Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Sensor Integration for Smart Cities Using Multi-Hop Networks

Smart Cities are designed to be living systems and turn urban dwellers life more comfortable and interactive by keeping them aware of what surrounds them, while leaving a greener footprint. The Future Cities Project [1] aims to create infrastructures for research in smart cities including a vehicular network, the BusNet, and an environmental sensor platform, the Urban Sense. Vehicles within the BusNet are equipped with On Board Units (OBUs) that offer free Wi-Fi to passengers and devices near the street. The Urban Sense platform is composed by a set of Data Collection Units (DCUs) that include a set of sensors measuring environmental parameters such as air pollution, meteorology and noise. The Urban Sense platform is expanding and receptive to add new sensors to the platform. The parnership with companies like TNL were made and the need to monitor garbage street containers emerged as air pollution prevention. If refuse collection companies know prior to the refuse collection which route is the best to collect the maximum amount of garbage with the shortest path, they can reduce costs and pollution levels are lower, leaving behind a greener footprint. This dissertation work arises in the need to monitor the garbage street containers and integrate these sensors into an Urban Sense DCU. Due to the remote locations of the garbage street containers, a network extension to the vehicular network had to be created. This dissertation work also focus on the Multi-hop network designed to extend the vehicular network coverage area to the remote garbage street containers. In locations where garbage street containers have access to the vehicular network, Roadside Units (RSUs) or Access Points (APs), the Multi-hop network serves has a redundant path to send the data collected from DCUs to the Urban Sense cloud database. To plan this highly dynamic network, the Wi-Fi Planner Tool was developed. This tool allowed taking measurements on the field that led to an optimized location of the Multi-hop network nodes with the use of radio propagation models. This tool also allowed rendering a temperature-map style overlay for Google Earth [2] application. For the DCU for garbage street containers the parner company provided the access to a HUB (device that communicates with the sensor inside the garbage containers). The Future Cities use the Raspberry pi as a platform for the DCUs. To collect the data from the HUB a RS485 to RS232 converter was used at the physical level and the Modbus protocol at the application level. To determine the location and status of the vehicles whinin the vehicular network a TCP Server was developed. This application was developed for the OBUs providing the vehicle Global Positioning System (GPS) location as well as information of when the vehicle is stopped, moving, on idle or even its slope. To implement the Multi-hop network on the field some scripts were developed such as pingLED and “shark”. These scripts helped upon node deployment on the field as well as to perform all the tests on the network. Two setups were implemented on the field, an urban setup was implemented for a Multi-hop network coverage survey and a sub-urban setup was implemented to test the Multi-hop network routing protocols, Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) and Babel.

mRPL: Boosting mobility in the Internet of Things

The 6loWPAN (the light version of IPv6) and RPL (routing protocol for low-power and lossy links) protocols have become de facto standards for the Internet of Things (IoT). In this paper, we show that the two native algorithms that handle changes in network topology – the Trickle and Neighbor Discovery algorithms – behave in a reactive fashion and thus are not prepared for the dynamics inherent to nodes mobility. Many emerging and upcoming IoT application scenarios are expected to impose real-time and reliable mobile data collection, which are not compatible with the long message latency, high packet loss and high overhead exhibited by the native RPL/6loWPAN protocols. To solve this problem, we integrate a proactive hand-off mechanism (dubbed smart-HOP) within RPL, which is very simple, effective and backward compatible with the standard protocol. We show that this add-on halves the packet loss and reduces the hand-off delay dramatically to one tenth of a second, upon nodes’ mobility, with a sub-percent overhead. The smart-HOP algorithm has been implemented and integrated in the Contiki 6LoWPAN/RPL stack (source-code available on-line mrpl: smart-hop within rpl, 2014) and validated through extensive simulation and experimentation.

Sectors and routes in solid waste collection

Collecting and transporting solid waste is a constant problem for municipalities and populations in general. Waste management should take into account the preservation of the environment and the reduction of costs. The goal with this paper is to address a real-life solid waste problem. The case reveals some general and specific characteristics which are not rare, but are not widely addressed in the literature. Furthermore, new methods and models to deal with sectorization and routing are introduced, which can be extended to other applications. Sectorization and routing are tackled following a two-phase approach. In the first phase, a new method is described for sectorization based on electromagnetism and Coulomb’s Law. The second phase addresses the routing problems in each sector. The paper addresses not only territorial division, but also the frequency with which waste is collected, which is a critical issue in these types of applications. Special characteristics related to the number and type of deposition points were also a motivation for this work. A new model for a Mixed Capacitated Arc Routing Problem with Limited Multi-Landfills is proposed and tested in real instances. The computational results achieved confirm the effectiveness of the entire approach.

