CoS: a new perspective of operating systems design for the cyber-physical world

Our day-to-day life is dependent on several embedded devices, and in the near future, many more objects will have computation and communication capabilities enabling an Internet of Things. Correspondingly, with an increase in the interaction of these devices around us, developing novel applications is set to become challenging with current software infrastructures. In this paper, we argue that a new paradigm for operating systems needs to be conceptualized to provide aconducive base for application development on Cyber-physical systems. We demonstrate its need and importance using a few use-case scenarios and provide the design principles behind, and an architecture of a co-operating system or CoS that can serve as an example of this new paradigm.

Using SysML in systems design

System of systems involves several secondary systems working together with its creation gathering the knowledge of several distinct disciplines and teams, each one with their own background and methods, leading to a difficult communication between them. SysML, a language originated from UML, enables that communication, without background interference, with the use of a rich notation for systems design. This paper analyzes its use through the experience gained in the design of a chemical system with SysML.

Interpretative research in information systems: two qualitative research design projects

In a scientific research project is important to define the underlying philosophical orientation of the project, because this will influence the choices made in respect of scientific methods used, as well as the way they will be applied. It is crucial, therefore, that the philosophy and research design strategy are consistent with each other. These questions become even more relevant in qualitative research. Historically, the interpretive research philosophy is more associated to the scientific areas of social sciences and humanities where the subjectivity inherent to human intervention is more explicitly defined. Information systems field are, primarily, trapped in computer science field, though it also integrates issues related with management and organizations field. This shift from a purely technological guidance for the consideration of the problems of management and organizations has fostered the rise of research projects according to the interpretive philosophy and using qualitative methods. This paper explores the importance of alignment between the epistemological orientation and research design strategy, in qualitative research projects. As a result, it is presented two PhD projects, with different research design strategies, that are being developed in the technology and information systems field, in the light of the interpretive paradigm.

Handling QoS dependencies in distributed cooperative real-time systems

Due to the growing complexity and adaptability requirements of real-time embedded systems, which often exhibit unrestricted inter-dependencies among supported services and user-imposed quality constraints, it is increasingly difficult to optimise the level of service of a dynamic task set within an useful and bounded time. This is even more difficult when intending to benefit from the full potential of an open distributed cooperating environment, where service characteristics are not known beforehand. This paper proposes an iterative refinement approach for a service’s QoS configuration taking into account services’ inter-dependencies and quality constraints, and trading off the achieved solution’s quality for the cost of computation. Extensive simulations demonstrate that the proposed anytime algorithm is able to quickly find a good initial solution and effectively optimises the rate at which the quality of the current solution improves as the algorithm is given more time to run. The added benefits of the proposed approach clearly surpass its reducedoverhead.

Tolerância a falhas em sistemas de tempo-real distribuídos e embebidos

Este documento descreve um modelo de tolerância a falhas para sistemas de tempo-real distribuídos. A sugestão deste modelo tem como propósito a apresentação de uma solu-ção fiável, flexível e adaptável às necessidades dos sistemas de tempo-real distribuídos. A tolerância a falhas é um aspeto extremamente importante na construção de sistemas de tempo-real e a sua aplicação traz inúmeros benefícios. Um design orientado para a to-lerância a falhas contribui para um melhor desempenho do sistema através do melhora-mento de aspetos chave como a segurança, a confiabilidade e a disponibilidade dos sis-temas. O trabalho desenvolvido centra-se na prevenção, deteção e tolerância a falhas de tipo ló-gicas (software) e físicas (hardware) e assenta numa arquitetura maioritariamente basea-da no tempo, conjugada com técnicas de redundância. O modelo preocupa-se com a efi-ciência e os custos de execução. Para isso utilizam-se também técnicas tradicionais de to-lerância a falhas, como a redundância e a migração, no sentido de não prejudicar o tempo de execução do serviço, ou seja, diminuindo o tempo de recuperação das réplicas, em ca-so de ocorrência de falhas. Neste trabalho são propostas heurísticas de baixa complexida-de para tempo-de-execução, a fim de se determinar para onde replicar os componentes que constituem o software de tempo-real e de negociá-los num mecanismo de coordena-ção por licitações. Este trabalho adapta e estende alguns algoritmos que fornecem solu-ções ainda que interrompidos. Estes algoritmos são referidos em trabalhos de investiga-ção relacionados, e são utilizados para formação de coligações entre nós coadjuvantes. O modelo proposto colmata as falhas através de técnicas de replicação ativa, tanto virtual como física, com blocos de execução concorrentes. Tenta-se melhorar ou manter a sua qualidade produzida, praticamente sem introduzir overhead de informação significativo no sistema. O modelo certifica-se que as máquinas escolhidas, para as quais os agentes migrarão, melhoram iterativamente os níveis de qualidade de serviço fornecida aos com-ponentes, em função das disponibilidades das respetivas máquinas. Caso a nova configu-ração de qualidade seja rentável para a qualidade geral do serviço, é feito um esforço no sentido de receber novos componentes em detrimento da qualidade dos já hospedados localmente. Os nós que cooperam na coligação maximizam o número de execuções para-lelas entre componentes paralelos que compõem o serviço, com o intuito de reduzir atra-sos de execução. O desenvolvimento desta tese conduziu ao modelo proposto e aos resultados apresenta-dos e foi genuinamente suportado por levantamentos bibliográficos de trabalhos de in-vestigação e desenvolvimento, literaturas e preliminares matemáticos. O trabalho tem também como base uma lista de referências bibliográficas.

