PD controller synthesis from open-loop response measurements of rotating system

In this work, a method of computing PD stabilising gains for rotating systems is presented based on the D-decomposition technique, which requires the sole knowledge of frequency response functions. By applying this method to a rotating system with electromagnetic actuators, it is demonstrated that the stability boundary locus in the plane of feedback gains can be easily plotted, and the most suitable gains can be found to minimise the resonant peak of the system. Experimental results for a Laval rotor show the feasibility of not only controlling lateral shaft vibration and assuring stability, but also helps in predicting the final vibration level achieved by the closed-loop system. These results are obtained based solely on the input-output response information of the system as a whole.

Pervasive multimedia guidance system for special needs passengers on public transport

[EN] This article presents a practical case of a pervasive multimedia guidance system for public transport passengers. In order to provide useful information to passengers, the system is capable of operating and adapting spontaneously to the different parts of a public transport network, using local data communication technologies. The multimedia data provided by the system are highly accessible, and adapt to the passengers' preferences, and are consequently suitable for special needs passengers. To this end, a paradigm of pervasive computing has been applied.

Formalizing languages for service oriented computing

Service Oriented Computing is a new programming paradigm for addressing distributed system design issues. Services are autonomous computational entities which can be dynamically discovered and composed in order to form more complex systems able to achieve different kinds of task. E-government, e-business and e-science are some examples of the IT areas where Service Oriented Computing will be exploited in the next years. At present, the most credited Service Oriented Computing technology is that of Web Services, whose specifications are enriched day by day by industrial consortia without following a precise and rigorous approach. This PhD thesis aims, on the one hand, at modelling Service Oriented Computing in a formal way in order to precisely define the main concepts it is based upon and, on the other hand, at defining a new approach, called bipolar approach, for addressing system design issues by synergically exploiting choreography and orchestration languages related by means of a mathematical relation called conformance. Choreography allows us to describe systems of services from a global view point whereas orchestration supplies a means for addressing such an issue from a local perspective. In this work we present SOCK, a process algebra based language inspired by the Web Service orchestration language WS-BPEL which catches the essentials of Service Oriented Computing. From the definition of SOCK we will able to define a general model for dealing with Service Oriented Computing where services and systems of services are related to the design of finite state automata and process algebra concurrent systems, respectively. Furthermore, we introduce a formal language for dealing with choreography. Such a language is equipped with a formal semantics and it forms, together with a subset of the SOCK calculus, the bipolar framework. Finally, we present JOLIE which is a Java implentation of a subset of the SOCK calculus and it is part of the bipolar framework we intend to promote.

A Low Consumption Real Time Environmental Monitoring System for Smart Cities based on ZigBee Wireless Sensor Network

Nowadays, there is an increasing interest in wireless sensor networks (WSN) for environmental monitoring systems because it can be used to improve the quality of life and living conditions are becoming a major concern to people. This paper describes the design and development of a real time monitoring system based on ZigBee WSN characterized by a lower energy consumption, low cost, reduced dimensions and fast adaptation to the network tree topology. The developed system encompasses an optimized sensing process about environmental parameters, low rate transmission from sensor nodes to the gateway, packet parsing and data storing in a remote database and real time visualization through a web server.

Dynamic power management: from portable devices to high performance computing

Electronic applications are nowadays converging under the umbrella of the cloud computing vision. The future ecosystem of information and communication technology is going to integrate clouds of portable clients and embedded devices exchanging information, through the internet layer, with processing clusters of servers, data-centers and high performance computing systems. Even thus the whole society is waiting to embrace this revolution, there is a backside of the story. Portable devices require battery to work far from the power plugs and their storage capacity does not scale as the increasing power requirement does. At the other end processing clusters, such as data-centers and server farms, are build upon the integration of thousands multiprocessors. For each of them during the last decade the technology scaling has produced a dramatic increase in power density with significant spatial and temporal variability. This leads to power and temperature hot-spots, which may cause non-uniform ageing and accelerated chip failure. Nonetheless all the heat removed from the silicon translates in high cooling costs. Moreover trend in ICT carbon footprint shows that run-time power consumption of the all spectrum of devices accounts for a significant slice of entire world carbon emissions. This thesis work embrace the full ICT ecosystem and dynamic power consumption concerns by describing a set of new and promising system levels resource management techniques to reduce the power consumption and related issues for two corner cases: Mobile Devices and High Performance Computing.