Sectorization: measures and an electromagnetism based approach

Sectorization means dividing a set of basic units into sectors or parts, a procedure that occurs in several contexts, such as political, health and school districting, social networks and sales territory or airspace assignment, to achieve some goal or to facilitate an activity. This presentation will focus on three main issues: Measures, a new approach to sectorization problems and an application in waste collection. When designing or comparing sectors different characteristics are usually taken into account. Some are commonly used, and they are related to the concepts of contiguity, equilibrium and compactness. These fundamental characteristics will be addressed, by defining new generic measures and by proposing a new measure, desirability, connected with the idea of preference. A new approach to sectorization inspired in Coulomb’s Law, which establishes a relation of force between electrically charged points, will be proposed. A charged point represents a small region with specific characteristics/values creating relations of attraction/repulsion with the others (two by two), proportional to the charges and inversely proportional to their distance. Finally, a real case about sectorization and vehicle routing in solid waste collection will be mentioned.

Electromagnetism based approach to Sector design in Waste Collection

For efficient planning of waste collection routing, large municipalities may be partitioned into convenient sectors. The real case under consideration is the municipality of Monção, in Portugal. Waste collection involves more than 1600 containers over an area of 220 km2 and a population of around 20,000 inhabitants. This is mostly a rural area where the population is distributed in small villages around the 33 boroughs centres (freguesia) that constitute the municipality. In most freguesias, waste collection is usually conducted 3 times a week. However, there are situations in which the same collection is done every day. The case reveals some general and specific characteristics which are not rare, but are not widely addressed in the literature. Furthermore, new methods and models to deal with sectorization and routing are introduced, which can be extended to other applications. Sectorization and routing are tackled following a three-phase approach. The first phase, which is the main concern of the presentation, introduces a new method for sectorization inspired by Electromagnetism and Coulomb’s Law. The matter is not only about territorial division, but also the frequency of waste collection, which is a critical issue in these types of applications. Special characteristics related to the number and type of deposition points were also a motivation for this work. The second phase addresses the routing problems in each sector: new Mixed Capacitated Arc Routing with Limited Multi-Landfills models will be presented. The last phase integrates Sectoring and Routing. Computational results confirm the effectiveness of the entire novel approach.

Cutting path as a rural postman problem

The Rural Postman Problem (RPP) is a particular Arc Routing Problem (ARP) which consists of determining a minimum cost circuit on a graph so that a given subset of required edges is traversed. The RPP is an NP-hard problem with significant real-life applications. This paper introduces an original approach based on Memetic Algorithms - the MARP algorithm - to solve the RPP and, also deals with an interesting Industrial Application, which focuses on the path optimization for component cutting operations. Memetic Algorithms are a class of Metaheuristics which may be seen as a population strategy that involves cooperation and competition processes between population elements and integrates “social knowledge”, using a local search procedure. The MARP algorithm is tested with different groups of instances and the results are compared with those gathered from other publications. MARP is also used in the context of various real-life applications.

Recolha de resíduos sólidos urbanos - otimização de rotas

Este trabalho dá a conhecer um novo problema, Problema Capacitado de Rotas em Arcos Misto, com Múltiplos Aterros Limitados. Baseado na situação de recolha/transporte de Resíduos Sólidos Urbanos no concelho de Monção, são apresentadas características que, não sendo únicas em Portugal, nunca foram mencionadas na literatura. Diferencia-se pela existência de diversos pontos de deposição que, especialmente devido às reduzidas dimensões, apresentam restrições relacionadas com o número de visitas recebidas por dia. Um novo modelo de otimização, baseado na formulação do Mixed Ca- pacitated Arc Routing Problem é apresentado. São incluídos resultados computacionais provenientes de instâncias adaptadas da literatura e do problema real descrito.

Heuristics and policies for online pickup and delivery problems

Master Thesis

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.

Microtheories for SDI - Accounting for diversity of local conceptualisations at a global level

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Sistema de Informação Geográfica aplicado ao transporte de reclusos

Trabalho de Projeto apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

UJI Navigation Network, Development of a pedestrian spatial network within the University Jaume I of Castellón (Spain)

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

An agent based architecture for material handling systems

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores