An advanced real-time predictive maintenance framework for large scale machine systems

This thesis introduces and develops a novel real-time predictive maintenance system to estimate the machine system parameters using the motion current signature. Recently, motion current signature analysis has been addressed as an alternative to the use of sensors for monitoring internal faults of a motor. A maintenance system based upon the analysis of motion current signature avoids the need for the implementation and maintenance of expensive motion sensing technology. By developing nonlinear dynamical analysis for motion current signature, the research described in this thesis implements a novel real-time predictive maintenance system for current and future manufacturing machine systems. A crucial concept underpinning this project is that the motion current signature contains infor­mation relating to the machine system parameters and that this information can be extracted using nonlinear mapping techniques, such as neural networks. Towards this end, a proof of con­cept procedure is performed, which substantiates this concept. A simulation model, TuneLearn, is developed to simulate the large amount of training data required by the neural network ap­proach. Statistical validation and verification of the model is performed to ascertain confidence in the simulated motion current signature. Validation experiment concludes that, although, the simulation model generates a good macro-dynamical mapping of the motion current signature, it fails to accurately map the micro-dynamical structure due to the lack of knowledge regarding performance of higher order and nonlinear factors, such as backlash and compliance. Failure of the simulation model to determine the micro-dynamical structure suggests the pres­ence of nonlinearity in the motion current signature. This motivated us to perform surrogate data testing for nonlinearity in the motion current signature. Results confirm the presence of nonlinearity in the motion current signature, thereby, motivating the use of nonlinear tech­niques for further analysis. Outcomes of the experiment show that nonlinear noise reduction combined with the linear reverse algorithm offers precise machine system parameter estimation using the motion current signature for the implementation of the real-time predictive maintenance system. Finally, a linear reverse algorithm, BJEST, is developed and applied to the motion current signature to estimate the machine system parameters.

Development of hardware in the loop real-time control techniques for hybrid power systems involving distributed demands and sustainable energy sources

The future power grid will effectively utilize renewable energy resources and distributed generation to respond to energy demand while incorporating information technology and communication infrastructure for their optimum operation. This dissertation contributes to the development of real-time techniques, for wide-area monitoring and secure real-time control and operation of hybrid power systems. ^ To handle the increased level of real-time data exchange, this dissertation develops a supervisory control and data acquisition (SCADA) system that is equipped with a state estimation scheme from the real-time data. This system is verified on a specially developed laboratory-based test bed facility, as a hardware and software platform, to emulate the actual scenarios of a real hybrid power system with the highest level of similarities and capabilities to practical utility systems. It includes phasor measurements at hundreds of measurement points on the system. These measurements were obtained from especially developed laboratory based Phasor Measurement Unit (PMU) that is utilized in addition to existing commercially based PMU’s. The developed PMU was used in conjunction with the interconnected system along with the commercial PMU’s. The tested studies included a new technique for detecting the partially islanded micro grids in addition to several real-time techniques for synchronization and parameter identifications of hybrid systems. ^ Moreover, due to numerous integration of renewable energy resources through DC microgrids, this dissertation performs several practical cases for improvement of interoperability of such systems. Moreover, increased number of small and dispersed generating stations and their need to connect fast and properly into the AC grids, urged this work to explore the challenges that arise in synchronization of generators to the grid and through introduction of a Dynamic Brake system to improve the process of connecting distributed generators to the power grid.^ Real time operation and control requires data communication security. A research effort in this dissertation was developed based on Trusted Sensing Base (TSB) process for data communication security. The innovative TSB approach improves the security aspect of the power grid as a cyber-physical system. It is based on available GPS synchronization technology and provides protection against confidentiality attacks in critical power system infrastructures. ^

Supporting the Model-Driven Development of Real-time Embedded Systems with Run-Time Monitoring and Animation via Highly Customizable Code Generation

This paper presents a vision that allows the combined use of model-driven engineering, run-time monitoring, and animation for the development and analysis of components in real-time embedded systems. Key building block in the tool environment supporting this vision is a highly-customizable code generation process. Customization is performed via a configuration specification which describes the ways in which input is provided to the component, the ways in which run-time execution information can be observed, and how these observations drive animation tools. The environment is envisioned to be suitable for different activities ranging from quality assurance to supporting certification, teaching, and outreach and will be built exclusively with open source tools to increase impact. A preliminary prototype implementation is described.

Real-time load-side control of electric power systems

Two trends are emerging from modern electric power systems: the growth of renewable (e.g., solar and wind) generation, and the integration of information technologies and advanced power electronics. The former introduces large, rapid, and random fluctuations in power supply, demand, frequency, and voltage, which become a major challenge for real-time operation of power systems. The latter creates a tremendous number of controllable intelligent endpoints such as smart buildings and appliances, electric vehicles, energy storage devices, and power electronic devices that can sense, compute, communicate, and actuate. Most of these endpoints are distributed on the load side of power systems, in contrast to traditional control resources such as centralized bulk generators. This thesis focuses on controlling power systems in real time, using these load side resources. Specifically, it studies two problems.

