Concurrent abstract state machines

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Suporte de comunicações tempo-real flexíveis em sistemas distribuidos

Doutoramento em Engenharia ElectrónicaDistributed computer-control systems (DCCS) are widely disseminated, appearing in applications ranging from automated process and manufacturing control to automotive, avionics and robotics. Many of these applications comprise real-time activities, that is, activities that must be performed within strict time bounds. Due to its distributed nature, these systems comprise multiple autonomous processing units that, despite being autonomous, need to exchange data in order to achieve control over the environment. For this reason the data exchange among different nodes is also subject to real-time constraints, and thus the communication subsystem must be able to deliver data within specific time bounds. Many DCCS applications are complex and heterogeneous, comprising different sets of activities with different properties and requirements. For instance, they commonly include periodic activities, e.g. resulting from closed loop control, and sporadic activities resulting from events that occur at unpredictable instants in time in the environment under control. These types of activities can have distinct levels of criticalness and timeliness requirements, independently of their activation nature. On the other hand, flexibility is becoming increasingly important in DCCS, due both to the need of reducing the costs of set-up, configuration changes and maintenance, and also to the recent use of DCCS in new types of applications, such as agile manufacturing, real-time databases with variable number of clients, automotive, mobile robotics in unstructured environments and automatic traffic control systems, that must deal with environments that are inherently dynamic. To cope with such high degree of complexity and dynamism, distributed real-time systems must support both time and event-triggered communication services under timing constraints and, at the same time, they must be operationally flexible, supporting on-the-flv changes to the computational activities they execute. Concerning specifically the communication subsystem, existing real-time protocols do not generally fulfill these requirements. In systems eminently time-triggered, event-triggered services are either non-existing or handled inefficiently, while in systems eminently event-triggered, interesting properties of time-triggered services are normally lost. On the other hand, flexibility and timeliness are often considered as conflicting: systems that provide timeliness guarantees are based on a static configuration of the communication activities while systems that support dynamic changes to the communication activities do not provide timeliness guarantees. The communication paradigm herein presented, the Flexible Time-Triggered communication (FTT) paradigm, centralizes the communication requirements and scheduling of synchronous traffic in a single node and uses a master/multi-slave schedule distribution technique that requires low overhead and is independent of the particular scheduling algorithm employed. This architecture facilitates the implementation of on-line scheduling, which supports dynamic changes to the message set properties, and the implementation of on-line admission control, which permits to ensure that changes to the message set are only accepted if the timeliness requirements are all met. In some application domains DCCS are also facing a trend towards higher flexibility in order to support on-line Qualitv-of-Service (QoS) management. This feature is generally useful to increase the efficiency in the utilization of system resources since typically there is a direct relationship between resource utilization and delivered QoS. On-line QoS management requires a high level of flexibility, and thus this dissertation also describes how the FTT communication paradigm can support such type of services. This dissertation presents the FTT paradigm and argues that this paradigm allows to combine in the same communication system different types of traffic, with the ability to change their properties and the respective scheduling policy at run-time, without relinquishing predictability guarantees and achieving efficient use of network bandwidth. The FTT paradigm presented in this thesis has its roots in the FTT-CAN protocol. After some work performed over the FTT-CAN protocol, it was realized that the main concepts could be abstracted and used to build a generic communication paradigm, which could be implemented in distinct communication networks. To assess the performance of the FTT paradigm, this dissertation includes some contributions to the FTT-CAN protocol, mainly in what concerns scheduling and response-time analysis. Moreover, it also presents an implementation over Ethernet (FTT-Ethernet), which aims at more resource demanding applications, supporting for instance multimedia activities. For this reason, in the scope of the FTT-Ethernet protocol most of the work presented is related to on-line QoS management.Os sistemas distribuídos controlados por computador (Distributed Computer-Contrai Systems / DCCS) encontram-se largamente disseminados, cobrindo aplicações que vão desde automação e controlo de processos industriais à aviónica, robótica e controlo automóvel. Muitas destas aplicações incluem actividades com características de tempo-real, i.e., actividades que tem de ser executadas durante janelas temporais bem definidas. Pela sua natureza distribuída, estes sistemas compreendem múltiplas unidades de processamento as quais, apesar de autónomas, necessitam de comunicar entre si para assegurar o controlo global do sistema. Assim, a troca de dados entre nodos encontra-se também sujeita a restrições temporais, donde o sistema de comunicação tem de garantir que esta ocorre de acordo com as restrições temporais requeridas pela aplicação. Muitas aplicações de DCCS são complexas e heterogéneas, incluindo diferentes conjuntos de actividades, as quais exibem diferentes propriedades e requisitos. Por exemplo, encontram-se frequentemente actividades periódicas, resultando por exemplo de controladores operando cm malha fechada, c actividades esporádicas resultantes de eventos que ocorrem cm instantes imprevisíveis no ambiente a controlar. Todavia, a importância c tipos de requisitos temporais destas actividades são independentes da natureza da sua activação. Por outro lado, cm sistemas DCCS a flexibilidade tem vindo a crescer de importância, em resultado quer da necessidade de reduzir custos de instalação, configuração c manutenção, quer do uso deste tipo de sistemas cm aplicações emergentes, como manufactura ágil (flexible manufacturing), bases de dados de temporal com número variável de clientes, robótica móvel cm ambientes não estruturados c controlo automático de tráfego, que tem de lidar com ambientes que são inerentemente dinâmicos. Aplicações exibindo este grau de complexidade c dinamismo requerem sistemas suportando serviços activados quer pela passagem do tempo {time-triggered ) quer por eventos (event-triggered) com garantias temporais c ao mesmo tempo exibindo flexibilidade operacional, suportando alterações dinâmicas às características das actividades que compreendem. No que respeita especificamente ao sistema de comunicação, os protocolos existentes genericamente não preenchem estes requi¬sitos. Em sistemas eminentemente tiine.-trigge.red, os serviços eve.nt-trigge.red não existem ou são implementados de uma forma ineficiente, enquanto cm sistemas eminentemente eve.nt-trigge.red algumas das propriedades mais interessantes exibidas pelos sis¬temas time.-trigge.red são perdidas. Por outro lado flexibilidade c garantias temporais tem sido consideradas como propriedades conflituosas; sistemas que providenciam serviços com garantias temporais frequentemente requerem a especificação estática dos requisitos de comunicação, enquanto sistemas que suportam alte¬rações dinâmicas aos requisitos de comunicação usualmente não fornecem garantias temporais. O paradigma de comunicação apresentado nesta tese, denomi¬nado Flexible Time-Triggered communication (FTT), concentra os requisitos de comunicação e o escalonamento de tráfego num único nodo c utiliza uma técnica para distribuição do escalona¬mento denominada master/multi-slave. Esta caracteriza-se por consumir pouca largura de banda c por ser independente do al¬goritmo de escalonamento utilizado. Esta arquitectura facilita não só a implementação de escalonamento on-line., suportando portanto alterações aos requisitos de comunicação durante o fun¬cionamento do sistema, como também a implementação on-line. de controlo de admissão, o que permite rejeitar alterações que comprometam as garantias temporais do sistema, assegurando assim um comportamento previsível.Em alguns domínios específicos de aplicação de DCCS, verifica-se uma necessidade crescente de suporte a gestão on-line de Quali¬dade de Serviço (Quality of Service. / QoS). Genericamente, esta funcionalidade permite aumentar a eficiência da exploração dos recursos do sistema, pois habitualmente verifica-se uma relação directa entre o grau de recursos alceados às actividades de um sistema c o respectivo QoS. A gestão dinâmica de QoS requer um alto grau de flexibilidade, donde esta tese também descreve como o paradigma FTT suporta este tipo de serviço no que concerne ao tráfego.Esta tese apresenta o paradigma FTT c defende que este permite combinar no mesmo sistema de comunicação diferentes tipos de tráfego, com a possibilidade de alterar as suas propriedades, exe¬cutar gestão de QoS c alterar a politica de escalonamento durante o funcionamento, sem comprometer as garantias temporais gran¬jeadas ao tráfego c atingindo uma elevada eficiência no uso da largura de banda.O paradigma FTT apresentado nesta tese teve a sua génese no protocolo FTT-CAN. Após algum trabalho realizado sobre este protocolo verificou-se que os conceitos principais poderiam ser abstraídos, resultando um paradigma de comunicação genérico, passível de implementação em diversos meios de comunicação. Para verificar a performance do paradigma FTT, esta dissertação inclui algumas contribuições relativas ao protocolo FTT-CAN, nomeadamente no que concerne ao estudo do desempenho cm termos de escalonamento c análise de tempos de resposta. Por outro lado é também apresentada a implementação do paradigma FTT sobre Ethernet (FTT-Ethernet), a qual se destina a aplica¬ções mais exigentes no que respeita a poder de processamento c largura de banda, por exemplo aplicações integrando tráfego multimédia. No que respeita a este último protocolo explora-se essencialmente assuntos como a gestão dinâmica de QoS

