Time-delay and fractional derivatives

This paper proposes the calculation of fractional algorithms based on time-delay systems. The study starts by analyzing the memory properties of fractional operators and their relation with time delay. Based on the Fourier analysis an approximation of fractional derivatives through timedelayed samples is developed. Furthermore, the parameters of the proposed approximation are estimated by means of genetic algorithms. The results demonstrate the feasibility of the new perspective.

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.

Analyzing TDMA with slot skipping

Distributed real-time systems, such as factory automation systems, require that computer nodes communicate with a known and low bound on the communication delay. This can be achieved with traditional time division multiple access (TDMA). But improved flexibility and simpler upgrades are possible through the use of TDMA with slot-skipping (TDMA/SS), meaning that a slot is skipped whenever it is not used and consequently the slot after the skipped slot starts earlier. We propose a schedulability analysis for TDMA/SS. We assume knowledge of all message streams in the system, and that each node schedules messages in its output queue according to deadline monotonic. Firstly, we present a non-exact (but fast) analysis and then, at the cost of computation time, we also present an algorithm that computes exact queuing times.

Delay approximation of fractional integrals

This paper explores the calculation of fractional integrals by means of the time delay operator. The study starts by reviewing the memory properties of fractional operators and their relationship with time delay. Based on the time response of the Mittag-Leffler function an approximation of fractional integrals consisting of time delayed samples is proposed. The tuning of the approximation is optimized by means of a genetic algorithm. The results demonstrate the feasibility of the new perspective and the limits of their application.

Modelo de otimização do espaço livre de armazenagem num silo de cereais

Este trabalho baseia-se num caso de estudo real de planeamento de operações de armazenagem num silo rural de cereais, e enquadra-se nos problemas de planeamento e programação de armazéns. Os programadores deparam-se diariamente com o problema de arranjar a melhor solução de transferência entre células de armazenagem, tentando maximizar o número de células vazias, por forma a ter maior capacidade para receber novos lotes, respeitando as restrições de receção e expedição, e as restrições de capacidade das linhas de transporte. Foi desenvolvido um modelo matemático de programação linear inteira mista e uma aplicação em Excel, com recurso ao VBA, para a sua implementação. Esta implementação abrangeu todo o processo relativo à atividade em causa, isto é, vai desde a recolha de dados, seu tratamento e análise, até à solução final de distribuição dos vários produtos pelas várias células. Os resultados obtidos mostram que o modelo otimiza o número de células vazias, tendo em conta os produtos que estão armazenados mais os que estão para ser rececionados e expedidos, em tempo computacional inferior a 60 segundos, constituindo, assim, uma importante mais valia para a empresa em causa.

Sintonia de controladores baseada em Sistemas de Inferência Difusa

Este trabalho de pesquisa e desenvolvimento tem como fundamento principal o Conceito de Controlo por Lógica Difusa. Utilizando as ferramentas do software Matlab, foi possível desenvolver um controlador com base na inferência difusa que permitisse controlar qualquer tipo de sistema físico real, independentemente das suas características. O Controlo Lógico Difuso, do inglês “Fuzzy Control”, é um tipo de controlo muito particular, pois permite o uso simultâneo de dados numéricos com variáveis linguísticas que tem por base o conhecimento heurístico dos sistemas a controlar. Desta forma, consegue-se quantificar, por exemplo, se um copo está “meio cheio” ou “meio vazio”, se uma pessoa é “alta” ou “baixa”, se está “frio” ou “muito frio”. O controlo PID é, sem dúvida alguma, o controlador mais amplamente utilizado no controlo de sistemas. Devido à sua simplicidade de construção, aos reduzidos custos de aplicação e manutenção e aos resultados que se obtêm, este controlador torna-se a primeira opção quando se pretende implementar uma malha de controlo num determinado sistema. Caracterizado por três parâmetros de ajuste, a saber componente proporcional, integral e derivativa, as três em conjunto permitem uma sintonia eficaz de qualquer tipo de sistema. De forma a automatizar o processo de sintonia de controladores e, aproveitando o que melhor oferece o Controlo Difuso e o Controlo PID, agrupou-se os dois controladores, onde em conjunto, como poderemos constatar mais adiante, foram obtidos resultados que vão de encontro com os objectivos traçados. Com o auxílio do simulink do Matlab, foi desenvolvido o diagrama de blocos do sistema de controlo, onde o controlador difuso tem a tarefa de supervisionar a resposta do controlador PID, corrigindo-a ao longo do tempo de simulação. O controlador desenvolvido é denominado por Controlador FuzzyPID. Durante o desenvolvimento prático do trabalho, foi simulada a resposta de diversos sistemas à entrada em degrau unitário. Os sistemas estudados são na sua maioria sistemas físicos reais, que representam sistemas mecânicos, térmicos, pneumáticos, eléctricos, etc., e que podem ser facilmente descritos por funções de transferência de primeira, segunda e de ordem superior, com e sem atraso.

