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.

Modelling an e-learning environment for learning programming languages

It is widely accepted that solving programming exercises is fundamental to learn how to program. Nevertheless, solving exercises is only effective if students receive an assessment on their work. An exercise solved wrong will consolidate a false belief, and without feedback many students will not be able to overcome their difficulties. However, creating, managing and accessing a large number of exercises, covering all the points in the curricula of a programming course, in classes with large number of students, can be a daunting task without the appropriated tools working in unison. This involves a diversity of tools, from the environments where programs are coded, to automatic program evaluators providing feedback on the attempts of students, passing through the authoring, management and sequencing of programming exercises as learning objects. We believe that the integration of these tools will have a great impact in acquiring programming skills. Our research objective is to manage and coordinate a network of eLearning systems where students can solve computer programming exercises. Networks of this kind include systems such as learning management systems (LMS), evaluation engines (EE), learning objects repositories (LOR) and exercise resolution environments (ERE). Our strategy to achieve the interoperability among these tools is based on a shared definition of programming exercise as a Learning Object (LO).

Provably Good Task Assignment for Two-Type Heterogeneous Multiprocessors Using Cutting Planes

Consider scheduling of real-time tasks on a multiprocessor where migration is forbidden. Specifically, consider the problem of determining a task-to-processor assignment for a given collection of implicit-deadline sporadic tasks upon a multiprocessor platform in which there are two distinct types of processors. For this problem, we propose a new algorithm, LPC (task assignment based on solving a Linear Program with Cutting planes). The algorithm offers the following guarantee: for a given task set and a platform, if there exists a feasible task-to-processor assignment, then LPC succeeds in finding such a feasible task-to-processor assignment as well but on a platform in which each processor is 1.5 × faster and has three additional processors. For systems with a large number of processors, LPC has a better approximation ratio than state-of-the-art algorithms. To the best of our knowledge, this is the first work that develops a provably good real-time task assignment algorithm using cutting planes.

O risco do custo e do tempo no escanamento de projetos

Dissertação apresentada ao Instituto Politécnico do Porto para obtenção do Grau de Mestre em Logística Orientada por: Prof. Dr. Pedro Godinho

Addressing the facilities layout design problem through constraint logic programming

One of the most difficult problems that face researchers experimenting with complex systems in real world applications is the Facility Layout Design Problem. It relies with the design and location of production lines, machinery and equipment, inventory storage and shipping facilities. In this work it is intended to address this problem through the use of Constraint Logic Programming (CLP) technology. The use of Genetic Algorithms (GA) as optimisation technique in CLP environment is also an issue addressed. The approach aims the implementation of genetic algorithm operators following the CLP paradigm.

Hybrid fuzzy Monte Carlo and logic programming model for distribution network reconfiguration in the presence of outages

This paper presents a methodology for distribution networks reconfiguration in outage presence in order to choose the reconfiguration that presents the lower power losses. The methodology is based on statistical failure and repair data of the distribution power system components and uses fuzzy-probabilistic modelling for system component outage parameters. Fuzzy membership functions of system component outage parameters are obtained by statistical records. A hybrid method of fuzzy set and Monte Carlo simulation based on the fuzzy-probabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. Once obtained the system states by Monte Carlo simulation, a logical programming algorithm is applied to get all possible reconfigurations for every system state. In order to evaluate the line flows and bus voltages and to identify if there is any overloading, and/or voltage violation a distribution power flow has been applied to select the feasible reconfiguration with lower power losses. To illustrate the application of the proposed methodology to a practical case, the paper includes a case study that considers a real distribution network.

