A evolução de um modelo BIM de construção para gestão de empreendimentos

A implementação da evolução tecnológica no setor da construção tem se caracterizado pelo aparecimento de novas tecnologias que dinamizam os processos de troca de informação entre os vários intervenientes no ciclo de vida do empreendimento. O surgimento da tecnologia Building Information Modeling - BIM assente na modelação paramétrica e na interoperabilidade suportada em ficheiros de padrão aberto (IFC) pressupõem um novo paradigma na forma como são tratados os processos de troca de informação entre os vários intervenientes no ciclo de vida dos empreendimentos. Com base no BIM o Construction Operations Building Information Exchange – COBie, é outra tecnologia recente que recolhe informações não geométricas associadas ao modelo e em conjunto com a informação geométrica produzida pelo BIM fazem parte dos documentos de entrega para a fase Facility Management – FM. O objetivo da presente dissertação centrou-se no estudo da evolução de um modelo BIM de construção para a gestão de empreendimento. Foi desenvolvido o estudo de um modelo protótipo que incidiu na utilização de softwares para verificação e aplicação das tecnologias COBie e BIM e também foi sincronizado com a fase FM. Da aplicação dos requisitos COBie e modelação BIM foram extraídas informações geométricas e não geométricas preenchidas nas folhas de trabalho COBie. As principais conclusões do estudo realizado foram que as tecnologias COBie e BIM têm pouca implantação a nível nacional e a sua integração dinamiza os processos, reduzindo custos e aumentando a qualidade da informação fornecida.

A survey of wireless technologies coexistence in WBAN: analysis and open research issues

Wireless Body Area Network (WBAN) is the most convenient, cost-effective, accurate, and non-invasive technology for e-health monitoring. The performance of WBAN may be disturbed when coexisting with other wireless networks. Accordingly, this paper provides a comprehensive study and in-depth analysis of coexistence issues and interference mitigation solutions in WBAN technologies. A thorough survey of state-of-the art research in WBAN coexistence issues is conducted. The survey classified, discussed, and compared the studies according to the parameters used to analyze the coexistence problem. Solutions suggested by the studies are then classified according to the followed techniques and concomitant shortcomings are identified. Moreover, the coexistence problem in WBAN technologies is mathematically analyzed and formulas are derived for the probability of successful channel access for different wireless technologies with the coexistence of an interfering network. Finally, extensive simulations are conducted using OPNET with several real-life scenarios to evaluate the impact of coexistence interference on different WBAN technologies. In particular, three main WBAN wireless technologies are considered: IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4, and low-power WiFi. The mathematical analysis and the simulation results are discussed and the impact of interfering network on the different wireless technologies is compared and analyzed. The results show that an interfering network (e.g., standard WiFi) has an impact on the performance of WBAN and may disrupt its operation. In addition, using low-power WiFi for WBANs is investigated and proved to be a feasible option compared to other wireless technologies.

Avaliação da posição ortostática em plataforma de forças de dois indivíduos com acidente vascular encefálico antes e após uma intervenção baseado no conceito Bobath

