FPGA-based architecture for hyperspectral unmixing

This paper proposes an FPGA-based architecture for onboard hyperspectral unmixing. This method based on the Vertex Component Analysis (VCA) has several advantages, namely it is unsupervised, fully automatic, and it works without dimensionality reduction (DR) pre-processing step. The architecture has been designed for a low cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 SoC FPGA based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral datasets. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low cost embedded systems.

Parallel GPU architecture for hyperspectral unmixing based on augmented Lagrangian method

Hyperspectral imaging has become one of the main topics in remote sensing applications, which comprise hundreds of spectral bands at different (almost contiguous) wavelength channels over the same area generating large data volumes comprising several GBs per flight. This high spectral resolution can be used for object detection and for discriminate between different objects based on their spectral characteristics. One of the main problems involved in hyperspectral analysis is the presence of mixed pixels, which arise when the spacial resolution of the sensor is not able to separate spectrally distinct materials. Spectral unmixing is one of the most important task for hyperspectral data exploitation. However, the unmixing algorithms can be computationally very expensive, and even high power consuming, which compromises the use in applications under on-board constraints. In recent years, graphics processing units (GPUs) have evolved into highly parallel and programmable systems. Specifically, several hyperspectral imaging algorithms have shown to be able to benefit from this hardware taking advantage of the extremely high floating-point processing performance, compact size, huge memory bandwidth, and relatively low cost of these units, which make them appealing for onboard data processing. In this paper, we propose a parallel implementation of an augmented Lagragian based method for unsupervised hyperspectral linear unmixing on GPUs using CUDA. The method called simplex identification via split augmented Lagrangian (SISAL) aims to identify the endmembers of a scene, i.e., is able to unmix hyperspectral data sets in which the pure pixel assumption is violated. The efficient implementation of SISAL method presented in this work exploits the GPU architecture at low level, using shared memory and coalesced accesses to memory.

Lean and quality management integration: improvement program implementation in a service company

Lean Thinking is an important pillar in the success of any program of continuous improvement process. Its tools are useful means in the analysis, control and organization of important data for correct decision making in organizations. This project had as main objective the design of a program of quality improvement in Eurico Ferreira, S.A., based on the evaluation of customer satisfaction and the implementation of 5S. Subsequently, we have selected which business area of the company to address. After the selection, there was an initial diagnostic procedure, identifying the various points of improvement to which some tools of Lean Thinking have been applied, in particular Value Stream Mapping and 5S methodology. With the first, we were able to map the current state of the process in which all stakeholders were represented as well as the flow of materials and information throughout the process. The 5S methodology allowed to act on the wastage, identifying and implementing various process improvements.

The web feature service: transaction standard: an example of prototype implementation

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

Automatização de testes à framework myMIS

Atualmente, verifica-se um aumento na necessidade de software feito à medida do cliente, que se consiga adaptar de forma rápida as constantes mudanças da sua área de negócio. Cada cliente tem os seus problemas concretos que precisa de resolver, não lhe sendo muitas vezes possível dispensar uma elevada quantidade de recursos para atingir os fins pretendidos. De forma a dar resposta a estes problemas surgiram várias arquiteturas e metodologias de desenvolvimento de software, que permitem o desenvolvimento ágil de aplicações altamente configuráveis, que podem ser personalizadas por qualquer utilizador das mesmas. Este dinamismo, trazido para as aplicações sobre a forma de modelos que são personalizados pelos utilizadores e interpretados por uma plataforma genérica, cria maiores desafios no momento de realizar testes, visto existir um número de variáveis consideravelmente maior que numa aplicação com uma arquitetura tradicional. É necessário, em todos os momentos, garantir a integridade de todos os modelos, bem como da plataforma responsável pela sua interpretação, sem ser necessário o desenvolvimento constante de aplicações para suportar os testes sobre os diferentes modelos. Esta tese debruça-se sobre uma aplicação, a plataforma myMIS, que permite a interpretação de modelos orientados à gestão, escritos numa linguagem específica de domínio, sendo realizada a avaliação do estado atual e definida uma proposta de práticas de testes a aplicar no desenvolvimento da mesma. A proposta resultante desta tese permitiu verificar que, apesar das dificuldades inerentes à arquitetura da aplicação, o desenvolvimento de testes de uma forma genérica é possível, podendo as mesmas lógicas ser utilizadas para o teste de diversos modelos distintos.

