Autonomic computing for scheduling in manufacturing systems

We describe a novel approach to scheduling resolution by combining Autonomic Computing (AC), Multi-Agent Systems (MAS) and Nature Inspired Optimization Techniques (NIT). Autonomic Computing has emerged as paradigm aiming at embedding applications with a management structure similar to a central nervous system. A natural Autonomic Computing evolution in relation to Current Computing is to provide systems with Self-Managing ability with a minimum human interference. In this paper we envisage the use of Multi-Agent Systems paradigm for supporting dynamic and distributed scheduling in Manufacturing Systems with Autonomic properties, in order to reduce the complexity of managing systems and human interference. Additionally, we consider the resolution of realistic problems. The scheduling of a Cutting and Treatment Stainless Steel Sheet Line will be evaluated. Results show that proposed approach has advantages when compared with other scheduling systems.

Cooperative intelligent system for manufacturing scheduling

Hybridization of intelligent systems is a promising research field of computational intelligence focusing on combinations of multiple approaches to develop the next generation of intelligent systems. In this paper we will model a Manufacturing System by means of Multi-Agent Systems and Meta-Heuristics technologies, where each agent may represent a processing entity (machine). The objective of the system is to deal with the complex problem of Dynamic Scheduling in Manufacturing Systems.

Self-managing agents for dynamic scheduling in manufacturing

The main purpose of this paper is to propose a Multi-Agent Autonomic and Bio-Inspired based framework with selfmanaging capabilities to solve complex scheduling problems using cooperative negotiation. Scheduling resolution requires the intervention of highly skilled human problem-solvers. This is a very hard and challenging domain because current systems are becoming more and more complex, distributed, interconnected and subject to rapidly changing. A natural Autonomic Computing (AC) evolution in relation to Current Computing is to provide systems with Self-Managing ability with a minimum human interference.

Scheduling in holonic manufacturing systems

This chapter presents some of the issues with holonic manufacturing systems. It starts by presenting the current manufacturing scenario and trends and then provides some background information on the holonic concept and its application to manufacturing. The current limitations and future trends of manufacturing suggest more autonomous and distributed organisations for manufacturing systems; holonic manufacturing systems are proposed as a way to achieve such autonomy and decentralisation. After a brief literature survey a specific research work is presented to handle scheduling in holonic manufacturing systems. This work is based on task and resource holons that cooperate with each other based on a variant of the contract net protocol that allow the propagation of constraints between operations in the execution plan. The chapter ends by presenting some challenges and future opportunities of research.

Cooperation mechanism for team-work based multi-agent system in dynamic scheduling through meta-heuristics

This paper describes a Multi-agent Scheduling System that assumes the existence of several Machines Agents (which are decision-making entities) distributed inside the Manufacturing System that interact and cooperate with other agents in order to obtain optimal or near-optimal global performances. Agents have to manage their internal behaviors and their relationships with other agents via cooperative negotiation in accordance with business policies defined by the user manager. Some Multi Agent Systems (MAS) organizational aspects are considered. An original Cooperation Mechanism for a Team-work based Architecture is proposed to address dynamic scheduling using Meta-Heuristics.

Sistema de aquisição de dados em tempo real

Neste trabalho propus-me realizar um Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real via Porta Paralela. Para atingir com sucesso este objectivo, foi realizado um levantamento bibliográfico sobre sistemas operativos de tempo real, salientando e exemplificando quais foram marcos mais importantes ao longo da sua evolução. Este levantamento permitiu perceber o porquê da proliferação destes sistemas face aos custos que envolvem, em função da sua aplicação, bem como as dificuldades, científicas e tecnológicas, que os investigadores foram tendo, e que foram ultrapassando com sucesso. Para que Linux se comporte como um sistema de tempo real, é necessário configura-lo e adicionar um patch, como por exemplo o RTAI ou ADEOS. Como existem vários tipos de soluções que permitem aplicar as características inerentes aos sistemas de tempo real ao Linux, foi realizado um estudo, acompanhado de exemplos, sobre o tipo de arquitecturas de kernel mais utilizadas para o fazer. Nos sistemas operativos de tempo real existem determinados serviços, funcionalidades e restrições que os distinguem dos sistemas operativos de uso comum. Tendo em conta o objectivo do trabalho, e apoiado em exemplos, fizemos um pequeno estudo onde descrevemos, entre outros, o funcionamento escalonador, e os conceitos de latência e tempo de resposta. Mostramos que há apenas dois tipos de sistemas de tempo real o ‘hard’ que tem restrições temporais rígidas e o ‘soft’ que engloba as restrições temporais firmes e suaves. As tarefas foram classificadas em função dos tipos de eventos que as despoletam, e evidenciando as suas principais características. O sistema de tempo real eleito para criar o sistema de aquisição de dados via porta paralela foi o RTAI/Linux. Para melhor percebermos o seu comportamento, estudamos os serviços e funções do RTAI. Foi dada especial atenção, aos serviços de comunicação entre tarefas e processos (memória partilhada e FIFOs), aos serviços de escalonamento (tipos de escalonadores e tarefas) e atendimento de interrupções (serviço de rotina de interrupção - ISR). O estudo destes serviços levou às opções tomadas quanto ao método de comunicação entre tarefas e serviços, bem como ao tipo de tarefa a utilizar (esporádica ou periódica). Como neste trabalho, o meio físico de comunicação entre o meio ambiente externo e o hardware utilizado é a porta paralela, também tivemos necessidade de perceber como funciona este interface. Nomeadamente os registos de configuração da porta paralela. Assim, foi possível configura-lo ao nível de hardware (BIOS) e software (módulo do kernel) atendendo aos objectivos do presente trabalho, e optimizando a utilização da porta paralela, nomeadamente, aumentando o número de bits disponíveis para a leitura de dados. No desenvolvimento da tarefa de hard real-time, foram tidas em atenção as várias considerações atrás referenciadas. Foi desenvolvida uma tarefa do tipo esporádica, pois era pretendido, ler dados pela porta paralela apenas quando houvesse necessidade (interrupção), ou seja, quando houvesse dados disponíveis para ler. Desenvolvemos também uma aplicação para permitir visualizar os dados recolhidos via porta paralela. A comunicação entre a tarefa e a aplicação é assegurada através de memória partilhada, pois garantindo a consistência de dados, a comunicação entre processos do Linux e as tarefas de tempo real (RTAI) que correm ao nível do kernel torna-se muito simples. Para puder avaliar o desempenho do sistema desenvolvido, foi criada uma tarefa de soft real-time cujos tempos de resposta foram comparados com os da tarefa de hard real-time. As respostas temporais obtidas através do analisador lógico em conjunto com gráficos elaborados a partir destes dados, mostram e comprovam, os benefícios do sistema de aquisição de dados em tempo real via porta paralela, usando uma tarefa de hard real-time.

