Learning for scheduling a portfolio of constraint solvers

Nel lavoro di tesi qui presentato si indaga l'applicazione di tecniche di apprendimento mirate ad una più efficiente esecuzione di un portfolio di risolutore di vincoli (constraint solver). Un constraint solver è un programma che dato in input un problema di vincoli, elabora una soluzione mediante l'utilizzo di svariate tecniche. I problemi di vincoli sono altamente presenti nella vita reale. Esempi come l'organizzazione dei viaggi dei treni oppure la programmazione degli equipaggi di una compagnia aerea, sono tutti problemi di vincoli. Un problema di vincoli è formalizzato da un problema di soddisfacimento di vincoli(CSP). Un CSP è descritto da un insieme di variabili che possono assumere valori appartenenti ad uno specico dominio ed un insieme di vincoli che mettono in relazione variabili e valori assumibili da esse. Una tecnica per ottimizzare la risoluzione di tali problemi è quella suggerita da un approccio a portfolio. Tale tecnica, usata anche in am- biti come quelli economici, prevede la combinazione di più solver i quali assieme possono generare risultati migliori di un approccio a singolo solver. In questo lavoro ci preoccupiamo di creare una nuova tecnica che combina un portfolio di constraint solver con tecniche di machine learning. Il machine learning è un campo di intelligenza articiale che si pone l'obiettivo di immettere nelle macchine una sorta di `intelligenza'. Un esempio applicativo potrebbe essere quello di valutare i casi passati di un problema ed usarli in futuro per fare scelte. Tale processo è riscontrato anche a livello cognitivo umano. Nello specico, vogliamo ragionare in termini di classicazione. Una classicazione corrisponde ad assegnare ad un insieme di caratteristiche in input, un valore discreto in output, come vero o falso se una mail è classicata come spam o meno. La fase di apprendimento sarà svolta utilizzando una parte di CPHydra, un portfolio di constraint solver sviluppato presso la University College of Cork (UCC). Di tale algoritmo a portfolio verranno utilizzate solamente le caratteristiche usate per descrivere determinati aspetti di un CSP rispetto ad un altro; queste caratteristiche vengono altresì dette features. Creeremo quindi una serie di classicatori basati sullo specifico comportamento dei solver. La combinazione di tali classicatori con l'approccio a portfolio sara nalizzata allo scopo di valutare che le feature di CPHydra siano buone e che i classicatori basati su tali feature siano affidabili. Per giusticare il primo risultato, eettueremo un confronto con uno dei migliori portfolio allo stato dell'arte, SATzilla. Una volta stabilita la bontà delle features utilizzate per le classicazioni, andremo a risolvere i problemi simulando uno scheduler. Tali simulazioni testeranno diverse regole costruite con classicatori precedentemente introdotti. Prima agiremo su uno scenario ad un processore e successivamente ci espanderemo ad uno scenario multi processore. In questi esperimenti andremo a vericare che, le prestazioni ottenute tramite l'applicazione delle regole create appositamente sui classicatori, abbiano risultati migliori rispetto ad un'esecuzione limitata all'utilizzo del migliore solver del portfolio. I lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con il centro di ricerca 4C presso University College Cork. Su questo lavoro è stato elaborato e sottomesso un articolo scientico alla International Joint Conference of Articial Intelligence (IJCAI) 2011. Al momento della consegna della tesi non siamo ancora stati informati dell'accettazione di tale articolo. Comunque, le risposte dei revisori hanno indicato che tale metodo presentato risulta interessante.

Algoritmi esatti per il Job Shop Scheduling: approcci Mathematical Programming

In questa tesi ci occuperemo di fornire un modello MIP di base e di alcune sue varianti, realizzate allo scopo di comprenderne il comportamento ed eventualmente migliorarne l’efficienza. Le diverse varianti sono state costruite agendo in particolar modo sulla definizione di alcuni vincoli, oppure sui bound delle variabili, oppure ancora nell’obbligare il risolutore a focalizzarsi su determinate decisioni o specifiche variabili. Sono stati testati alcuni dei problemi tipici presenti in letteratura e i diversi risultati sono stati opportunamente valutati e confrontati. Tra i riferimenti per tale confronto sono stati considerati anche i risultati ottenibili tramite un modello Constraint Programming, che notoriamente produce risultati apprezzabili in ambito di schedulazione. Un ulteriore scopo della tesi è, infatti, comparare i due approcci Mathematical Programming e Constraint Programming, identificandone quindi i pregi e gli svantaggi e provandone la trasferibilità al modello raffrontato.