(1) Distributed load-side frequency control: We establish a mathematical framework to design distributed frequency control algorithms for flexible electric loads. In this framework, we formulate a category of optimization problems, called optimal load control (OLC), to incorporate the goals of frequency control, such as balancing power supply and demand, restoring frequency to its nominal value, restoring inter-area power flows, etc., in a way that minimizes total disutility for the loads to participate in frequency control by deviating from their nominal power usage. By exploiting distributed algorithms to solve OLC and analyzing convergence of these algorithms, we design distributed load-side controllers and prove stability of closed-loop power systems governed by these controllers. This general framework is adapted and applied to different types of power systems described by different models, or to achieve different levels of control goals under different operation scenarios. We first consider a dynamically coherent power system which can be equivalently modeled with a single synchronous machine. We then extend our framework to a multi-machine power network, where we consider primary and secondary frequency controls, linear and nonlinear power flow models, and the interactions between generator dynamics and load control.

(2) Two-timescale voltage control: The voltage of a power distribution system must be maintained closely around its nominal value in real time, even in the presence of highly volatile power supply or demand. For this purpose, we jointly control two types of reactive power sources: a capacitor operating at a slow timescale, and a power electronic device, such as a smart inverter or a D-STATCOM, operating at a fast timescale. Their control actions are solved from optimal power flow problems at two timescales. Specifically, the slow-timescale problem is a chance-constrained optimization, which minimizes power loss and regulates the voltage at the current time instant while limiting the probability of future voltage violations due to stochastic changes in power supply or demand. This control framework forms the basis of an optimal sizing problem, which determines the installation capacities of the control devices by minimizing the sum of power loss and capital cost. We develop computationally efficient heuristics to solve the optimal sizing problem and implement real-time control. Numerical experiments show that the proposed sizing and control schemes significantly improve the reliability of voltage control with a moderate increase in cost.

Real-Time Voltage Regulation in Power Distribution System Using Fuzzy Control

Two different fuzzy approaches to voltage control in electric power distribution systems are introduced in this paper. The real-time controller in each case would act on power transformers equipped with under-load tap changers. Learning systems are employed to turn the voltage-control relays into adaptive devices. The scope of this study has been limited to the power distribution substation, and the voltage measurements and control actions are carried out on the secondary bus. The capacity of fuzzy systems to handle approximate data, together with their unique ability to interpret qualitative information, make it possible to design voltage-control strategies that satisfy the requirements of the Brazilian regulatory bodies and the real concerns of the electric power distribution companies. Fuzzy control systems based on these two strategies have been implemented and the test results were highly satisfactory.

Structuring real-time Object-Z specifications

This paper presents a means of structuring specifications in real-time Object-Z: an integration of Object-Z with the timed refinement calculus. Incremental modification of classes using inheritance and composition of classes to form multi-component systems are examined. Two approaches to the latter are considered: using Object-Z's notion of object instantiation and introducing a parallel composition operator similar to those found in process algebras. The parallel composition operator approach is both more concise and allows more general modelling of concurrency. Its incorporation into the existing semantics of real-time Object-Z is presented.

Standard Values for Real-Time Transthoracic Three-Dimensional Echocardiographic Dyssynchrony Indexes in a Normal Population

Background: There is a paucity of information describing the real-time 3-dimensional echocardiography (RT3DE) and dyssynchrony indexes (DIs) of a normal population. We evaluate the RT3DE DIs in a population with normal electrocardiograms and 2- and 3-dimensional echocardiographic analyses. This information is relevant for cardiac resynchronization therapy. Methods: We evaluated 131 healthy volunteers (73 were male, aged 46 +/- 14 years) who were referred for routine echocardiography; who presented normal cardiac structure on electrocardiography, 2-dimensional echocardiography, and RT3DE; and who had no history of cardiac diseases. We analyzed 3-dimensional left ventricular ejection fraction, left ventricle end-diastolic volume, left ventricle end-systolic volume, and left ventricular systolic DI% (6-, 12-, and 16-segment models). RT3DE data were analyzed by quantifying the statistical distribution (mean, median, standard deviation [SD], relative SD, coefficient of skewness, coefficient of kurtosis, Kolmogorov-Smirnov test, D`Agostino-Pearson test, percentiles, and 95% confidence interval). Results: Left ventricular ejection fraction ranged from 50% to 80% (66.1% +/- 7.1%); left ventricle end-diastolic volume ranged from 39.8 to 145 mL (79.1 +/- 24.9 mL); left ventricle end-systolic volume ranged from 12.9 to 66 mL (27 +/- 12.1 mL); 6-segment DI% ranged from 0.20% to 3.80% (1.21% +/- 0.66%), median: 1.06, relative SD: 0.5482, coefficient of skewness: 1.2620 (P < .0001), coefficient of Kurtosis: 1.9956 (P = .0039); percentile 2.5%: 0.2900, percentile 97.5%: 2.8300; 12-segment DI% ranged from 0.22% to 4.01% (1.29% +/- 0.71%), median: 1.14, relative SD: 0.95, coefficient of skewness: 1.1089 (P < .0001), coefficient of Kurtosis: 1.6372 (P = .0100), percentile 2.5%: 0.2850, percentile 97.5%: 3.0700; and 16-segment DI% ranged from 0.29% to 4.88% (1.59 +/- 0.99), median: 1.39, relative SD: 0.56, coefficient of skewness: 1.0792 (P < .0001), coefficient of Kurtosis: 0.9248 (P = .07), percentile 2.5%: 0.3750, percentile 97.5%: 3.750. Conclusion: This study allows for the quantification of RT3DE DIs in normal subjects, providing a comparison for patients with heart failure who may be candidates for cardiac resynchronization therapy. (J Am Soc Echocardiogr 2008; 21: 1229-1235)

