Scalable and efficient data processing in networked control systems

Network control systems (NCSs) are spatially distributed systems in which the communication between sensors, actuators and controllers occurs through a shared band-limited digital communication network. However, the use of a shared communication network, in contrast to using several dedicated independent connections, introduces new challenges which are even more acute in large scale and dense networked control systems. In this paper we investigate a recently introduced technique of gathering information from a dense sensor network to be used in networked control applications. Obtaining efficiently an approximate interpolation of the sensed data is exploited as offering a good tradeoff between accuracy in the measurement of the input signals and the delay to the actuation. These are important aspects to take into account for the quality of control. We introduce a variation to the state-of-the-art algorithms which we prove to perform relatively better because it takes into account the changes over time of the input signal within the process of obtaining an approximate interpolation.

Elements of scalable data processing

Cooperating objects (COs) is a recently coined term used to signify the convergence of classical embedded computer systems, wireless sensor networks and robotics and control. We present essential elements of a reference architecture for scalable data processing for the CO paradigm.

A microscope for the data center

Nowadays, data centers are large energy consumers and the trend for next years is expected to increase further, considering the growth in the order of cloud services. A large portion of this power consumption is due to the control of physical parameters of the data center (such as temperature and humidity). However, these physical parameters are tightly coupled with computations, and even more so in upcoming data centers, where the location of workloads can vary substantially due, for example, to workloads being moved in the cloud infrastructure hosted in the data center. Therefore, managing the physical and compute infrastructure of a large data center is an embodiment of a Cyber-Physical System (CPS). In this paper, we describe a data collection and distribution architecture that enables gathering physical parameters of a large data center at a very high temporal and spatial resolution of the sensor measurements. We think this is an important characteristic to enable more accurate heat-flow models of the data center and with them, find opportunities to optimize energy consumptions. Having a high-resolution picture of the data center conditions, also enables minimizing local hot-spots, perform more accurate predictive maintenance (failures in all infrastructure equipments can be more promptly detected) and more accurate billing. We detail this architecture and define the structure of the underlying messaging system that is used to collect and distribute the data. Finally, we show the results of a preliminary study of a typical data center radio environment.

Histogram-based DNA analysis for the visualization of chromosome, genome and species information

We describe a novel approach to explore DNA nucleotide sequence data, aiming to produce high-level categorical and structural information about the underlying chromosomes, genomes and species. The article starts by analyzing chromosomal data through histograms using fixed length DNA sequences. After creating the DNA-related histograms, a correlation between pairs of histograms is computed, producing a global correlation matrix. These data are then used as input to several data processing methods for information extraction and tabular/graphical output generation. A set of 18 species is processed and the extensive results reveal that the proposed method is able to generate significant and diversified outputs, in good accordance with current scientific knowledge in domains such as genomics and phylogenetics.

Sistema multi-agente para gestão de tráfego em centros urbanos

Mestrado em Engenharia Informática

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Using a prioritized medium access control protocol for incrementally obtaining an interpolation of sensor readings

This paper addresses sensor network applications which need to obtain an accurate image of physical phenomena and do so with a high sampling rate in both time and space. We present a fast and scalable approach for obtaining an approximate representation of all sensor readings at high sampling rate for quickly reacting to critical events in a physical environment. This approach is an improvement on previous work in that after the new approach has undergone a startup phase then the new approach can use a very small sampling period.

Detection of quasi-periodic processes in complex systems: how do we quantitatively describe their properties?

It has been shown that in reality at least two general scenarios of data structuring are possible: (a) a self-similar (SS) scenario when the measured data form an SS structure and (b) a quasi-periodic (QP) scenario when the repeated (strongly correlated) data form random sequences that are almost periodic with respect to each other. In the second case it becomes possible to describe their behavior and express a part of their randomness quantitatively in terms of the deterministic amplitude–frequency response belonging to the generalized Prony spectrum. This possibility allows us to re-examine the conventional concept of measurements and opens a new way for the description of a wide set of different data. In particular, it concerns different complex systems when the ‘best-fit’ model pretending to be the description of the data measured is absent but the barest necessity of description of these data in terms of the reduced number of quantitative parameters exists. The possibilities of the proposed approach and detection algorithm of the QP processes were demonstrated on actual data: spectroscopic data recorded for pure water and acoustic data for a test hole. The suggested methodology allows revising the accepted classification of different incommensurable and self-affine spatial structures and finding accurate interpretation of the generalized Prony spectroscopy that includes the Fourier spectroscopy as a partial case.