Cloud Computing: analisi dei modelli architetturali e delle tecnologie per lo sviluppo di applicazioni

Uno dei temi più discussi ed interessanti nel mondo dell’informatica al giorno d’oggi è sicuramente il Cloud Computing. Nuove organizzazioni che offrono servizi di questo tipo stanno nascendo ovunque e molte aziende oggi desiderano imparare ad utilizzarli, migrando i loro centri di dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ciò sta avvenendo anche grazie alla spinta sempre più forte che stanno imprimendo le grandi compagnie nella comunità informatica: Google, Amazon, Microsoft, Apple e tante altre ancora parlano sempre più frequentemente di Cloud Computing e si stanno a loro volta ristrutturando profondamente per poter offrire servizi Cloud adeguandosi così a questo grande cambiamento che sta avvenendo nel settore dell’informatica. Tuttavia il grande movimento di energie, capitali, investimenti ed interesse che l’avvento del Cloud Computing sta causando non aiuta a comprendere in realtà che cosa esso sia, al punto tale che oggi non ne esiste ancora una definizione univoca e condivisa. La grande pressione inoltre che esso subisce da parte del mondo del mercato fa sì che molte delle sue più peculiari caratteristiche, dal punto di vista dell’ingegneria del software, vengano nascoste e soverchiate da altre sue proprietà, architetturalmente meno importanti, ma con un più grande impatto sul pubblico di potenziali clienti. L’obbiettivo che ci poniamo con questa tesi è quindi quello di esplorare il nascente mondo del Cloud Computing, cercando di comprenderne a fondo le principali caratteristiche architetturali e focalizzando l’attenzione in particolare sullo sviluppo di applicazioni in ambiente Cloud, processo che sotto alcuni aspetti si differenzia molto dallo sviluppo orientato ad ambienti più classici. La tesi è così strutturata: nel primo capitolo verrà fornita una panoramica sul Cloud Computing nella quale saranno date anche le prime definizioni e verranno esposti tutti i temi fondamentali sviluppati nei capitoli successivi. Il secondo capitolo costituisce un approfondimento su un argomento specifico, quello dei Cloud Operating System, componenti fondamentali che permettono di trasformare una qualunque infrastruttura informatica in un’infrastruttura Cloud. Essi verranno presentati anche per mezzo di molte analogie con i classici sistemi operativi desktop. Con il terzo capitolo ci si addentra più a fondo nel cuore del Cloud Computing, studiandone il livello chiamato Infrastructure as a Service tramite un esempio concreto di Cloud provider: Amazon, che fornisce i suoi servizi nel progetto Amazon Web Services. A questo punto, più volte nel corso della trattazione di vari temi saremo stati costretti ad affrontare le problematiche relative alla gestione di enormi moli di dati, che spesso sono il punto centrale di molte applicazioni Cloud. Ci è parso quindi importante approfondire questo argomento in un capitolo appositamente dedicato, il quarto, supportando anche in questo caso la trattazione teorica con un esempio concreto: BigTable, il sistema di Google per la gestione della memorizzazione di grandi quantità di dati. Dopo questo intermezzo, la trattazione procede risalendo lungo i livelli dell’architettura Cloud, ricalcando anche quella che è stata l’evoluzione temporale del Cloud Computing: nel quinto capitolo, dal livello Infrastructure as a Service si passa quindi a quello Platform as a Service, tramite lo studio dei servizi offerti da Google Cloud Platform. Il sesto capitolo costituisce invece il punto centrale della tesi, quello che ne soddisfa l’obbiettivo principale: esso contiene infatti uno studio approfondito sullo sviluppo di applicazioni orientate all’ambiente Cloud. Infine, il settimo capitolo si pone come un ponte verso possibili sviluppi futuri, analizzando quali sono i limiti principali delle tecnologie, dei modelli e dei linguaggi che oggi supportano il Cloud Computing. In esso viene proposto come possibile soluzione il modello ad attori; inoltre viene anche presentato il framework Orleans, che Microsoft sta sviluppando negli ultimi anni con lo scopo appunto di supportare lo sviluppo di applicazioni in ambiente Cloud.