Estudo e análise das redes centradas em conteúdos

A Internet, conforme a conhecemos, foi projetada com base na pilha de protocolos TCP/IP, que foi desenvolvida nos anos 60 e 70 utilizando um paradigma centrado nos endereços individuais de cada máquina (denominado host-centric). Este paradigma foi extremamente bem-sucedido em interligar máquinas através de encaminhamento baseado no endereço IP. Estudos recentes demonstram que, parte significativa do tráfego atual da Internet centra-se na transferência de conteúdos, em vez das tradicionais aplicações de rede, conforme foi originalmente concebido. Surgiram então novos modelos de comunicação, entre eles, protocolos de rede ponto-a-ponto, onde cada máquina da rede pode efetuar distribuição de conteúdo (denominadas de redes peer-to-peer), para melhorar a distribuição e a troca de conteúdos na Internet. Por conseguinte, nos últimos anos o paradigma host-centric começou a ser posto em causa e apareceu uma nova abordagem de Redes Centradas na Informação (ICN - information-centric networking). Tendo em conta que a Internet, hoje em dia, basicamente é uma rede de transferência de conteúdos e informações, porque não centrar a sua evolução neste sentido, ao invés de comunicações host-to-host? O paradigma de Rede Centrada no Conteúdo (CCN - Content Centric Networking) simplifica a solução de determinados problemas de segurança relacionados com a arquitetura TCP/IP e é uma das principais propostas da nova abordagem de Redes Centradas na Informação. Um dos principais problemas do modelo TCP/IP é a proteção do conteúdo. Atualmente, para garantirmos a autenticidade e a integridade dos dados partilhados na rede, é necessário garantir a segurança do repositório e do caminho que os dados devem percorrer até ao seu destino final. No entanto, a contínua ineficácia perante os ataques de negação de serviço praticados na Internet, sugere a necessidade de que seja a própria infraestrutura da rede a fornecer mecanismos para os mitigar. Um dos principais pilares do paradigma de comunicação da CCN é focalizar-se no próprio conteúdo e não na sua localização física. Desde o seu aparecimento em 2009 e como consequência da evolução e adaptação a sua designação mudou atualmente para Redes de Conteúdos com Nome (NNC – Named Network Content). Nesta dissertação, efetuaremos um estudo de uma visão geral da arquitetura CCN, apresentando as suas principais características, quais os componentes que a compõem e como os seus mecanismos mitigam os tradicionais problemas de comunicação e de segurança. Serão efetuadas experiências com o CCNx, que é um protótipo composto por um conjunto de funcionalidades e ferramentas, que possibilitam a implementação deste paradigma. O objetivo é analisar criticamente algumas das propostas existentes, determinar oportunidades, desafios e perspectivas para investigação futura.

Multiagent System Architecture for Short-term Operation of Integrated Microgrids

The forthcoming smart grids are comprised of integrated microgrids operating in grid-connected and isolated mode with local generation, storage and demand response (DR) programs. The proposed model is based on three successive complementary steps for power transaction in the market environment. The first step is characterized as a microgrid’s internal market; the second concerns negotiations between distinct interconnected microgrids; and finally, the third refers to the actual electricity market. The proposed approach is modeled and tested using a MAS framework directed to the study of the smart grids environment, including the simulation of electricity markets. This is achieved through the integration of the proposed approach with the MASGriP (Multi-Agent Smart Grid Platform) system.