Introdução: O acidente vascular encefálico (AVE) é uma importante e frequente condição de saúde que se repercute na funcionalidade do indivíduo. No sentido de reabilitar a função perdida, é comum o recurso a intervenções de fisioterapia baseado o conceito de Bobath. Como tal, importa verificar, as modificações no âmbito do controlo postural, através da migração do centro de pressão na base de suporte, face à aplicação de uma intervenção segundo abordagem baseada no conceito de Bobath em dois indivíduos com AVE. Métodos e participantes: Foram recrutados dois indivíduos com diagnóstico de AVE num hospital da zona do grande Porto. Dados referentes ao equilíbrio estático na condição de medição “olhos abertos ou fechados” e “calçado ou descalço” foram obtidos através de plataforma de forças, antes e após uma intervenção baseado no conceito de Bobath durante 13 semanas (M0 e M1). Nestes dois momentos foram ainda avaliados a mobilidade, função cognitiva, participação, equilíbrio através do teste Timed Up & Go (TUG) e Timed Up & Go Modificado (TUGM), e das escalas Mini Mental State Examination (MMSE), Postural Assessment for Stroke Scale (PASS), Escala de Berg (EB) e Índice de Barthel Modificado (IBM). Resultados: Os participantes obtiveram em ambos os momentos pontuação máxima no MMSE. Ambos os indivíduos atingiram o valor máximo no IBM em M1 (Mo: A: 78; B: 65). Ambos os indivíduos aumentaram o score entre M0 e M1, relativamente ao PASS (A: M0:21; M1:33; B: M0: 26; M1:34) e EB (A: M0:48; M1:54; B: M0: 30; M1:50). O tempo de realização do TUG e do TUGM diminuíram entre momentos em ambos os indivíduos (respectivamente: A: 15''13'' a 13''27''; B: 24''13'' a 13''88'' e A: 19''08''' a 13''27''; B: 29''60''' a 17''64'''). A área de deslocação do centro de pressão (CP) variou entre momentos em todas as condições de avaliação, sendo menor na condição “olhos abertos e descalço” em ambos os participantes (“olhos abertos e calçado”: A: M0= 1,364, M1=2,796; B: M0=1,892, M1=2,979; “olhos abertos e descalço”: A: M0= 0,758, M1=0,727; B: M0=3,064, M1=1,952; “olhos fechados e calçado”: A: M0= 2,360, M1=2,998; B: M0=2,232, M1= 4,392; “olhos fechados e descalço”: A: M0= 1,347, M1=2,388; B: M0=1,652, M1= 1,016). O desvio padrão das deslocações anteroposteriores variou entre momentos, sendo tendencialmente maior em M1 e na condição “descalço e olhos abertos”(“olhos abertos e calçado”: A: M0= 0,201, M1=0,500; B: M0=0,252, M1=0,310; “olhos abertos e descalço”: A: M0= 0,118, M1=0,165; B: M0=0,282, M1=0,276; “olhos fechados e calçado”: A: M0= 0,308, M1=0,398; B: M0=0,274, M1= 0,471; “olhos fechados e descalço”: A: M0= 0,158 , M1=0,373; B: M0=0,230, M1= 0,172), o desvio padrão das deslocações médio-lateral seguem a mesma tendência (“olhos abertos e calçado”: A: M0= 0,370 , M1=0,473; B: M0=0,454, M1=0,517; “olhos abertos e descalço”: A: M0= 0,354, M1=0,236 ; B: M0=0,584, M1=0,381; “olhos fechados e calçado”: A: M0= 0,425, M1=0,463; B: M0=0,462, M1= 0,583; “olhos fechados e descalço”: A: M0= 0,475, M1=0,416; B: M0=0,389, M1= 0,342). A velocidade de oscilação na direcção antero – posterior variou entre momentos, sendo tendencialmente menor em M1, em ambos os participantes e em todas as condições de avaliação: “olhos abertos e calçado”: A: M0= 0,886 , M1=0,532; B: M0=2,507, M1=01,072; “olhos abertos e descalço”: A: M0= 2,562, M1=3,815 ; B: M0=4,367, M1=0,262; “olhos fechados e calçado”: A: M0= 2,689, M1=1,757; B: M0=2,821, M1= 0,769; “olhos fechados e descalço”: A: M0= 2,984, M1=2,525; B: M0=4,100, M1= 0,265), a velocidade de oscilação na direcção médio – lateral seguem a mesma tendência para as condições de “olhos abertos e calçado”: A: M0= 6,524 , M1=6,218; B: M0=0,467, M1=0,404; “olhos fechados e calçado”: A: M0= 6,387, M1=1,927; B: M0=0,351, M1= 0,505; mas a velocidade de oscilação aumenta para as condições de “olhos abertos e descalço”: A: M0= 3,108, M1=7,806 ; B: M0=1,150, M1=8,054; “olhos fechados e descalço”: A: M0= 3,444, M1=3,839; B: M0=1,434, M1= 7,891). Conclusão: Entre os dois momentos os indivíduos melhoraram a sua mobilidade, equilíbrio, participação e actividades, potencialmente devido à intervenção baseado no conceito de Bobath.