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.

Stochastic short-term maintenance scheduling of GENCOs in an oligopolistic electricity market

In the proposed model, the independent system operator (ISO) provides the opportunity for maintenance outage rescheduling of generating units before each short-term (ST) time interval. Long-term (LT) scheduling for 1 or 2 years in advance is essential for the ISO and the generation companies (GENCOs) to decide their LT strategies; however, it is not possible to be exactly followed and requires slight adjustments. The Cournot-Nash equilibrium is used to characterize the decision-making procedure of an individual GENCO for ST intervals considering the effective coordination with LT plans. Random inputs, such as parameters of the demand function of loads, hourly demand during the following ST time interval and the expected generation pattern of the rivals, are included as scenarios in the stochastic mixed integer program defined to model the payoff-maximizing objective of a GENCO. Scenario reduction algorithms are used to deal with the computational burden. Two reliability test systems were chosen to illustrate the effectiveness of the proposed model for the ST decision-making process for future planned outages from the point of view of a GENCO.

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.

Static-priority scheduling of sporadic messages on a wireless channel

Consider the problem of scheduling sporadic messages with deadlines on a wireless channel. We propose a collision-free medium access control (MAC) protocol which implements static-priority scheduling and present a schedulability analysis technique for the protocol. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to receive an incoming bit from the channel while transmitting to the channel.

Scheduling IP traffic in multimedia-enabled PROFIBUS networks

Technological developments are pulling fieldbus networks to support a new wide class of applications, such as industrial multimedia applications. To enable its use in this kind of applications the TCP/IP suite of protocols can be integrated within a fieldbus stack, leading to a dual-stack approach that is briefly outlined in the paper. One important requirement that must be fulfilled by this approach is that the hard real-time guarantees provided to the control-related traffic ("native" fieldbus traffic) are kept. At the same time it must also provide the desired quality of service (QoS) to IP applications. The focus of the paper is on how, in such a dual-stack approach, QoS can be efficiently provided to IP applications requiring quasi-constant bandwidth.

Non pre-emptive scheduling of messages on SMTV token-passing networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within distributed computer-controlled systems. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time applications are to be implemented. A specific class of fieldbus communication networks is based on a simplified version of token-passing protocols, where each station may transfer, at most, a single message per token visit (SMTV). In this paper, we establish an analogy between non-preemptive task scheduling in single processors and the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Moreover, we clearly show that concepts such as blocking and interference in non-preemptive task scheduling have their counterparts in the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Based on this task/message scheduling analogy, we provide pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time messages with SMTV token-passing networks. We provide both utilisation-based and response time tests to perform the pre-run-time schedulability analysis of real-time messages on SMTV token-passing networks, considering RM/DM (rate monotonic/deadline monotonic) and EDF (earliest deadline first) priority assignment schemes

Scheduling real-time communications with P-NET

In this paper we address the P-NET Medium Access Control (MAC) ability to schedule traffic according to its real-time requirements, in order to support real-time distributed applications. We provide a schedulability analysis based on the P-NET standard, and propose mechanisms to overcome priority inversion problems resulting from the use of FIFO outgoing buffers

Parallel real-time support for distributed adaptive embedded applications

Real-time embedded applications require to process large amounts of data within small time windows. Parallelize and distribute workloads adaptively is suitable solution for computational demanding applications. The purpose of the Parallel Real-Time Framework for distributed adaptive embedded systems is to guarantee local and distributed processing of real-time applications. This work identifies some promising research directions for parallel/distributed real-time embedded applications.

Preemption delay analysis for floating non-preemptive region scheduling

In real-time systems, there are two distinct trends for scheduling task sets on unicore systems: non-preemptive and preemptive scheduling. Non-preemptive scheduling is obviously not subject to any preemption delay but its schedulability may be quite poor, whereas fully preemptive scheduling is subject to preemption delay, but benefits from a higher flexibility in the scheduling decisions. The time-delay involved by task preemptions is a major source of pessimism in the analysis of the task Worst-Case Execution Time (WCET) in real-time systems. Preemptive scheduling policies including non-preemptive regions are a hybrid solution between non-preemptive and fully preemptive scheduling paradigms, which enables to conjugate both world's benefits. In this paper, we exploit the connection between the progression of a task in its operations, and the knowledge of the preemption delays as a function of its progression. The pessimism in the preemption delay estimation is then reduced in comparison to state of the art methods, due to the increase in information available in the analysis.