Optimized near real-time remote device tracking and monitoring system

Os serviços baseados em localização vieram dar um novo alento à criatividade dos programadores de aplicações móveis. A vulgarização de dispositivos com capacidades de localização integradas deu origem ao desenvolvimento de aplicações que gerem e apresentam informação baseada na posição do utilizador. Desde então, o mercado móvel tem assistido ao aparecimento de novas categorias de aplicações que tiram proveito desta capacidade. Entre elas, destaca-se a monitorização remota de dispositivos, que tem vindo a assumir uma importância crescente, tanto no sector particular como no sector empresarial. Esta dissertação começa por apresentar o estado da arte sobre os diferentes sistemas de posicionamento, categorizados pela sua eficácia em ambientes internos ou externos, assim como diferentes protocolos de comunicação em tempo quase-real. É também feita uma análise ao estado actual do mercado móvel. Actualmente o mercado possui diferentes plataformas móveis com características únicas que as fazem rivalizar entre si, com vista a expandirem a sua quota de mercado. É por isso elaborado um breve estudo sobre os sistemas operativos móveis mais relevantes da actualidade. É igualmente feita uma abordagem mais profunda à arquitectura da plataforma móvel da Apple - o iOS – que serviu de base ao desenvolvimento de uma solução optimizada para localização e monitorização de dispositivos móveis. A monitorização implica uma utilização intensiva de recursos energéticos e de largura de banda que os dispositivos móveis da actualidade não estão aptos a suportar. Dado o grande consumo energético do GPS face à precária autonomia destes dispositivos, é apresentado um estudo em que se expõem soluções que permitem gerir de forma optimizada a utilização do GPS. O elevado custo dos planos de dados facultados pelas operadoras móveis é também considerado, pelo que são exploradas soluções que visam minimizar a utilização de largura de banda. Deste trabalho, nasce a aplicação EyeGotcha, que para além de permitir localizar outros utilizadores de dispositivos móveis de forma optimizada, permite também monitorizar as suas acções baseando-se num conjunto de regras pré-definidas. Estas acções são reportadas às entidades monitoras, de modo automatizado e sob a forma de alertas. Visionando-se a comercialização da aplicação, é portanto apresentado um modelo de negócio que permite obter receitas capazes de cobrirem os custos de manutenção de serviços, aos quais o funcionamento da aplicação móvel está subjugado.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

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.

Run-time monitoring in real-time operating systems

Embedded systems are increasingly complex and dynamic, imposing progressively higher developing time and costs. Tuning a particular system for deployment is thus becoming more demanding. Furthermore when considering systems which have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to external applications, and a runtime monitoring mechanism must be available. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Capacity sharing and stealing in serverbased real-time systems

A dynamic scheduler that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers is proposed. Overloads are handled by an efficient reclaiming of residual capacities originated by early completions as well as by allowing reserved capacity stealing of non-guaranteed bandwidth servers. The proposed dynamic budget accounting mechanism ensures that at a particular time the currently executing server is using a residual capacity, its own capacity or is stealing some reserved capacity, eliminating the need of additional server states or unbounded queues. The server to which the budget accounting is going to be performed is dynamically determined at the time instant when a capacity is needed. This paper describes and evaluates the proposed scheduling algorithm, showing that it can efficiently reduce the mean tardiness of periodic jobs. The achieved results become even more significant when tasks’ computation times have a large variance.

Designing real-time systems based on mono-master Profibus-DP networks

Profibus networks are widely used as the communication infrastructure for supporting distributed computer-controlled applications. Most of the times, these applications impose strict real-time requirements. Profibus-DP has gradually become the preferred Profibus application profile. It is usually implemented as a mono-master Profibus network, and is optimised for speed and efficiency. The aim of this paper is to analyse the real-time behaviour of this class of Profibus networks. Importantly, we develop a new methodology for evaluating the worst-case message response time in systems where high-priority and cyclic low-priority Profibus traffic coexist. The proposed analysis constitutes a powerful tool to guarantee prior to runtime the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system based on a Profibus network, where the realtime traffic is supported either by high-priority or by cyclic poll Profibus messages.