Real time optimization (RTO) with model predictive control (MPC)

This paper studies a simplified methodology to integrate the real time optimization (RTO) of a continuous system into the model predictive controller in the one layer strategy. The gradient of the economic objective function is included in the cost function of the controller. Optimal conditions of the process at steady state are searched through the use of a rigorous non-linear process model, while the trajectory to be followed is predicted with the use of a linear dynamic model, obtained through a plant step test. The main advantage of the proposed strategy is that the resulting control/optimization problem can still be solved with a quadratic programming routine at each sampling step. Simulation results show that the approach proposed may be comparable to the strategy that solves the full economic optimization problem inside the MPC controller where the resulting control problem becomes a non-linear programming problem with a much higher computer load. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Real-time detection of pneumothorax using electrical impedance tomogyaphy

Objectives: Pneumothorax is a frequent complication during mechanical ventilation. Electrical impedance tomography (EIT) is a noninvasive tool that allows real-time imaging of regional ventilation. The purpose of this study was to 1) identify characteristic changes in the EIT signals associated with pneumothoraces; 2) develop and fine-tune an algorithm for their automatic detection; and 3) prospectively evaluate this algorithm for its sensitivity and specificity in detecting pneumothoraces in real time. Design: Prospective controlled laboratory animal investigation. Setting: Experimental Pulmonology Laboratory of the University of Sao Paulo. Subjects: Thirty-nine anesthetized mechanically ventilated supine pigs (31.0 +/- 3.2 kg, mean +/- SD). Interventions. In a first group of 18 animals monitored by EIT, we either injected progressive amounts of air (from 20 to 500 mL) through chest tubes or applied large positive end-expiratory pressure (PEEP) increments to simulate extreme lung overdistension. This first data set was used to calibrate an EIT-based pneumothorax detection algorithm. Subsequently, we evaluated the real-time performance of the detection algorithm in 21 additional animals (with normal or preinjured lungs), submitted to multiple ventilatory interventions or traumatic punctures of the lung. Measurements and Main Results: Primary EIT relative images were acquired online (50 images/sec) and processed according to a few imaging-analysis routines running automatically and in parallel. Pneumothoraces as small as 20 mL could be detected with a sensitivity of 100% and specificity 95% and could be easily distinguished from parenchymal overdistension induced by PEEP or recruiting maneuvers, Their location was correctly identified in all cases, with a total delay of only three respiratory cycles. Conclusions. We created an EIT-based algorithm capable of detecting early signs of pneumothoraces in high-risk situations, which also identifies its location. It requires that the pneumothorax occurs or enlarges at least minimally during the monitoring period. Such detection was operator-free and in quasi real-time, opening opportunities for improving patient safety during mechanical ventilation.

Quartz Crystal Microbalance monitoring the real-time binding of lectin with carbohydrate with high and low molecular mass

Quartz Crystal Microbalance (QCM) was used to monitor the mass changes on a quartz crystal surface containing immobilized lectins that interacted with carbohydrates. The strategy for lectin immobilization was developed on the basis of a multilayer system composed of Au-cystamine-glutaraldehyde-lectin. Each step of the immobilization procedure was confirmed by FTIR analysis. The system was used to study the interactions of Concanavalin A (ConA) with maltose and Jacalin with Fetuin. The real-time binding of different concentrations of carbohydrate to the immobilized lectin was monitored by means of QCM measurements and the data obtained allowed for the construction of Langmuir isotherm curves. The association constants determined for the specific interactions analyzed here were (6.4 +/- 0.2) X 10(4) M-1 for Jacalin-Fetuin and (4.5 +/- 0.1) x 10(2) M-1 for ConA-maltose. These results indicate that the QCM constitutes a suitable method for the analysis of lectin-carbohydrate interactions, even when assaying low molecular mass ligands such as disaccharides. Published by Elsevier B.V.

Reasoning about real-time repetitions: terminating and nonterminating

It is common for a real-time system to contain a nonterminating process monitoring an input and controlling an output. Hence, a real-time program development method needs to support nonterminating repetitions. In this paper we develop a general proof rule for reasoning about possibly nonterminating repetitions. The rule makes use of a Floyd-Hoare-style loop invariant that is maintained by each iteration of the repetition, a Jones-style relation between the pre- and post-states on each iteration, and a deadline specifying an upper bound on the starting time of each iteration. The general rule is proved correct with respect to a predicative semantics. In the case of a terminating repetition the rule reduces to the standard rule extended to handle real time. Other special cases include repetitions whose bodies are guaranteed to terminate, nonterminating repetitions with the constant true as a guard, and repetitions whose termination is guaranteed by the inclusion of a fixed deadline. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Real-time hand tracking for rehabilitation and character animation