Low cost inertial-based localization system for a service robot

Dissertation presented at Faculty of Sciences and Technology of the New University of Lisbon to attain the Master degree in Electrical and Computer Science Engineering

Customisable e-training programmes based on trainees profiles

Dissertation presented at Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa to obtain the Master degree in Electrical and Computer Engineering

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

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

An approach for automated service selection and ranking using services choreography

In today’s highly competitive market, it is critical to provide customers services with a high level of configuration to answer their business needs. Knowing in advance the performance associated with a specific choreography of services (e.g., by taking into account the expected results of each component service) represents an important asset that allows businesses to provide a global service tailored to customers’ specific requests. This research work aims at advancing the state-of-the-art in this area by proposing an approach for service selection and ranking using services choreography, predicting the behavior of the services considering customers’ requirements and preferences, business process constraints and characteristics of the execution environment.

Implementação ESB numa unidade hospitalar. Uso normalizado de mensagens HL7

Atualmente, os sistemas de informação hospitalares têm de possibilitar uma utilização diferenciada pelos diferentes intervenientes, num cenário de constante adaptação e evolução. Para tal, é essencial a interoperabilidade entre os sistemas de informação do hospital e os diversos fornecedores de serviços, assim como dispositivos hospitalares. Apesar da necessidade de suportar uma heterogeneidade entre sistemas ser fundamental, o acesso/troca de informação deve ser feito de uma forma protocolada, segura e transparente. A infraestrutura de informação médica moderna consiste em muitos sistemas heterogéneos, com diversos mecanismos para controlar os dados subjacentes. Informações relativas a um único paciente podem estar dispersas por vários sistemas (ex: transferência de pacientes, readmissão, múltiplos tratamentos, etc.). Torna-se evidente a necessidade aceder a dados do paciente de forma consolidada a partir de diferentes locais. Desta forma, é fundamental utilizar uma arquitetura que promova a interoperabilidade entre sistemas. Para conseguir esta interoperabilidade, podem-se implementar camadas de “middleware” que façam a adaptação das trocas de informação entre os sistemas. Todavia, não resolvemos o problema subjacente, ou seja, a necessidade de utilização de um standard para garantir uma interacção fiável entre cliente/fornecedor. Para tal, é proposto uma solução que passa por um ESB dedicado para a área da saúde, denominada por HSB (Healthcare Service Bus). Entre as normas mais usuais nesta área devem-se salientar o HL7 e DICOM, esta última mais especificamente para dispositivos de imagem hospitalar, sendo a primeira utilizada para gestão e trocas de informação médica entre sistemas. O caso de estudo que serviu de base a esta dissertação é o de um hospital de média dimensão cujo sistema de informação começou por ser uma solução monolítica, de um só fornecedor. Com o passar dos anos, o fornecedor único desagregou-se em vários, independentes e concorrentes, dando lugar a um cenário extremamente preocupante em termos de manutenção e evolução futura do sistema de informação existente. Como resultado do trabalho efetuado, foi proposta uma arquitetura que permite a evolução do sistema atual de forma progressiva para um HSB puro.

TEA: Timing and Energy Aware compression architecture for Efficient Configuration in CGRAs

Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) are emerging as enabling platforms to meet the high performance demanded by modern applications (e.g. 4G, CDMA, etc.). Recently proposed CGRAs offer time-multiplexing and dynamic applications parallelism to enhance device utilization and reduce energy consumption at the cost of additional memory (up to 50% area of the overall platform). To reduce the memory overheads, novel CGRAs employ either statistical compression, intermediate compact representation, or multicasting. Each compaction technique has different properties (i.e. compression ratio, decompression time and decompression energy) and is best suited for a particular class of applications. However, existing research only deals with these methods separately. Moreover, they only analyze the compaction ratio and do not evaluate the associated energy overheads. To tackle these issues, we propose a polymorphic compression architecture that interleaves these techniques in a unique platform. The proposed architecture allows each application to take advantage of a separate compression/decompression hierarchy (consisting of various types and implementations of hardware/software decoders) tailored to its needs. Simulation results, using different applications (FFT, Matrix multiplication, and WLAN), reveal that the choice of compression hierarchy has a significant impact on compression ratio (up to 52%), decompression energy (up to 4 orders of magnitude), and configuration time (from 33 n to 1.5 s) for the tested applications. Synthesis results reveal that introducing adaptivity incurs negligible additional overheads (1%) compared to the overall platform area.