Desenvolvimento de módulos para planeamento e controlo de execução de missões de veículos aéreos não tripulados

Com a evolução da tecnologia, os UAVs (unmanned aerial vehicles) são cada vez mais utilizados, não só em missões de risco para o ser Humano, mas também noutro tipo de missões, como é o caso de missões de inspeção, vigilância, busca e salvamento. Isto devese ao baixo custo das plataformas assim como à sua enorme fiabilidade e facilidade de operação. Esta dissertação surge da necessidade de aumentar a autonomia dos UAVs do projeto PITVANT (Projeto de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não Tripulados), projeto de investigação colaborativa entre a AFA (Academia da Força Aérea) e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto), relativamente ao planeamento de trajetórias entre dois pontos no espaço, evitando os obstáculos que intersetem o caminho. Para executar o planeamento da trajetória mais curta entre dois pontos, foi implementado o algoritmo de pesquisa A*, por ser um algoritmo de pesquisa de soluções ótimas. A área de pesquisa é decomposta em células regulares e o centro das células são os nós de pesquisa do A*. O tamanho de cada célula é dependente da dinâmica de cada aeronave. Para que as aeronaves não colidam com os obstáculos, foi desenvolvido um método numérico baseado em relações trigonométricas para criar uma margem de segurança em torno de cada obstáculo. Estas margens de segurança são configuráveis, sendo o seu valor por defeito igual ao raio mínimo de curvatura da aeronave à velocidade de cruzeiro. De forma a avaliar a sua escalabilidade, o algoritmo foi avaliado com diferentes números de obstáculos. As métricas utilizadas para avaliação do algoritmo foram o tempo de computação do mesmo e o comprimento do trajeto obtido. Foi ainda comparado o desempenho do algoritmo desenvolvido com um algoritmo já implementado, do tipo fast marching.

Dynamic analysis of earthquake phenomena by means of pseudo phase plane

This paper analyses earthquake data in the perspective of dynamical systems and its Pseudo Phase Plane representation. The seismic data is collected from the Bulletin of the International Seismological Centre. The geological events are characterised by their magnitude and geographical location and described by means of time series of sequences of Dirac impulses. Fifty groups of data series are considered, according to the Flinn-Engdahl seismic regions of Earth. For each region, Pearson’s correlation coefficient is used to find the optimal time delay for reconstructing the Pseudo Phase Plane. The Pseudo Phase Plane plots are then analysed and characterised.

Uma metaheurística para a programação de projectos com multi-modos e recursos limitados

Este artigo apresenta uma nova abordagem (MM-GAV-FBI), aplicável ao problema da programação de projectos com restrições de recursos e vários modos de execução por actividade, problema conhecido na literatura anglo-saxónica por MRCPSP. Cada projecto tem um conjunto de actividades com precedências tecnológicas definidas e um conjunto de recursos limitados, sendo que cada actividade pode ter mais do que um modo de realização. A programação dos projectos é realizada com recurso a um esquema de geração de planos (do inglês Schedule Generation Scheme - SGS) integrado com uma metaheurística. A metaheurística é baseada no paradigma dos algoritmos genéticos. As prioridades das actividades são obtidas a partir de um algoritmo genético. A representação cromossómica utilizada baseia-se em chaves aleatórias. O SGS gera planos não-atrasados. Após a obtenção de uma solução é aplicada uma melhoria local. O objectivo da abordagem é encontrar o melhor plano (planning), ou seja, o plano que tenha a menor duração temporal possível, satisfazendo as precedências das actividades e as restrições de recursos. A abordagem proposta é testada num conjunto de problemas retirados da literatura da especialidade e os resultados computacionais são comparados com outras abordagens. Os resultados computacionais validam o bom desempenho da abordagem, não apenas em termos de qualidade da solução, mas também em termos de tempo útil.

Classificação e previsão de cardiotocogramas usando algoritmos baseados em redes neuronais

Mestrado em Computação e Instrumentação Médica

Design a computer programming learning environment for Massive Open Online Courses

Teaching and learning computer programming is as challenging as difficult. Assessing the work of students and providing individualised feedback to all is time-consuming and error prone for teachers and frequently involves a time delay. The existent tools and specifications prove to be insufficient in complex evaluation domains where there is a greater need to practice. At the same time Massive Open Online Courses (MOOC) are appearing revealing a new way of learning, more dynamic and more accessible. However this new paradigm raises serious questions regarding the monitoring of student progress and its timely feedback. This paper provides a conceptual design model for a computer programming learning environment. This environment uses the portal interface design model gathering information from a network of services such as repositories and program evaluators. The design model includes also the integration with learning management systems, a central piece in the MOOC realm, endowing the model with characteristics such as scalability, collaboration and interoperability. This model is not limited to the domain of computer programming and can be adapted to any complex area that requires systematic evaluation with immediate feedback.

SHõWA: A Self-healing Framework for Web-based Applications

The complexity of systems is considered an obstacle to the progress of the IT industry. Autonomic computing is presented as the alternative to cope with the growing complexity. It is a holistic approach, in which the systems are able to configure, heal, optimize, and protect by themselves. Web-based applications are an example of systems where the complexity is high. The number of components, their interoperability, and workload variations are factors that may lead to performance failures or unavailability scenarios. The occurrence of these scenarios affects the revenue and reputation of businesses that rely on these types of applications. In this article, we present a self-healing framework for Web-based applications (SHõWA). SHõWA is composed by several modules, which monitor the application, analyze the data to detect and pinpoint anomalies, and execute recovery actions autonomously. The monitoring is done by a small aspect-oriented programming agent. This agent does not require changes to the application source code and includes adaptive and selective algorithms to regulate the level of monitoring. The anomalies are detected and pinpointed by means of statistical correlation. The data analysis detects changes in the server response time and analyzes if those changes are correlated with the workload or are due to a performance anomaly. In the presence of per- formance anomalies, the data analysis pinpoints the anomaly. Upon the pinpointing of anomalies, SHõWA executes a recovery procedure. We also present a study about the detection and localization of anomalies, the accuracy of the data analysis, and the performance impact induced by SHõWA. Two benchmarking applications, exercised through dynamic workloads, and different types of anomaly were considered in the study. The results reveal that (1) the capacity of SHõWA to detect and pinpoint anomalies while the number of end users affected is low; (2) SHõWA was able to detect anomalies without raising any false alarm; and (3) SHõWA does not induce a significant performance overhead (throughput was affected in less than 1%, and the response time delay was no more than 2 milliseconds).

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

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.