Static-priority scheduling over wireless networks with multiple broadcast domains

We propose a wireless medium access control (MAC) protocol that provides static-priority scheduling of messages in a guaranteed collision-free manner. Our protocol supports multiple broadcast domains, resolves the wireless hidden terminal problem and allows for parallel transmissions across a mesh network. Arbitration of messages is achieved without the notion of a master coordinating node, global clock synchronization or out-of-band signaling. The protocol relies on bit-dominance similar to what is used in the CAN bus except that in order to operate on a wireless physical layer, nodes are not required to receive incoming bits while transmitting. The use of bit-dominance efficiently allows for a much larger number of priorities than would be possible using existing wireless solutions. A MAC protocol with these properties enables schedulability analysis of sporadic message streams in wireless multihop networks.

Project scheduling under multiple resources constraints using a genetic algorithm

The resource constrained project scheduling problem (RCPSP) is a difficult problem in combinatorial optimization for which extensive investigation has been devoted to the development of efficient algorithms. During the last couple of years many heuristic procedures have been developed for this problem, but still these procedures often fail in finding near-optimal solutions. This paper proposes a genetic algorithm for the resource constrained project scheduling problem. The chromosome representation of the problem is based on random keys. The schedule is constructed using a heuristic priority rule in which the priorities and delay times of the activities are defined by the genetic algorithm. The approach was tested on a set of standard problems taken from the literature and compared with other approaches. The computational results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

Multi-Objective and Financial Portfolio Optimization of Carrier-Sense Multiple Access Protocols with Cooperative Diversity

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Developing multiple - choice questions in mathematics

In this paper we wish to illustrate different perspectives used to create Multiple-Choice questions and we will show how we can improve these in the construction of math tests. As it is known, web technologies have a great influence on student’s behaviour. Based on an on-line project beginning at 2007 which has been contributing to help students on their individual work, we would like to share our experience and thoughts with colleagues who have a common concern when they have the task of constructing Multiple-Choice tests. We feel that Multiple-Choice tests play an important and a very useful supporting role in selfevaluation or self-examination of our students. Nonetheless, good Multiple–Choice Test Items are generally more complex and time-consuming to create than other types of tests. It requires a certain amount of skill. However, this skill maybe increases through study, practice and experience. This paper discusses a number of issues related to the use of Multiple-Choice questions, lists the advantages and disadvantages of this question format contrasting it with open questions. Some examples are given in this context.

Moodle and multiple-choice tests

Multiple-Choice items are used in many different kinds of tests in several areas of knowledge. They can be considered an interesting tool to the self-assessing or as an alternative or complementary instrument to the traditional methods for assessing knowledge. The objectivity and accuracy of the multiple-choice tests is an important reason to think about. They are especially useful when the number of students to evaluate is too large. Moodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment) is an Open Source course management system centered around learners' needs and designed to support collaborative approaches to teaching and learning. Moodle offers to the users a rich interface, context-specific help buttons, and a wide variety of tools such as discussion forums, wikis, chat, surveys, quizzes, glossaries, journals, grade books and more, that allow them to learn and collaborate in a truly interactive space. Come together the interactivity of the Moodle platform and the objectivity of this kind of tests one can easily build manifold random tests. The proposal of this paper is to relate our journey in the construction of these tests and share our experience in the use of the Moodle platform to create, take advantage and improve the multiple-choices tests in the Mathematic area.

Multiple-choice tests: a tool in assessing knowledge

The purpose of this paper is to analyse if Multiple-Choice Tests may be considered an interesting alternative for assessing knowledge, particularly in the Mathematics area, as opposed to the traditional methods, such as open questions exams. In this sense we illustrate some opinions of the researchers in this area. Often the perception of the people about the construction of this kind of exams is that they are easy to create. But it is not true! Construct well written tests it’s a hard work and needs writing ability from the teachers. Our proposal is analyse the construction difficulties of multiple - choice tests as well some advantages and limitations of this type of tests. We also show the frequent critics and worries, since the beginning of this objective format usage. Finally in this context some examples of Multiple-Choice Items in the Mathematics area are given, and we illustrate as how we can take advantage and improve this kind of tests.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres

Esta dissertação visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres, utilizando para tal os veículos LINCE do Laboratório de Sistemas Autónomos. Tendo como principal propósito conferir autonomia aos veículos, foram estudados possíveis cenários de actuação, para determinar as principais funcionalidades requeridas do sistema. Foram também estudadas metodologias de análise e caracterização de sistemas multirobóticos, baseadas no estado da arte existente, e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos veículos a desenvolver. A preparação dos veículos abordou o estudo das possíveis soluções sensoriais e de actuação, e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os periféricos dos mesmos. Foram adaptados novos sensores e actuadores, e desenvolvidos alguns desses sensores. Para a interligação e manutenção dos mesmos foram ainda desenvolvidos novos periféricos de interface e controlo, e periféricos de gestão de energia. Por fim, foi ainda adaptado um gestor de missões nos veículos, capaz de receber a especificação das mesmas.