Disposable immunosensor using a simple method for oriented antibody immobilization for label-free real-time detection of an oxidative stress biomarker implicated in cancer diseases

This work proposes a novel approach for a suitable orientation of antibodies (Ab) on an immunosensing platform, applied here to the determination of 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8OHdG), a biomarker of oxidative stress that has been associated to chronic diseases, such as cancer. The anti-8OHdG was bound to an amine modified gold support through its Fc region after activation of its carboxylic functions. Non-oriented approaches of Ab binding to the platform were tested in parallel, in order to show that the presented methodology favored Ab/Ag affinity and immunodetection of the antigen. The immunosensor design was evaluated by quartz-crystal microbalance with dissipation, atomic force microscopy, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square-wave voltammetry. EIS was also a suitable technique to follow the analytical behavior of the device against 8OHdG. The affinity binding between 8OHdG and the antibody immobilized in the gold modified platform increased the charge transfer resistance across the electrochemical set-up. The observed behavior was linear from 0.02 to 7.0 ng/mL of 8OHdG concentrations. The interference from glucose, urea and creatinine was found negligible. An attempt of application to synthetic samples was also successfully conducted. Overall, the presented approach enabled the production of suitably oriented Abs over a gold platform by means of a much simpler process than other oriented-Ab binding approaches described in the literature, as far as we know, and was successful in terms of analytical features and sample application.

Oriented Tailoring of Plastic Antibodies for Prostate Specific Antigen and Application of the Imprinted Material as Ionophore in Potentiometric Detection

Prostate Specific Antigen (PSA) is the biomarker of choice for screening prostate cancer throughout the population, with PSA values above 10 ng/mL pointing out a high probability of associated cancer1. According to the most recent World Health Organization (WHO) data, prostate cancer is the commonest form of cancer in men in Europe2. Early detection of prostate cancer is thus very important and is currently made by screening PSA in men over 45 years old, combined with other alterations in serum and urine parameters. PSA is a glycoprotein with a molecular mass of approximately 32 kDa consisting of one polypeptide chain, which is produced by the secretory epithelium of human prostate. Currently, the standard methods available for PSA screening are immunoassays like Enzyme-Linked Immunoabsorbent Assay (ELISA). These methods are highly sensitive and specific for the detection of PSA, but they require expensive laboratory facilities and high qualify personal resources. Other highly sensitive and specific methods for the detection of PSA have also become available and are in its majority immunobiosensors1,3-5, relying on antibodies. Less expensive methods producing quicker responses are thus needed, which may be achieved by synthesizing artificial antibodies by means of molecular imprinting techniques. These should also be coupled to simple and low cost devices, such as those of the potentiometric kind, one approach that has been proven successful6. Potentiometric sensors offer the advantage of selectivity and portability for use in point-of-care and have been widely recognized as potential analytical tools in this field. The inherent method is simple, precise, accurate and inexpensive regarding reagent consumption and equipment involved. Thus, this work proposes a new plastic antibody for PSA, designed over the surface of graphene layers extracted from graphite. Charged monomers were used to enable an oriented tailoring of the PSA rebinding sites. Uncharged monomers were used as control. These materials were used as ionophores in conventional solid-contact graphite electrodes. The obtained results showed that the imprinted materials displayed a selective response to PSA. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response, with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8X10-11 mol/L (2 ng/mL). The corresponding non-imprinted sensors showed smaller sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade. The best sensors were successfully applied to the analysis of serum samples, with percentage recoveries of 106.5% and relatives errors of 6.5%.