Hand and finger tracking has a major importance in healthcare, for rehabilitation of hand function required due to a neurological disorder, and in virtual environment applications, like characters animation for on-line games or movies. Current solutions consist mostly of motion tracking gloves with embedded resistive bend sensors that most often suffer from signal drift, sensor saturation, sensor displacement and complex calibration procedures. More advanced solutions provide better tracking stability, but at the expense of a higher cost. The proposed solution aims to provide the required precision, stability and feasibility through the combination of eleven inertial measurements units (IMUs). Each unit captures the spatial orientation of the attached body. To fully capture the hand movement, each finger encompasses two units (at the proximal and distal phalanges), plus one unit at the back of the hand. The proposed glove was validated in two distinct steps: a) evaluation of the sensors’ accuracy and stability over time; b) evaluation of the bending trajectories during usual finger flexion tasks based on the intra-class correlation coefficient (ICC). Results revealed that the glove was sensitive mainly to magnetic field distortions and sensors tuning. The inclusion of a hard and soft iron correction algorithm and accelerometer and gyro drift and temperature compensation methods provided increased stability and precision. Finger trajectories evaluation yielded high ICC values with an overall reliability within application’s satisfying limits. The developed low cost system provides a straightforward calibration and usability, qualifying the device for hand and finger tracking in healthcare and animation industries.

A real time pricing approach to deal with excessive wind power situations

The introduction of wind power generation in several countries around the world, including in European countries, where energy policy directives have encouraged the use of renewables, led to several changes in market and power systems operation. The intensive integration of these sources has led to situations in which the demand is lower than the available renewable resources. In these situations a part of the available generation is wasted if not used for storage or to supply additional demand. This paper proposes a real time demand response methodology based on changing the electricity price for the consumers expecting an increase in the demand in the periods in which that demand is lower than the available renewable generation. The consumers response to the changes in electricity price is characterized by their price elasticity of demand considered distinct for each consumer type. The proposed methodology is applied to the Portuguese power system, in the context of the Iberian electricity market (MIBEL). The renewable-based producers are considered as special producers, with special tariffs, and so it is important to use the energy available as it will be paid anyway. In this context, consumers are entities actively participating in the operation of the market.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Virtual power players dealing with excessive wind power situations using real time pricing

The increasing importance given by environmental policies to the dissemination and use of wind power has led to its fast and large integration in power systems. In most cases, this integration has been done in an intensive way, causing several impacts and challenges in current and future power systems operation and planning. One of these challenges is dealing with the system conditions in which the available wind power is higher than the system demand. This is one of the possible applications of demand response, which is a very promising resource in the context of competitive environments that integrates even more amounts of distributed energy resources, as well as new players. The methodology proposed aims the maximization of the social welfare in a smart grid operated by a virtual power player that manages the available energy resources. When facing excessive wind power generation availability, real time pricing is applied in order to induce the increase of consumption so that wind curtailment is minimized. The proposed method is especially useful when actual and day-ahead wind forecast differ significantly. The proposed method has been computationally implemented in GAMS optimization tool and its application is illustrated in this paper using a real 937-bus distribution network with 20310 consumers and 548 distributed generators, some of them with must take contracts.

LMP triggered real time demand response events

Recent changes in power systems mainly due to the substantial increase of distributed generation and to the operation in competitive environments has created new challenges to operation and planning. In this context, Virtual Power Players (VPP) can aggregate a diversity of players, namely generators and consumers, and a diversity of energy resources, including electricity generation based on several technologies, storage and demand response. Demand response market implementation has been done in recent years. Several implementation models have been considered. An important characteristic of a demand response program is the trigger criterion. A program for which the event trigger depends on the Locational Marginal Price (LMP) used by the New England Independent System operator (ISO-NE) inspired the present paper. This paper proposes a methodology to support VPP demand response programs management. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated using a 32 bus network with intensive use of distributed generation. Results concerning the evaluation of the impact of using demand response events are also presented.

Real-time rheology of actively growing bacteria

The population growth of a Staphylococcus aureus culture, an active colloidal system of spherical cells, was followed by rheological measurements, under steady-state and oscillatory shear flows. We observed a rich viscoelastic behavior as a consequence of the bacteria activity, namely, of their multiplication and density-dependent aggregation properties. In the early stages of growth (lag and exponential phases), the viscosity increases by about a factor of 20, presenting several drops and full recoveries. This allows us to evoke the existence of a percolation phenomenon. Remarkably, as the bacteria reach their late phase of development, in which the population stabilizes, the viscosity returns close to its initial value. Most probably, this is caused by a change in the bacteria physiological activity and in particular, by the decrease of their adhesion properties. The viscous and elastic moduli exhibit power-law behaviors compatible with the "soft glassy materials" model, whose exponents are dependent on the bacteria growth stage. DOI: 10.1103/PhysRevE.87.030701.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

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.