Scheduling application-aware in piattaforme di stream processing distribuito per scenari smart city

In piattaforme di Stream Processing è spesso necessario eseguire elaborazioni differenziate degli stream di input. Questa tesi ha l'obiettivo di realizzare uno scheduler in grado di attribuire priorità di esecuzione differenti agli operatori deputati all'elaborazione degli stream.

Performance evaluation of improved output scheduling in 3lihon nodes

Le reti ottiche, grazie alla loro elevata capacità, hanno acquisito sempre maggiore importanza negli ultimi anni, sia per via del crescente volume di dati scambiati, legato soprattutto alla larga diffusione di Internet, sia per la necessità di comunicazioni in tempo reale. Dati i (relativamente) lunghi tempi di adattamento, questa tecnologia nativamente non è quella ottimale per il trasporto di un traffico a burst, tipico delle telecomunicazioni odierne. Le reti ibride cercano, quindi, di coniugare al meglio le potenzialità della commutazione ottica di circuito e della commutazione ottica a pacchetto. In questo lavoro, in particolare, ci si è concentrati su un'architettura di rete ibrida denominata 3LIHON (3-Level Integrated Hybrid Optical Network). Essa prevede tre distinti livelli di qualità di servizio (QoS) per soddisfare differenti necessità: - Guaranteed Service Type (GST): simile ad un servizio a commutazione di circuito, non ammette perdita di dati. - Statistically Multiplexed Real Time (SM/RT): simile ad un servizio a commutazione di pacchetto, garantisce ritardo nullo o molto basso all'interno della rete, permette un piccolo tasso di perdita di dati e ammette la contesa della banda. - Statistically Multiplexed Best Effort (SM/BE): simile ad un servizio a commutazione di pacchetto, non garantisce alcun ritardo tra i nodi ed ammette un basso tasso di perdita dei dati. In un nodo 3LIHON, il traffico SM/BE impossibile da servire, a causa ad es. dell'interruzione da parte di pacchetti aventi un livello di QoS più prioritario, viene irrimediabilmente perso. Questo implica anche lo spreco del tempo e delle risorse impiegati per trasmettere un pacchetto SM/BE fino alla sua interruzione. Nel presente lavoro si è cercato di limitare, per quanto possibile, questo comportamento sconveniente, adottando e comparando tre strategie, che hanno portato alla modifica del nodo 3LIHON standard ed alla nascita di tre sue varianti.

OpenMP task scheduling strategies to mitigate hardware variability in tightly-coupled shared memory clusters

In questa tesi sono stati apportati due importanti contributi nel campo degli acceleratori embedded many-core. Abbiamo implementato un runtime OpenMP ottimizzato per la gestione del tasking model per sistemi a processori strettamente accoppiati in cluster e poi interconnessi attraverso una network on chip. Ci siamo focalizzati sulla loro scalabilità e sul supporto di task di granularità fine, come è tipico nelle applicazioni embedded. Il secondo contributo di questa tesi è stata proporre una estensione del runtime di OpenMP che cerca di prevedere la manifestazione di errori dati da fenomeni di variability tramite una schedulazione efficiente del carico di lavoro.

Valutazione delle funzioni obiettivo nell'operating theatre scheduling

il ruolo della tesi è stato di valorizzare attraverso la valutazione di un peso l'urgenza e la necessità di cure dei pazienti processati da un modello di ottimizzazione. Essa si inserisce all'interno di un progetto di creazione di tale modello per la schedulazione di interventi in un reparto chirurgico di un generico ospedale.si è fatto uso del software ibm opl optimization suite.

Axion-like particles and the 3.5 keV line in 4D string models

This work is focused on axions and axion like particles (ALPs) and their possible relation with the 3.55 keV photon line detected, in recent years, from galaxy clusters and other astrophysical objects. We focus on axions that come from string compactification and we study the vacuum structure of the resulting low energy 4D N=1 supergravity effective field theory. We then provide a model which might explain the 3.55 keV line through the following processes. A 7.1 keV dark matter axion decays in two light axions, which, in turn, are transformed into photons thanks to the Primakoff effect and the existence of a kinetic mixing between two U(1)s gauge symmetries belonging respectively to the hidden and the visible sector. We present two models, the first one gives an outcome inconsistent with experimental data, while the second can yield the desired result.