GIS-based indicators for the social impacts of mega urban transport projects

This research explores the short to long-term impacts that Mega Urban Transport Projects (MUTPs) have on the communities they serve. In particular, intentional and unintentional social impacts that occur in the communities for the non-user of the MUTP. By their very nature of being ‘mega’, these MUTPs act as catalysts for change at the physical, economical and socio-demographic level. Current appraisal methods for planning and implementing MUTPs are relatively short on a standardised framework for assessing and monitoring the social impacts that communities under-go. This PhD research proposes that GIS can provide a fast and powerful overview of social patterns that can assist planners and decision-makers at local, regional and national levels to consider the ‘knock-on’ effects of the MUTP. This contributes towards understanding how to shape change in those communities to improve the socio-economic status for the whole population, beyond the users of the MUTP. The research also proposes the use of the Cynefin decision-making model with which to assess, act and respond to these impacts and to manage the outcomes so as to amplify the positive effects and dampen the negative. The case-studies are the two non-London hubs of the Channel Tunnel Rail Link; Ebbsfleet and Ashford, Kent. Building from the 1991 census to the most recent digital datasets the toolkit creates ‘planning-to-implementation’ stage profiles of the communities. Variables that are mapped include demographic diversity, socio-economic deprivation, accessibility, journey to work modes, and a pilot study to explore the impact of the MUTP upon changes in social exclusion and community cohesion. The findings of this study conclude that whilst useful lessons can be learnt and future guidelines created for planners and decision-makers for other MUTPs, this hypothetical toolkit has weaknesses related to the lack of spatial and temporal resolution in the datasets utilised