Efficient computation of min and max sensor values in multihop networks

Consider a wireless sensor network (WSN) where a broadcast from a sensor node does not reach all sensor nodes in the network; such networks are often called multihop networks. Sensor nodes take individual sensor readings, however, in many cases, it is relevant to compute aggregated quantities of these readings. In fact, the minimum and maximum of all sensor readings at an instant are often interesting because they indicate abnormal behavior, for example if the maximum temperature is very high then it may be that a fire has broken out. In this context, we propose an algorithm for computing the min or max of sensor readings in a multihop network. This algorithm has the particularly interesting property of having a time complexity that does not depend on the number of sensor nodes; only the network diameter and the range of the value domain of sensor readings matter.

A scalable and efficient approach for obtaining measurements in CAN-Based control systems

The availability of small inexpensive sensor elements enables the employment of large wired or wireless sensor networks for feeding control systems. Unfortunately, the need to transmit a large number of sensor measurements over a network negatively affects the timing parameters of the control loop. This paper presents a solution to this problem by representing sensor measurements with an approximate representation-an interpolation of sensor measurements as a function of space coordinates. A priority-based medium access control (MAC) protocol is used to select the sensor messages with high information content. Thus, the information from a large number of sensor measurements is conveyed within a few messages. This approach greatly reduces the time for obtaining a snapshot of the environment state and therefore supports the real-time requirements of feedback control loops.

Aplicação de métodos estocásticos na gestão de custos de construção de condutas de saneamento

O trabalho apresentado centra-se na determinação dos custos de construção de condutas de pequenos e médios diâmetros em Polietileno de Alta Densidade (PEAD) para saneamento básico, tendo como base a metodologia descrita no livro Custos de Construção e Exploração – Volume 9 da série Gestão de Sistemas de Saneamento Básico, de Lencastre et al. (1994). Esta metodologia descrita no livro já referenciado, nos procedimentos de gestão de obra, e para tal foram estimados custos unitários de diversos conjuntos de trabalhos. Conforme Lencastre et al (1994), “esses conjuntos são referentes a movimentos de terras, tubagens, acessórios e respetivos órgãos de manobra, pavimentações e estaleiro, estando englobado na parte do estaleiro trabalhos acessórios correspondentes à obra.” Os custos foram obtidos analisando vários orçamentos de obras de saneamento, resultantes de concursos públicos de empreitadas recentemente realizados. Com vista a tornar a utilização desta metodologia numa ferramenta eficaz, foram organizadas folhas de cálculo que possibilitam obter estimativas realistas dos custos de execução de determinada obra em fases anteriores ao desenvolvimento do projeto, designadamente numa fase de preparação do plano diretor de um sistema ou numa fase de elaboração de estudos de viabilidade económico-financeiros, isto é, mesmo antes de existir qualquer pré-dimensionamento dos elementos do sistema. Outra técnica implementada para avaliar os dados de entrada foi a “Análise Robusta de Dados”, Pestana (1992). Esta metodologia permitiu analisar os dados mais detalhadamente antes de se formularem hipóteses para desenvolverem a análise de risco. A ideia principal é o exame bastante flexível dos dados, frequentemente antes mesmo de os comparar a um modelo probabilístico. Assim, e para um largo conjunto de dados, esta técnica possibilitou analisar a disparidade dos valores encontrados para os diversos trabalhos referenciados anteriormente. Com os dados recolhidos, e após o seu tratamento, passou-se à aplicação de uma metodologia de Análise de Risco, através da Simulação de Monte Carlo. Esta análise de risco é feita com recurso a uma ferramenta informática da Palisade, o @Risk, disponível no Departamento de Engenharia Civil. Esta técnica de análise quantitativa de risco permite traduzir a incerteza dos dados de entrada, representada através de distribuições probabilísticas que o software disponibiliza. Assim, para por em prática esta metodologia, recorreu-se às folhas de cálculo que foram realizadas seguindo a abordagem proposta em Lencastre et al (1994). A elaboração e a análise dessas estimativas poderão conduzir à tomada de decisões sobre a viabilidade da ou das obras a realizar, nomeadamente no que diz respeito aos aspetos económicos, permitindo uma análise de decisão fundamentada quanto à realização dos investimentos.