Scheduling di applicazioni periodiche con durata variabile

In questa tesi presentiamo una strategia, e la relativa implementazione, per il problema dell’allocazione e schedulazione, su risorse unarie, di applicazioni multi-task periodiche, composte da attività che interagiscono fra loro e la cui durata è incerta. Lo scopo che ci si propone di raggiungere, è l’implementazione di una strategia di allocazione schedulazione che garantisca robustezza ed efficienza, in quei contesti in cui la conoscenza a priori è limitata e in cui le applicazioni si ripetono indefinitamente nel tempo. Per raggiungere questo scopo, sarà usato un approccio ibrido fra statico e dinamico. Staticamente è generata una soluzione del problema, sfruttando la programmazione a vincoli, in cui le durate delle attività sono arbitrariamente fissate. Questa soluzione, non rappresenta la soluzione del nostro problema, ma è utilizzata per generare un ordinamento delle attività, che compongono le applicazioni periodiche. Dinamicamente, sfruttando l’ordinamento ottenuto, è effettuata l’allocazione e la schedulazione effettiva delle applicazioni periodiche, considerando durate variabili per le attività. L’efficienza ottenuta applicando il nostro approccio è valutata effettuando test su una vasta gamma di istanze, sia industriali, sia sintetiche appositamente generate. I risultati sono confrontati con quelli ottenuti, per le stesse istanze, applicando un approccio puramente statico. Come si vedrà, in alcuni casi, è possibile anche quadruplicale la velocità di completamento delle applicazioni trattate.

Distributed allocation and scheduling of applications on HPC platforms

High Performance Computing e una tecnologia usata dai cluster computazionali per creare sistemi di elaborazione che sono in grado di fornire servizi molto piu potenti rispetto ai computer tradizionali. Di conseguenza la tecnologia HPC e diventata un fattore determinante nella competizione industriale e nella ricerca. I sistemi HPC continuano a crescere in termini di nodi e core. Le previsioni indicano che il numero dei nodi arrivera a un milione a breve. Questo tipo di architettura presenta anche dei costi molto alti in termini del consumo delle risorse, che diventano insostenibili per il mercato industriale. Un scheduler centralizzato non e in grado di gestire un numero di risorse cosi alto, mantenendo un tempo di risposta ragionevole. In questa tesi viene presentato un modello di scheduling distribuito che si basa sulla programmazione a vincoli e che modella il problema dello scheduling grazie a una serie di vincoli temporali e vincoli sulle risorse che devono essere soddisfatti. Lo scheduler cerca di ottimizzare le performance delle risorse e tende ad avvicinarsi a un profilo di consumo desiderato, considerato ottimale. Vengono analizzati vari modelli diversi e ognuno di questi viene testato in vari ambienti.

Sviluppo di un sistema per allocazione e scheduling di applicazioni periodiche

In questa tesi, viene illustrato un metodo risolutivo al problema dell’allocazione e schedulazione, su risorse eterogenee con capacità unaria rinnovabile e cumulativa non rinnovabile, di applicazioni multitask periodiche, con periodi in relazione armonica, strutturate in attività indipendenti o sottoposte a vincoli di precedenza e con durate dipendenti dalla specifica risorsa di allocazione. L’obiettivo è quello di fornire un’implementazione del modello in grado di gestire l’allocazione e la schedulazione di istanze (i.e. insieme di applicazioni) variabili, caratterizzate da una serie di parametri. La struttura implementativa, realizzata secondo la Logic-based Benders decomposition, prevede la suddivisione del problema in due moduli. Il primo in grado di generare un’allocazione e realizzato con tecniche di programmazione lineare intera mista, il secondo con lo scopo di controllare l’ammissibilità di tale allocazione attraverso una schedulazione ottima e realizzato mediante tecniche di programmazione a vincoli. Il meccanismo di comunicazione tra i due moduli avviene mediante vincoli lineari, denominati tagli di Benders, che vengono aggiunti dopo ogni iterazione del sistema. L’efficacia del modello sarà valutata confrontando i risultati ottenuti attraverso una serie di test, con i valori forniti da un metodo di allocazione e schedulazione alternativo.