Logic programming and fuzzy Monte Carlo for distribution network reconfiguration

This paper present a methodology to choose the distribution networks reconfiguration that presents the lower power losses. The proposed methodology is based on statistical failure and repair data of the distribution power system components and uses fuzzy-probabilistic modeling for system component outage parameters. The proposed hybrid method using fuzzy sets and Monte Carlo simulation based on the fuzzyprobabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. A logic programming algorithm is applied, once obtained the system states by Monte Carlo Simulation, to get all possible reconfigurations for each system state. To evaluate the line flows and bus voltages and to identify if there is any overloading, and/or voltage violation an AC load flow has been applied to select the feasible reconfiguration with lower power losses. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study that considers a 115 buses distribution network.

Optimization techniques for power distribution planning with uncertainties: a comparative study

Important research effort has been devoted to the topic of optimal planning of distribution systems. The non linear nature of the system, the need to consider a large number of scenarios and the increasing necessity to deal with uncertainties make optimal planning in distribution systems a difficult task. Heuristic techniques approaches have been proposed to deal with these issues, overcoming some of the inherent difficulties of classic methodologies. This paper considers several methodologies used to address planning problems of electrical power distribution networks, namely mixedinteger linear programming (MILP), ant colony algorithms (AC), genetic algorithms (GA), tabu search (TS), branch exchange (BE), simulated annealing (SA) and the Bender´s decomposition deterministic non-linear optimization technique (BD). Adequacy of theses techniques to deal with uncertainties is discussed. The behaviour of each optimization technique is compared from the point of view of the obtained solution and of the methodology performance. The paper presents results of the application of these optimization techniques to a real case of a 10-kV electrical distribution system with 201 nodes that feeds an urban area.

Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming

In the energy management of the isolated operation of small power system, the economic scheduling of the generation units is a crucial problem. Applying right timing can maximize the performance of the supply. The optimal operation of a wind turbine, a solar unit, a fuel cell and a storage battery is searched by a mixed-integer linear programming implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). A Virtual Power Producer (VPP) can optimal operate the generation units, assured the good functioning of equipment, including the maintenance, operation cost and the generation measurement and control. A central control at system allows a VPP to manage the optimal generation and their load control. The application of methodology to a real case study in Budapest Tech, demonstrates the effectiveness of this method to solve the optimal isolated dispatch of the DC micro-grid renewable energy park. The problem has been converged in 0.09 s and 30 iterations.

Ancillary services dispatch using linear programming and genetic algorithm approaches

Electricity market players operating in a liberalized environment requires access to an adequate decision support tool, allowing them to consider all the business opportunities and take strategic decisions. Ancillary services represent a good negotiation opportunity that must be considered by market players. For this, decision support tools must include ancillary market simulation. This paper proposes two different methods (Linear Programming and Genetic Algorithm approaches) for ancillary services dispatch. The methodologies are implemented in MASCEM, a multi-agent based electricity market simulator. A test case concerning the dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve services is included in this paper.

Inexact restoration approaches to solve mathematical program with complementarity constraints

Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC) finds applica- tion in many fields. As the complementarity constraints fail the standard Linear In- dependence Constraint Qualification (LICQ) or the Mangasarian-Fromovitz constraint qualification (MFCQ), at any feasible point, the nonlinear programming theory may not be directly applied to MPCC. However, the MPCC can be reformulated as NLP problem and solved by nonlinear programming techniques. One of them, the Inexact Restoration (IR) approach, performs two independent phases in each iteration - the feasibility and the optimality phases. This work presents two versions of an IR algorithm to solve MPCC. In the feasibility phase two strategies were implemented, depending on the constraints features. One gives more importance to the complementarity constraints, while the other considers the priority of equality and inequality constraints neglecting the complementarity ones. The optimality phase uses the same approach for both algorithm versions. The algorithms were implemented in MATLAB and the test problems are from MACMPEC collection.