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

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Framework de controlo de acessos para Triple-stores com interface Sail API

Grande parte dos triples-stores são open source e desenvolvidos em Java, disponibilizando interfaces standards e privadas de acesso. A grande maioria destes sistemas não dispõe de mecanismos de controlo de acessos nativos, o que dificulta ou impossibilita a sua adopção em ambientes em que a segurança dos factos é importante (e.g. ambiente empresarial). Complementarmente observa-se que o modelo de controlo de acesso a triplos e em particular a triplos descritos por ontologias não está standardizado nem sequer estabilizado, havendo diversos modelos de descrição e algoritmos de avaliação de permissões de acesso. O trabalho desenvolvido nesta tese/dissertação propõe um modelo e interface de controlo de acesso que permite e facilite a sua adopção por diferentes triple-stores já existentes e a integração dos triples-stores com outros sistemas já existentes na organização. Complementarmente, a plataforma de controlo de acesso não impõe qualquer modelo ou algoritmo de avaliação de permissões, mas pelo contrário permite a adopção de modelos e algoritmos distintos em função das necessidades ou desejos. Finalmente demonstra-se a aplicabilidade e validade do modelo e interface propostos, através da sua implementação e adopção ao triple-store SwiftOWLIM já existente, que não dispõe de mecanismo de controlo de acessos nativo.

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.

A feedback-based decentralised coordination model for distributed open real-time systems

Moving towards autonomous operation and management of increasingly complex open distributed real-time systems poses very significant challenges. This is particularly true when reaction to events must be done in a timely and predictable manner while guaranteeing Quality of Service (QoS) constraints imposed by users, the environment, or applications. In these scenarios, the system should be able to maintain a global feasible QoS level while allowing individual nodes to autonomously adapt under different constraints of resource availability and input quality. This paper shows how decentralised coordination of a group of autonomous interdependent nodes can emerge with little communication, based on the robust self-organising principles of feedback. Positive feedback is used to reinforce the selection of the new desired global service solution, while negative feedback discourages nodes to act in a greedy fashion as this adversely impacts on the provided service levels at neighbouring nodes. The proposed protocol is general enough to be used in a wide range of scenarios characterised by a high degree of openness and dynamism where coordination tasks need to be time dependent. As the reported results demonstrate, it requires less messages to be exchanged and it is faster to achieve a globally acceptable near-optimal solution than other available approaches.

A capacity sharing and stealing strategy for open real-time systems

This paper focuses on the scheduling of tasks with hard and soft real-time constraints in open and dynamic real-time systems. It starts by presenting a capacity sharing and stealing (CSS) strategy that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers to efficiently handle soft-tasks’ overloads by making additional capacity available from two sources: (i) reclaiming unused reserved capacity when jobs complete in less than their budgeted execution time and (ii) stealing reserved capacity from inactive non-isolated servers used to schedule best-effort jobs. CSS is then combined with the concept of bandwidth inheritance to efficiently exchange reserved bandwidth among sets of inter-dependent tasks which share resources and exhibit precedence constraints, assuming no previous information on critical sections and computation times is available. The proposed Capacity Exchange Protocol (CXP) has a better performance and a lower overhead when compared against other available solutions and introduces a novel approach to integrate precedence constraints among tasks of open real-time systems.

Coordinated runtime adaptations in cooperative open real-time systems

This paper proposes an one-step decentralised coordination model based on an effective feedback mechanism to reduce the complexity of the needed interactions among interdependent nodes of a cooperative distributed system until a collective adaptation behaviour is determined. Positive feedback is used to reinforce the selection of the new desired global service solution, while negative feedback discourages nodes to act in a greedy fashion as this adversely impacts on the provided service levels at neighbouring nodes. The reduced complexity and overhead of the proposed decentralised coordination model are validated through extensive evaluations.