Sviluppo di un'applicazione per lo scheduling di processi periodici con vincoli temporali

In questo elaborato ,sono descritte le fasi di realizzazione del software di simulazione di scheduling di processi periodici per sistemi operativi real-time, realizzato per questa tesi.

Scheduling di dispositivi in una casa intelligente su piattaforma Home Manager

Obiettivo di questa tesi è estendere la piattaforma sperimentale Home Manager e sviluppare il supporto alla schedulazione degli elettrodomestici. L’utente Home Manager notificherà al sistema la propria volontà di accendere un determinato dispositivo, delegando a quest’ultimo la scelta sul quando dovrà essere eseguito il compito corrispondente, sulla base delle politiche generali della Smart Home.

Feasibility study and flow scheduling optimization of a multi-product pipeline system

The first goal of this study is to analyse a real-world multiproduct onshore pipeline system in order to verify its hydraulic configuration and operational feasibility by constructing a simulation model step by step from its elementary building blocks that permits to copy the operation of the real system as precisely as possible. The second goal is to develop this simulation model into a user-friendly tool that one could use to find an “optimal” or “best” product batch schedule for a one year time period. Such a batch schedule could change dynamically as perturbations occur during operation that influence the behaviour of the entire system. The result of the simulation, the ‘best’ batch schedule is the one that minimizes the operational costs in the system. The costs involved in the simulation are inventory costs, interface costs, pumping costs, and penalty costs assigned to any unforeseen situations. The key factor to determine the performance of the simulation model is the way time is represented. In our model an event based discrete time representation is selected as most appropriate for our purposes. This means that the time horizon is divided into intervals of unequal lengths based on events that change the state of the system. These events are the arrival/departure of the tanker ships, the openings and closures of loading/unloading valves of storage tanks at both terminals, and the arrivals/departures of trains/trucks at the Delivery Terminal. In the feasibility study we analyse the system’s operational performance with different Head Terminal storage capacity configurations. For these alternative configurations we evaluated the effect of different tanker ship delay magnitudes on the number of critical events and product interfaces generated, on the duration of pipeline stoppages, the satisfaction of the product demand and on the operative costs. Based on the results and the bottlenecks identified, we propose modifications in the original setup.

Gestione degli ordini di ‘Scheduling Agreement’ e confronto tra soluzioni di magazzino in un’azienda produttrice di macchine automatiche: il caso ACMA S.p.A.

Con la presente tesi di laurea si vuole analizzare la nuova procedura di ordini di “Scheduling Agreement” all’interno della realtà aziendale di ACMA S.p.A., azienda produttrice di macchine automatiche. Con il termine Scheduling Agreement si identifica una gestione di ordini con il fornitore, il quale mantiene i pezzi prodotti all’interno del proprio magazzino per massimo 18 mesi. L’accordo si basa sul principio per cui il fornitore ha una maggiore continuità di fornitura mentre ACMA S.p.A. vede un risparmio degli investimenti aziendali e nel tempo di approvvigionamento. Il principale focus dello studio verterà sulla proposta di soluzioni di stoccaggio per ricercare un punto di ottimo che permetta di ridurre al minimo il rischio di stock out e al tempo stesso minimizzi il livello delle scorte. L’analisi partirà con l’identificazione dei prodotti per cui risulta conveniente aprire uno Scheduling. Tale processo valutativo si estrinseca nell’analisi di due parametri fondamentali: frequenza e consumo. Verranno poi analizzati alcuni casi TO BE con il fine di trovare il Lead Time migliore per ridurre al minimo le giacenze ed evitare rotture di stock. Questi studi utilizzano il software di estrapolazione dati “SAP” per poi analizzarli sulla piattaforma Excel e forniscono una valutazione realistica nella gestione di tale procedura in ACMA S.p.A.. La soluzione conclusiva riesce a risolvere il problema di stock out introducendo la “scorta di sicurezza” calcolata sulla domanda futura. In particolare, utilizzando un Lead Time di approvvigionamento di 21 giorni si è riusciti a ridurre del 75% le scorte a magazzino rispetto al caso più cautelativo, mantenendo comunque basso il rischio di stock out. I risultati ottenuti forniranno un effettivo miglioramento delle prestazioni dell’azienda e il modello verrà sfruttato in futuro per l’applicazione iterativa della soluzione descritta, con risparmio di tempo e di fondi aziendali.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.