An automated maneuver control framework for a remotely operated vehicle

OCEANS, 2001. MTS/IEEE Conference and Exhibition (Volume:2 )

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

An intelligent tutoring approach to support students and technicians in electrical installation design

Designing electric installation projects, demands not only academic knowledge, but also other types of knowledge not easily acquired through traditional instructional methodologies. A lot of additional empirical knowledge is missing and so the academic instruction must be completed with different kinds of knowledge, such as real-life practical examples and simulations. On the other hand, the practical knowledge detained by the most experienced designers is not formalized in such a way that is easily transmitted. In order to overcome these difficulties present in the engineers formation, we are developing an Intelligent Tutoring System (ITS), for training and support concerning the development of electrical installation projects to be used by electrical engineers, technicians and students.

Decision Support Concerning Demand Response Programs Design and Use – A Conceptual Framework and Simulation Tool

Demand response can play a very relevant role in the context of power systems with an intensive use of distributed energy resources, from which renewable intermittent sources are a significant part. More active consumers participation can help improving the system reliability and decrease or defer the required investments. Demand response adequate use and management is even more important in competitive electricity markets. However, experience shows difficulties to make demand response be adequately used in this context, showing the need of research work in this area. The most important difficulties seem to be caused by inadequate business models and by inadequate demand response programs management. This paper contributes to developing methodologies and a computational infrastructure able to provide the involved players with adequate decision support on demand response programs and contracts design and use. The presented work uses DemSi, a demand response simulator that has been developed by the authors to simulate demand response actions and programs, which includes realistic power system simulation. It includes an optimization module for the application of demand response programs and contracts using deterministic and metaheuristic approaches. The proposed methodology is an important improvement in the simulator while providing adequate tools for demand response programs adoption by the involved players. A machine learning method based on clustering and classification techniques, resulting in a rule base concerning DR programs and contracts use, is also used. A case study concerning the use of demand response in an incident situation is presented.

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.

Homograph ambiguity resolution in front-end design for portuguese TTS systems

In this paper, a module for homograph disambiguation in Portuguese Text-to-Speech (TTS) is proposed. This module works with a part-of-speech (POS) parser, used to disambiguate homographs that belong to different parts-of-speech, and a semantic analyzer, used to disambiguate homographs which belong to the same part-of-speech. The proposed algorithms are meant to solve a significant part of homograph ambiguity in European Portuguese (EP) (106 homograph pairs so far). This system is ready to be integrated in a Letter-to-Sound (LTS) converter. The algorithms were trained and tested with different corpora. The obtained experimental results gave rise to 97.8% of accuracy rate. This methodology is also valid for Brazilian Portuguese (BP), since 95 homographs pairs are exactly the same as in EP. A comparison with a probabilistic approach was also done and results were discussed.

TINSEL – a web-based intelligent tutoring system on electrical installation design

This paper presents a project consisting on the development of an Intelligent Tutoring System, for training and support concerning the development of electrical installation projects to be used by electrical engineers, technicians and students. One of the major goals of this project is to devise a teaching model based on Intelligent Tutoring techniques, considering not only academic knowledge but also other types of more empirical knowledge, able to achieve successfully the training of electrical installation design.

Self-optimization for dynamic scheduling in manufacturing systems

Scheduling is a critical function that is present throughout many industries and applications. A great need exists for developing scheduling approaches that can be applied to a number of different scheduling problems with significant impact on performance of business organizations. A challenge is emerging in the design of scheduling support systems for manufacturing environments where dynamic adaptation and optimization become increasingly important. In this paper, we describe a Self-Optimizing Mechanism for Scheduling System through Nature Inspired Optimization Techniques (NIT).

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.

The verification of temporal KBS: SPARSE - a case study in power systems

In this paper we present VERITAS, a tool that focus time maintenance, that is one of the most important processes in the engineering of the time during the development of KBS. The verification and validation (V&V) process is part of a wider process denominated knowledge maintenance, in which an enterprise systematically gathers, organizes, shares, and analyzes knowledge to accomplish its goals and mission. The V&V process states if the software requirements specifications have been correctly and completely fulfilled. The methodologies proposed in software engineering have showed to be inadequate for Knowledge Based Systems (KBS) validation and verification, since KBS present some particular characteristics. VERITAS is an automatic tool developed for KBS verification which is able to detect a large number of knowledge anomalies. It addresses many relevant aspects considered in real applications, like the usage of rule triggering selection mechanisms and temporal reasoning.