Il Problema della Sicurezza nel Cloud Computing

Il termine cloud ha origine dal mondo delle telecomunicazioni quando i provider iniziarono ad utilizzare servizi basati su reti virtuali private (VPN) per la comunicazione dei dati. Il cloud computing ha a che fare con la computazione, il software, l’accesso ai dati e servizi di memorizzazione in modo tale che l’utente finale non abbia idea della posizione fisica dei dati e la configurazione del sistema in cui risiedono. Il cloud computing è un recente trend nel mondo IT che muove la computazione e i dati lontano dai desktop e dai pc portatili portandoli in larghi data centers. La definizione di cloud computing data dal NIST dice che il cloud computing è un modello che permette accesso di rete on-demand a un pool condiviso di risorse computazionali che può essere rapidamente utilizzato e rilasciato con sforzo di gestione ed interazione con il provider del servizio minimi. Con la proliferazione a larga scala di Internet nel mondo le applicazioni ora possono essere distribuite come servizi tramite Internet; come risultato, i costi complessivi di questi servizi vengono abbattuti. L’obbiettivo principale del cloud computing è utilizzare meglio risorse distribuite, combinarle assieme per raggiungere un throughput più elevato e risolvere problemi di computazione su larga scala. Le aziende che si appoggiano ai servizi cloud risparmiano su costi di infrastruttura e mantenimento di risorse computazionali poichè trasferiscono questo aspetto al provider; in questo modo le aziende si possono occupare esclusivamente del business di loro interesse. Mano a mano che il cloud computing diventa più popolare, vengono esposte preoccupazioni riguardo i problemi di sicurezza introdotti con l’utilizzo di questo nuovo modello. Le caratteristiche di questo nuovo modello di deployment differiscono ampiamente da quelle delle architetture tradizionali, e i meccanismi di sicurezza tradizionali risultano inefficienti o inutili. Il cloud computing offre molti benefici ma è anche più vulnerabile a minacce. Ci sono molte sfide e rischi nel cloud computing che aumentano la minaccia della compromissione dei dati. Queste preoccupazioni rendono le aziende restie dall’adoperare soluzioni di cloud computing, rallentandone la diffusione. Negli anni recenti molti sforzi sono andati nella ricerca sulla sicurezza degli ambienti cloud, sulla classificazione delle minacce e sull’analisi di rischio; purtroppo i problemi del cloud sono di vario livello e non esiste una soluzione univoca. Dopo aver presentato una breve introduzione sul cloud computing in generale, l’obiettivo di questo elaborato è quello di fornire una panoramica sulle vulnerabilità principali del modello cloud in base alle sue caratteristiche, per poi effettuare una analisi di rischio dal punto di vista del cliente riguardo l’utilizzo del cloud. In questo modo valutando i rischi e le opportunità un cliente deve decidere se adottare una soluzione di tipo cloud. Alla fine verrà presentato un framework che mira a risolvere un particolare problema, quello del traffico malevolo sulla rete cloud. L’elaborato è strutturato nel modo seguente: nel primo capitolo verrà data una panoramica del cloud computing, evidenziandone caratteristiche, architettura, modelli di servizio, modelli di deployment ed eventuali problemi riguardo il cloud. Nel secondo capitolo verrà data una introduzione alla sicurezza in ambito informatico per poi passare nello specifico alla sicurezza nel modello di cloud computing. Verranno considerate le vulnerabilità derivanti dalle tecnologie e dalle caratteristiche che enucleano il cloud, per poi passare ad una analisi dei rischi. I rischi sono di diversa natura, da quelli prettamente tecnologici a quelli derivanti da questioni legali o amministrative, fino a quelli non specifici al cloud ma che lo riguardano comunque. Per ogni rischio verranno elencati i beni afflitti in caso di attacco e verrà espresso un livello di rischio che va dal basso fino al molto alto. Ogni rischio dovrà essere messo in conto con le opportunità che l’aspetto da cui quel rischio nasce offre. Nell’ultimo capitolo verrà illustrato un framework per la protezione della rete interna del cloud, installando un Intrusion Detection System con pattern recognition e anomaly detection.