Sistema de recomendação e personalização de televisão

Com a expansão da Televisão Digital e a convergência entre os meios de difusão convencionais e a televisão sobre IP, o número de canais disponíveis tem aumentado de forma gradual colocando o espectador numa situação de difícil escolha quanto ao programa a visionar. Sobrecarregados com uma grande quantidade de programas e informação associada, muitos espectadores desistem sistematicamente de ver um programa e tendem a efectuar zapping entre diversos canais ou a assistir sempre aos mesmos programas ou canais. Diante deste problema de sobrecarga de informação, os sistemas de recomendação apresentam-se como uma solução. Nesta tese pretende estudar-se algumas das soluções existentes dos sistemas de recomendação de televisão e desenvolver uma aplicação que permita a recomendação de um conjunto de programas que representem potencial interesse ao espectador. São abordados os principais conceitos da área dos algoritmos de recomendação e apresentados alguns dos sistemas de recomendação de programas de televisão desenvolvidos até à data. Para realizar as recomendações foram desenvolvidos dois algoritmos baseados respectivamente em técnicas de filtragem colaborativa e de filtragem de conteúdo. Estes algoritmos permitem através do cálculo da similaridade entre itens ou utilizadores realizar a predição da classificação que um utilizador atribuiria a um determinado item (programa de televisão, filme, etc.). Desta forma é possível avaliar o nível de potencial interesse que o utilizador terá em relação ao respectivo item. Os conjuntos de dados que descrevem as características dos programas (título, género, actores, etc.) são armazenados de acordo com a norma TV-Anytime. Esta norma de descrição de conteúdo multimédia apresenta a vantagem de ser especificamente vocacionada para conteúdo audiovisual e está disponível livremente. O conjunto de recomendações obtidas é apresentado ao utilizador através da interacção com uma aplicação Web que permite a integração de todos os componentes do sistema. Para validação do trabalho foi considerado um dataset de teste designado de htrec2011-movielens-2k e cujo conteúdo corresponde a um conjunto de filmes classificados por diversos utilizadores num ambiente real. Este conjunto de filmes possui, para além da classificações atribuídas pelos utilizadores, um conjunto de dados que descrevem o género, directores, realizadores e país de origem. Para validação final do trabalho foram realizados diversos testes dos quais o mais relevante correspondeu à avaliação da distância entre predições e valores reais e cujo objectivo é classificar a capacidade dos algoritmos desenvolvidos preverem com precisão as classificações que os utilizadores atribuiriam aos itens analisados.

Indexação e pesquisa de informação com base em ontologias interligadas

Tecnologias da Web Semântica como RDF, OWL e SPARQL sofreram nos últimos anos um forte crescimento e aceitação. Projectos como a DBPedia e Open Street Map começam a evidenciar o verdadeiro potencial da Linked Open Data. No entanto os motores de pesquisa semânticos ainda estão atrasados neste crescendo de tecnologias semânticas. As soluções disponíveis baseiam-se mais em recursos de processamento de linguagem natural. Ferramentas poderosas da Web Semântica como ontologias, motores de inferência e linguagens de pesquisa semântica não são ainda comuns. Adicionalmente a esta realidade, existem certas dificuldades na implementação de um Motor de Pesquisa Semântico. Conforme demonstrado nesta dissertação, é necessária uma arquitectura federada de forma a aproveitar todo o potencial da Linked Open Data. No entanto um sistema federado nesse ambiente apresenta problemas de performance que devem ser resolvidos através de cooperação entre fontes de dados. O standard actual de linguagem de pesquisa na Web Semântica, o SPARQL, não oferece um mecanismo para cooperação entre fontes de dados. Esta dissertação propõe uma arquitectura federada que contém mecanismos que permitem cooperação entre fontes de dados. Aborda o problema da performance propondo um índice gerido de forma centralizada assim como mapeamentos entre os modelos de dados de cada fonte de dados. A arquitectura proposta é modular, permitindo um crescimento de repositórios e funcionalidades simples e de forma descentralizada, à semelhança da Linked Open Data e da própria World Wide Web. Esta arquitectura trabalha com pesquisas por termos em linguagem natural e também com inquéritos formais em linguagem SPARQL. No entanto os repositórios considerados contêm apenas dados em formato RDF. Esta dissertação baseia-se em múltiplas ontologias partilhadas e interligadas.