Task-force para revitalização dos sistemas de informação

Este trabalho descreve as actividades desenvolvidas no âmbito de uma task-force para revitalizar a função Sistemas de Informação de uma grande empresa nacional. Apresenta, em particular, o sistema de indicadores de gestão definido nesse contexto

Uma abordagem de alto nível para a verificação de conteúdos na web

A manutenção do conteúdo web pode ser uma tarefa difícil, especialmente se considerarmos websites em que muitos utilizadores têm permissões para alterar o seu conteúdo. Um exemplo deste tipo de websites são os wikis. Se por um lado permitem rápida disseminação de conhecimento, por outro lado implicam um grande esforço para verificar a qualidade do seu conteúdo. Nesta tese analisamos diferentes abordagens à modelação de websites, especialmente para a verificação de conteúdo, onde contribuímos com uma extensão à ferramenta VeriFLog para a tornar mais adequada à verificação de conteúdos em websites colaborativos.

Simulação e programação offline de robôs industriais afectos a tarefas de lixagem

Este trabalho teve o intuito de testar a viabilidade da programação offline para tarefas de lixamento na empresa Grohe Portugal. Para tal era necessário perceber o que é a programação offline e para isso foi efectuada uma pesquisa referente a essa temática, onde ficou evidente que a programação offline é em tudo semelhante à programação online, tendo apenas como principal diferença o facto de não usar o robô propriamente dito durante o desenvolvimento do programa. Devido à ausência do robô, a programação offline exige que se conheça detalhadamente a célula de trabalho, bem como todas as entradas e saídas associadas à célula, sendo que o conhecimento das entradas e saídas pode ser contornada carregando um backup do robô ou carregando os módulos de sistema. No entanto os fabricantes habitualmente não fornecem informação detalhada sobre as células de trabalho, o que dificulta o processo de implementação da unidade no modelo 3D para a programação offline. Após este estudo inicial, foi efectuado um estudo das características inerentes a cada uma das células existentes, com o objectivo de se obter uma melhor percepção de toda a envolvente relacionada com as tarefas de lixamento. Ao longo desse estudo efectuaram-se vários testes para validar os diversos programas desenvolvidos, bem como para testar a modelação 3D efectuada. O projecto propriamente dito consistiu no desenvolvimento de programas offline de forma a minimizar o impacto (em especial o tempo de paragem) da programação de novos produtos. Todo o trabalho de programação era até então feito utilizando o robô, o que implicava tempos de paragem que podiam ser superiores a três dias. Com o desenvolvimento dos programas em modo offline conseguiu-se reduzir esse tempo de paragem dos robôs para pouco mais de um turno (8h), existindo apenas a necessidade de efectuar algumas afinações e correcções nos movimentos de entrada, saída e movimentações entre rotinas e unidades, uma vez que estes movimentos são essenciais ao bom acabamento da peça e convém que seja suaves. Para a realização e conclusão deste projecto foram superadas diversas etapas, sendo que as mais relevantes foram: - A correcta modelação 3D da célula, tendo em conta todo o cenário envolvente, para evitar colisões do robô com a célula; - A adaptação da programação offline para uma linguagem mais usual aos afinadores, ou seja, efectuar a programação com targets inline e criar diferentes rotinas para cada uma das partes da peça, facilitando assim a afinação; - A habituação à programação recorrendo apenas ao uso de módulos para transferir os programas para a célula, bem como a utilização de entradas, saídas e algumas rotinas e funcionalidades já existentes.

New insights on integer-programming models for the kidney exchange problem

In recent years several countries have set up policies that allow exchange of kidneys between two or more incompatible patient–donor pairs. These policies lead to what is commonly known as kidney exchange programs. The underlying optimization problems can be formulated as integer programming models. Previously proposed models for kidney exchange programs have exponential numbers of constraints or variables, which makes them fairly difficult to solve when the problem size is large. In this work we propose two compact formulations for the problem, explain how these formulations can be adapted to address some problem variants, and provide results on the dominance of some models over others. Finally we present a systematic comparison between our models and two previously proposed ones via thorough computational analysis. Results show that compact formulations have advantages over non-compact ones when the problem size is large.