An Intelligent Distributed System for Environmental Management

Environmental management is a complex task. The amount and heterogeneity of the data needed for an environmental decision making tool is overwhelming without adequate database systems and innovative methodologies. As far as data management, data interaction and data processing is concerned we here propose the use of a Geographical Information System (GIS) whilst for the decision making we suggest a Multi-Agent System (MAS) architecture. With the adoption of a GIS we hope to provide a complementary coexistence between heterogeneous data sets, a correct data structure, a good storage capacity and a friendly user’s interface. By choosing a distributed architecture such as a Multi-Agent System, where each agent is a semi-autonomous Expert System with the necessary skills to cooperate with the others in order to solve a given task, we hope to ensure a dynamic problem decomposition and to achieve a better performance compared with standard monolithical architectures. Finally, and in view of the partial, imprecise, and ever changing character of information available for decision making, Belief Revision capabilities are added to the system. Our aim is to present and discuss an intelligent environmental management system capable of suggesting the more appropriate land-use actions based on the existing spatial and non-spatial constraints.

Aplicação do multi-layer stream mapping para a gestão da eficiência de recursos e produtividade de um sistema de produção

Mestrado em Engenharia Mecânica – Especialização Gestão Industrial

Otimização da produção de biogás com recurso a redes neuronais artificiais

Numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), são elevados os custos não só de tratamento das águas residuais como também de manutenção dos equipamentos lá existentes, nesse sentido procura-se utilizar processos capazes de transformar os resíduos em produtos úteis. A Digestão Anaeróbia (DA) é um processo atualmente disponível capaz de contribuir para a redução da poluição ambiental e ao mesmo tempo de valorizar os subprodutos gerados. Durante o processo de DA é produzido um gás, o biogás, que pode ser utilizado como fonte de energia, reduzindo assim a dependência energética da ETAR e a emissão de gases com efeito de estufa para a atmosfera. A otimização do processo de DA das lamas é essencial para o aumento da produção de biogás, mas a complexidade do processo constitui um obstáculo à sua otimização. Neste trabalho, aplicaram-se Redes Neuronais Artificiais (RNA) ao processo de DA de lamas de ETAR. RNA são modelos simplificados inspirados no funcionamento das células neuronais humanas e que adquirem conhecimento através da experiência. Quando a RNA é criada e treinada, produz valores de output aproximadamente corretos para os inputs fornecidos. Foi esse o motivo para recorrer a RNA na otimização da produção de biogás no digestor I da ETAR Norte da SIMRIA, usando o programa NeuralToolsTM da PalisadeTM para desenvolvimento das RNA. Para tal, efetuou-se uma análise e tratamento de dados referentes aos últimos quatro anos de funcionamento do digestor. Os resultados obtidos permitiram concluir que as RNA modeladas apresentam boa capacidade de generalização do processo de DA. Considera-se que este caso de estudo é promissor, fornecendo uma boa base para o desenvolvimento de modelos eventualmente mais gerais de RNA que, aplicado conjuntamente com as características de funcionamento de um digestor e o processo de DA, permitirá otimizar a produção de biogás em ETAR.

Exploring why portuguese companies expatriate, and portuguese expatriates accept international assignments

This study explores (1) the reasons that lead Portuguese companies to use expatriates and (2) the motivations that led the repatriates to accepting an international assignment. Semistructured interviews were carried out on 44 individuals (14 responsible for organizational management of the expatriates and 30 repatriates), in seven international companies based in Portugal, and analysis of the thematic content was conducted for data processing. Results suggest that the reasons that lead Portuguese companies to expatriating employees are connected to business needs and the control of international operations, while individual motivations are linked to personal and professional ambition, the will to serve the company and organizational pressure. We concluded that Portuguese companies, like most European companies, seem to develop a strategy of International Human Resources Management (IHRM) according to an ethnocentric approach, characteristic to companies in early stages of internationalization. Similarly, the main motivations of Portuguese repatriates are identical to those of other expatriates, though the will to serve the company seems to be more valued by Portuguese repatriates than by expatriates from other countries.