Una rassegna dei sistemi operativi per il Cloud Computing

L'obbiettivo che ci poniamo con questa tesi è quello di esplorare il mondo del Cloud Computing, cercando di capire le principali caratteristiche architetturali e vedere in seguito i componenti fondamentali che si occupano di trasformare una infrastruttura informatica in un'infrastruttura cloud, ovvero i Cloud Operating System.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

A robotic system to train activities of daily living in a virtual environment

In the past decade, several arm rehabilitation robots have been developed to assist neurological patients during therapy. Early devices were limited in their number of degrees of freedom and range of motion, whereas newer robots such as the ARMin robot can support the entire arm. Often, these devices are combined with virtual environments to integrate motivating game-like scenarios. Several studies have shown a positive effect of game-playing on therapy outcome by increasing motivation. In addition, we assume that practicing highly functional movements can further enhance therapy outcome by facilitating the transfer of motor abilities acquired in therapy to daily life. Therefore, we present a rehabilitation system that enables the training of activities of daily living (ADL) with the support of an assistive robot. Important ADL tasks have been identified and implemented in a virtual environment. A patient-cooperative control strategy with adaptable freedom in timing and space was developed to assist the patient during the task. The technical feasibility and usability of the system was evaluated with seven healthy subjects and three chronic stroke patients.

Design and Development of an FPGA-based Distributed Computing Processing Platform

This thesis presents two frameworks- a software framework and a hardware core manager framework- which, together, can be used to develop a processing platform using a distributed system of field-programmable gate array (FPGA) boards. The software framework providesusers with the ability to easily develop applications that exploit the processing power of FPGAs while the hardware core manager framework gives users the ability to configure and interact with multiple FPGA boards and/or hardware cores. This thesis describes the design and development of these frameworks and analyzes the performance of a system that was constructed using the frameworks. The performance analysis included measuring the effect of incorporating additional hardware components into the system and comparing the system to a software-only implementation. This work draws conclusions based on the provided results of the performance analysis and offers suggestions for future work.

Central venous pulse pressure analysis using an R-synchronized pressure measurement system

Objective. The information derived from central venous catheters is underused. We developed an EKG-R synchronization and averaging system to obtained distinct CVP waveforms and analyzed components of these. Methods. Twenty-five paralyzed surgical patients undergoing CVP monitoring under mechanical ventilation were studied. CVP and EKG signals were analyzed employing our system, the mean CVP and CVP at end-diastole during expiration were compared, and CVP waveform components were measured using this system. Results. CVP waveforms were clearly visualized in all patients. They showed the a peak to be 1.8+/- 0.7 mmHg, which was the highest of three peaks, and the x trough to be lower than the y trough (-1.6+/- 0.7mmHgand-0.9+/- 0.5mmHg, respectively), withameanpulsepressureof3.4mmHg.ThedifferencebetweenthemeanCVPandCVPatend-diastoleduringexpirationwas0.58+/- 0.81 mmHg. Conclusions. The mean CVP can be used as an index of right ventricular preload in patients under mechanical ventilation with regular sinus rhythm. Our newly developed system is useful for clinical monitoring and for education in circulatory physiology.

Memory resource balancing for virtualized computing

Virtualization has become a common abstraction layer in modern data centers. By multiplexing hardware resources into multiple virtual machines (VMs) and thus enabling several operating systems to run on the same physical platform simultaneously, it can effectively reduce power consumption and building size or improve security by isolating VMs. In a virtualized system, memory resource management plays a critical role in achieving high resource utilization and performance. Insufficient memory allocation to a VM will degrade its performance dramatically. On the contrary, over-allocation causes waste of memory resources. Meanwhile, a VM’s memory demand may vary significantly. As a result, effective memory resource management calls for a dynamic memory balancer, which, ideally, can adjust memory allocation in a timely manner for each VM based on their current memory demand and thus achieve the best memory utilization and the optimal overall performance. In order to estimate the memory demand of each VM and to arbitrate possible memory resource contention, a widely proposed approach is to construct an LRU-based miss ratio curve (MRC), which provides not only the current working set size (WSS) but also the correlation between performance and the target memory allocation size. Unfortunately, the cost of constructing an MRC is nontrivial. In this dissertation, we first present a low overhead LRU-based memory demand tracking scheme, which includes three orthogonal optimizations: AVL-based LRU organization, dynamic hot set sizing and intermittent memory tracking. Our evaluation results show that, for the whole SPEC CPU 2006 benchmark suite, after applying the three optimizing techniques, the mean overhead of MRC construction is lowered from 173% to only 2%. Based on current WSS, we then predict its trend in the near future and take different strategies for different prediction results. When there is a sufficient amount of physical memory on the host, it locally balances its memory resource for the VMs. Once the local memory resource is insufficient and the memory pressure is predicted to sustain for a sufficiently long time, a relatively expensive solution, VM live migration, is used to move one or more VMs from the hot host to other host(s). Finally, for transient memory pressure, a remote cache is used to alleviate the temporary performance penalty. Our experimental results show that this design achieves 49% center-wide speedup.

