In this context, photo realism and physical validity of computer generated images required by emerging applications, such as advanced e-commerce, still impose major challenges in the area of rendering research whereas the complexity of lighting phenomena further requires powerful and predictable computing if time constraints must be attained. In this technical report we address the state-of-the-art on rendering, trying to put the focus on approaches, techniques and technologies that might enable real-time interactive web-based clientserver rendering systems. The focus is on the end-systems and not the networking technologies used to interconnect client(s) and server(s).

A framework for realistic real-time walkthroughs in a VR distributed environment

Virtual and augmented reality (VR/AR) are increasingly being used in various business scenarios and are important driving forces in technology development. However the usage of these technologies in the home environment is restricted due to several factors including lack of low-cost (from the client point of view) highperformance solutions. In this paper we present a general client/server rendering architecture based on Real-Time concepts, including support for a wide range of client platforms and applications. The idea of focusing on the real-time behaviour of all components involved in distributed IP-based VR scenarios is new and has not been addressed before, except for simple sub-solutions. This is considered as “the most significant problem with the IP environment” [1]. Thus, the most important contribution of this research will be the holistic approach, in which networking, end-systems and rendering aspects are integrated into a cost-effective infrastructure for building distributed real-time VR applications on IP-based networks.

The DEAR-COTS hard real-time subsystem

In this report, the Hard Real-Time Subsystem of DEAR-COTS is described, and the services it must provide are identified. This report is an input of ISEP/IPP and FEUP for the specification of the DEAR-COTS architecture (deliverable to the FCT).

CIDER - envisaging a COTS communication infrastructure for evolutionary dependable real-time systems

It is foreseen that future dependable real-time systems will also have to meet flexibility, adaptability and reconfigurability requirements. Considering the distributed nature of these computing systems, a communication infrastructure that permits to fulfil all those requirements is thus of major importance. Although Ethernet has been used primarily as an information network, there is a strong belief that some very recent technological advances will enable its use in dependable applications with real-time requirements. Indeed, several recently standardised mechanisms associated with Switched-Ethernet seem to be promising to enable communication infrastructures to support hard real-time, reliability and flexible distributed applications. This paper describes the motivation and the work being developed within the CIDER (Communication Infrastructure for Dependable Evolvable Real-Time Systems) project, which envisages the use of COTS Ethernet as an enabling technology for future dependable real-time systems. It is foreseen that the CIDER approach will constitute a relevant stream of research since it will bring together cutting edge research in the field of real-time and dependable distributed systems and the industrial eagerness to expand Ethernet responsabilities to support dependable real-time applications.

Ethernet goes real-time: a survey on research and technological developments

Ethernet is the most popular LAN technology. Its low price and robustness, resulting from its wide acceptance and deployment, has created an eagerness to expand its responsibilities to the factory-floor, where real-time requirements are to be fulfilled. However, it is difficult to build a real-time control network using Ethernet, because its MAC protocol, the 1-persistent CSMA/CD protocol with the BEB collision resolution algorithm, has unpredictable delay characteristics. Many anticipate that the recent technological advances in Ethernet such as the emerging Fast/Gigabit Ethernet, micro-segmentation and full-duplex operation using switches will also enable it to support time-critical applications. This technical report provides a comprehensive look at the unpredictability inherent to Ethernet and at recent technological advances towards real-time operation.