Open-ZB: an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocol stack on TinyOS

The IEEE 802.15.4/ZigBee protocols are gaining increasing interests in both research and industrial communities as candidate technologies for Wireless Sensor Network (WSN) applications. In this paper, we present an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack under the TinyOS operating system for the MICAz motes. This work has been driven by the need for an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols, filling a gap between some newly released complex C implementations and black-box implementations from different manufacturers. In addition, we share our experience on the challenging problem that we have faced during the implementation of the protocol stack on the MICAz motes. We strongly believe that this open-source implementation will potentiate research works on the IEEE 802.15.4/Zigbee protocols allowing their demonstration and validation through experimentation.

A time division beacon scheduling mechanism for IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks

While the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack is being considered as a promising technology for low-cost low-power Wireless Sensor Networks (WSNs), several issues in the standard specifications are still open. One of those ambiguous issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for ensuring QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multihop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes a synchronization mechanism based on Time Division Beacon Scheduling to construct cluster-tree WSNs. We also propose a methodology for an efficient duty cycle management in each router (cluster-head) of a cluster-tree WSN that ensures the fairest use of bandwidth resources. The feasibility of the proposal is clearly demonstrated through an experimental test bed based on our own implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol.

Handling shared resources and precedence constraints in open systems

There is an increasing demand for highly dynamic realtime systems where several independently developed applications with different timing requirements can coexist. This paper proposes a protocol to integrate shared resources and precedence constraints among tasks in such systems assuming no precise information on critical sections and computation times is available. The concept of bandwidth inheritance is combined with a capacity sharing and stealing mechanism to efficiently exchange bandwidth among needed tasks, minimising the cost of blocking.

On the development of a test-bed application for the ART-WiSe architecture

The ART-WiSe (Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor Networks) framework aims at the design of new communication architectures and mechanisms for time-sensitive Wireless Sensor Networks (WSNs). We adopted a two-tiered architecture where an overlay Wireless Local Area Network (Tier 2) serves as a backbone for a WSN (Tier 1), relying on existing standard communication protocols and commercial-off-the-shell (COTS) technologies – IEEE 802.15.4/ZigBee for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2. In this line, a test-bed application is being developed for assessing, validating and demonstrating the ART-WiSe architecture. A pursuit-evasion application was chosen since it fulfils a number of requirements, namely it is feasible and appealing and imposes some stress to the architecture in terms of timeliness. To develop the testbed based on the previously referred technologies, an implementation of the IEEE 8021.5.4/ZigBee protocols is being carried out, since there is no open source available to the community. This paper highlights some relevant aspects of the ART-WiSe architecture, provides some intuition on the protocol stack implementation and presents a general view over the envisaged test-bed application.

On the use of the ZigBee protocol for wireless sensor networks

This project was developed within the ART-WiSe framework of the IPP-HURRAY group (http://www.hurray.isep.ipp.pt), at the Polytechnic Institute of Porto (http://www.ipp.pt). The ART-WiSe – Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor networks – framework (http://www.hurray.isep.ipp.pt/art-wise) aims at providing new communication architectures and mechanisms to improve the timing performance of Wireless Sensor Networks (WSNs). The architecture is based on a two-tiered protocol structure, relying on existing standard communication protocols, namely IEEE 802.15.4 (Physical and Data Link Layers) and ZigBee (Network and Application Layers) for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2, which serves as a high-speed backbone for Tier 1 without energy consumption restrictions. Within this trend, an application test-bed is being developed with the objectives of implementing, assessing and validating the ART-WiSe architecture. Particularly for the ZigBee protocol case; even though there is a strong commercial lobby from the ZigBee Alliance (http://www.zigbee.org), there is neither an open source available to the community for this moment nor publications on its adequateness for larger-scale WSN applications. This project aims at fulfilling these gaps by providing: a deep analysis of the ZigBee Specification, mainly addressing the Network Layer and particularly its routing mechanisms; an identification of the ambiguities and open issues existent in the ZigBee protocol standard; the proposal of solutions to the previously referred problems; an implementation of a subset of the ZigBee Network Layer, namely the association procedure and the tree routing on our technological platform (MICAz motes, TinyOS operating system and nesC programming language) and an experimental evaluation of that routing mechanism for WSNs.