Oxidative Leaching of metals from electronic waste with solutions based on quaternary ammonium salts

The treatment of electric and electronic waste (WEEE) is a problem which receives ever more attention. An inadequate treatment results in harmful products ending up in the environment. This project intends to investigate the possibilities of an alternative route for recycling of metals from printed circuit boards (PCBs) obtained from rejected computers. The process is based on aqueous solutions composed of an etchant, either 0.2 M CuCl2.2H2O or 0.2 M FeCl3.6H2O, and a quaternary ammonium salt (quat) such as choline chloride or chlormequat. These solutions are reminiscent of deep eutectic solvents (DES) based on quats. DES are quite similar to ionic liquids (ILs) and are used as well as alternative solvents with a great diversity of physical properties, making them attractive for replacement of hazardous, volatile solvents (e.g. VOCs). A remarkable difference between genuine DES and ILs with the solutions used in this project is the addition of rather large quantities of water. It is shown the presence of water has a lot of advantages on the leaching of metals, while the properties typical for DES still remain. The oxidizing capacities of Cu(II) stem from the existence of a stable Cu(I) component in quat based DES and thus the leaching stems from the activity of the Cu(II)/Cu(I) redox couple. The advantage of Fe(III) in combination with DES is the fact that the Fe(III)/Fe(II) redox couple becomes reversible, which is not true in pure water. This opens perspectives for regeneration of the etching solution. In this project the leaching of copper was studied as a function of gradual increasing water content from 0 - 100w% with the same concentration of copper chloride or iron(III) chloride at room temperature and 80ºC. The solutions were also tested on real PCBs. At room temperature a maximum leaching effect for copper was obtained with 30w% choline chloride with 0.2 M CuCl2.2H2O. The leaching effect is still stronger at 80°C, b ut of course these solutions are more energy consuming. For aluminium, tin, zinc and lead, the leaching was faster at 80ºC. Iron and nickel dissolved easily at room temperature. The solutions were not able to dissolve gold, silver, rhodium and platinum.

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.

Removal of Cd(II), Zn(II) and Pb(II) from aqueous solutions by brown marine macro algae: kinetic modelling

Specific marine macro algae species abundant at the Portuguese coast (Laminaria hyperborea, Bifurcaria bifurcata, Sargassum muticum and Fucus spiralis) were shown to be effective for removing toxic metals (Cd(II), Zn(II) and Pb(II)) from aqueous solutions. The initial metal concentrations in solution were about 75–100 mg L−1. The observed biosorption capacities for cadmium, zinc and lead ions were in the ranges of 23.9–39.5, 18.6–32.0 and 32.3–50.4 mg g−1, respectively. Kinetic studies revealed that the metal uptake rate was rather fast, with 75% of the total amount occurring in the first 10 min for all algal species. Experimental data were well fitted by a pseudo-second order rate equation. The contribution of internal diffusion mechanism was significant only to the initial biosorption stage. Results indicate that all the studied macro algae species can provide an efficient and cost-effective technology for eliminating heavy metals from industrial effluents.

A distributed system for learning programming on-line

Several Web-based on-line judges or on-line programming trainers have been developed in order to allow students to train their programming skills. However, their pedagogical functionalities in the learning of programming have not been clearly defined. EduJudge is a project which aims to integrate the “UVA On-line Judge”, an existing on-line programming trainer with an important number of problems and users, into an effective educational environment consisting of the e-learning platform Moodle and the competitive learning tool QUESTOURnament. The result is the EduJudge system which allows teachers to apply different pedagogical approaches using a proven e-learning platform, makes problems easy to search through an effective search engine, and provides an automated evaluation of the solutions submitted to these problems. The final objective is to provide new learning strategies to motivate students and present programming as an easy and attractive challenge. EduJudge has been tried and tested in three algorithms and programming courses in three different Engineering degrees. The students’ motivation and satisfaction levels were analysed alongside the effects of the EduJudge system on students’ academic outcomes. Results indicate that both students and teachers found that among other multiple benefits the EduJudge system facilitates the learning process. Furthermore, the experi- ment also showed an improvement in students’ academic outcomes. It must be noted that the students’ level of satisfaction did not depend on their computer skills or their gender.