Development of a high performance parallel computing platform and its use in the study of nanostructures : clusters, sheets and tubes .

Small clusters of gallium oxide, technologically important high temperature ceramic, together with interaction of nucleic acid bases with graphene and small-diameter carbon nanotube are focus of first principles calculations in this work. A high performance parallel computing platform is also developed to perform these calculations at Michigan Tech. First principles calculations are based on density functional theory employing either local density or gradient-corrected approximation together with plane wave and gaussian basis sets. The bulk Ga2O3 is known to be a very good candidate for fabricating electronic devices that operate at high temperatures. To explore the properties of Ga2O3 at nonoscale, we have performed a systematic theoretical study on the small polyatomic gallium oxide clusters. The calculated results find that all lowest energy isomers of GamOn clusters are dominated by the Ga-O bonds over the metal-metal or the oxygen-oxygen bonds. Analysis of atomic charges suggest the clusters to be highly ionic similar to the case of bulk Ga2O3. In the study of sequential oxidation of these slusters starting from Ga2O, it is found that the most stable isomers display up to four different backbones of constituent atoms. Furthermore, the predicted configuration of the ground state of Ga2O is recently confirmed by the experimental result of Neumark's group. Guided by the results of calculations the study of gallium oxide clusters, performance related challenge of computational simulations, of producing high performance computers/platforms, has been addressed. Several engineering aspects were thoroughly studied during the design, development and implementation of the high performance parallel computing platform, rama, at Michigan Tech. In an attempt to stay true to the principles of Beowulf revolutioni, the rama cluster was extensively customized to make it easy to understand, and use - for administrators as well as end-users. Following the results of benchmark calculations and to keep up with the complexity of systems under study, rama has been expanded to a total of sixty four processors. Interest in the non-covalent intereaction of DNA with carbon nanotubes has steadily increased during past several years. This hybrid system, at the junction of the biological regime and the nanomaterials world, possesses features which make it very attractive for a wide range of applicatioins. Using the in-house computational power available, we have studied details of the interaction between nucleic acid bases with graphene sheet as well as high-curvature small-diameter carbon nanotube. The calculated trend in the binding energies strongly suggests that the polarizability of the base molecules determines the interaction strength of the nucleic acid bases with graphene. When comparing the results obtained here for physisorption on the small diameter nanotube considered with those from the study on graphene, it is observed that the interaction strength of nucleic acid bases is smaller for the tube. Thus, these results show that the effect of introducing curvature is to reduce the binding energy. The binding energies for the two extreme cases of negligible curvature (i.e. flat graphene sheet) and of very high curvature (i.e. small diameter nanotube) may be considered as upper and lower bounds. This finding represents an important step towards a better understanding of experimentally observed sequence-dependent interaction of DNA with Carbon nanotubes.

A 45nm CMOS DESIGN OF NEUROMORPHIC SYSTEM

Neuromorphic computing has become an emerging field in wide range of applications. Its challenge lies in developing a brain-inspired architecture that can emulate human brain and can work for real time applications. In this report a flexible neural architecture is presented which consists of 128 X 128 SRAM crossbar memory and 128 spiking neurons. For Neuron, digital integrate and fire model is used. All components are designed in 45nm technology node. The core can be configured for certain Neuron parameters, Axon types and synapses states and are fully digitally implemented. Learning for this architecture is done offline. To train this circuit a well-known algorithm Restricted Boltzmann Machine (RBM) is used and linear classifiers are trained at the output of RBM. Finally, circuit was tested for handwritten digit recognition application. Future prospects for this architecture are also discussed.