Performance assessment of real-time data management on wireless sensor networks

Technological advances in recent years have allowed the maturity of Wireless Sensor Networks (WSNs), which aim at performing environmental monitoring and data collection. This sort of network is composed of hundreds, thousands or probably even millions of tiny smart computers known as wireless sensor nodes, which may be battery powered, equipped with sensors, a radio transceiver, a Central Processing Unit (CPU) and some memory. However due to the small size and the requirements of low-cost nodes, these sensor node resources such as processing power, storage and especially energy are very limited. Once the sensors perform their measurements from the environment, the problem of data storing and querying arises. In fact, the sensors have restricted storage capacity and the on-going interaction between sensors and environment results huge amounts of data. Techniques for data storage and query in WSN can be based on either external storage or local storage. The external storage, called warehousing approach, is a centralized system on which the data gathered by the sensors are periodically sent to a central database server where user queries are processed. The local storage, in the other hand called distributed approach, exploits the capabilities of sensors calculation and the sensors act as local databases. The data is stored in a central database server and in the devices themselves, enabling one to query both. The WSNs are used in a wide variety of applications, which may perform certain operations on collected sensor data. However, for certain applications, such as real-time applications, the sensor data must closely reflect the current state of the targeted environment. However, the environment changes constantly and the data is collected in discreet moments of time. As such, the collected data has a temporal validity, and as time advances, it becomes less accurate, until it does not reflect the state of the environment any longer. Thus, these applications must query and analyze the data in a bounded time in order to make decisions and to react efficiently, such as industrial automation, aviation, sensors network, and so on. In this context, the design of efficient real-time data management solutions is necessary to deal with both time constraints and energy consumption. This thesis studies the real-time data management techniques for WSNs. It particularly it focuses on the study of the challenges in handling real-time data storage and query for WSNs and on the efficient real-time data management solutions for WSNs. First, the main specifications of real-time data management are identified and the available real-time data management solutions for WSNs in the literature are presented. Secondly, in order to provide an energy-efficient real-time data management solution, the techniques used to manage data and queries in WSNs based on the distributed paradigm are deeply studied. In fact, many research works argue that the distributed approach is the most energy-efficient way of managing data and queries in WSNs, instead of performing the warehousing. In addition, this approach can provide quasi real-time query processing because the most current data will be retrieved from the network. Thirdly, based on these two studies and considering the complexity of developing, testing, and debugging this kind of complex system, a model for a simulation framework of the real-time databases management on WSN that uses a distributed approach and its implementation are proposed. This will help to explore various solutions of real-time database techniques on WSNs before deployment for economizing money and time. Moreover, one may improve the proposed model by adding the simulation of protocols or place part of this simulator on another available simulator. For validating the model, a case study considering real-time constraints as well as energy constraints is discussed. Fourth, a new architecture that combines statistical modeling techniques with the distributed approach and a query processing algorithm to optimize the real-time user query processing are proposed. This combination allows performing a query processing algorithm based on admission control that uses the error tolerance and the probabilistic confidence interval as admission parameters. The experiments based on real world data sets as well as synthetic data sets demonstrate that the proposed solution optimizes the real-time query processing to save more energy while meeting low latency.Fundação para a Ciência e Tecnologi

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВ3-117

Предметом дослідження в статті є авіаційний двигун ТВ3-117 та методи контролю і діагностики його технічного стану. Мета роботи – розробка інформаційної та динамічної моделей контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 задля визначення основних вимог до експертної системи. В статті вирішуються наступні завдання: розробки інформаційної та динамічної моделей контролю і діагностики авіаційного двигуна ТВ3-117 з використанням методології системного аналізу. Використовуються такі методи: методи системного аналізу, методи системного програмування, методи побудови інформаційних моделей. Отримано наступні результати: Розроблено інформаційну модель, що визначає логічну структуру баз даних і знань, а також способи та механізми управління ними та взаємодії (обґрунтування змісту, наповнення, управління інформаційними потоками). Розроблено динамічну модель, що визначає правила роботи з експертною системою, які є основою для створення інтерфейсу (сценаріїв) з користувачем і визначають динаміку взаємодії експертної системи з базами даних і знань, моделі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Висновки: Розроблено комплекс інформаційних моделей процесу контролю і діагностики технічно-го стану авіаційного двигуна ТВ3-117, на основі технології IDEF/1X, що дозволило визначити логічну структуру і механізми взаємодії баз даних і баз знань в складі розроблюваної експертної системи контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Побудована динамічна модель процесів контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 на основі IDEF / CPN, що дозволило визначити вимоги до механізму логічного висновку в процесі виконання функцій контролю та діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 експертною системою. Перспективи дослідження – завершальним етапом системного моделювання є системний проєкт, який формує контури дослідницького прототипу експертної системи і перелік вимог, що реалізують його.The subject matter of the article is TV3-117 aircraft engine and methods for monitoring and diagnosing its technical condition. The goal of the work is development of information and dynamic models for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine to determine the basic requirements for an expert system. The following tasks were solved in the article: development of information and dynamic models for monitoring and diagnostics of TV3-117 aircraft engine using the methodology of system analysis. The following methods used are – methods of system analysis, methods of system programming, methods of constructing information models. The following results were obtained – An information model has been developed that defines the logical structure of databases and knowledge, as well as methods and mechanisms for managing and interacting with them (substantiation of content, content, management of information flows). A dynamic model has been developed that defines the rules for working with an expert system, which is the basis for creating an interface (scenarios) with a user and determines the dynamics of the interaction of an expert system with databases and knowledge, a model for monitoring and diagnosing of TV3-117 aircraft engine technical condition. Conclusions: A set of information models was developed for the process of monitoring and diagnosing the technical condition of the TV3-117 aircraft engine, based on IDEF / 1X technology, which made it possible to determine the logical structure and mechanisms of interaction between databases and knowledge bases as part of an expert system for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine. A dynamic model of the processes for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine based on IDEF / CPN was developed, which made it possible to determine the requirements for the inference mechanism in the process of performing the functions of monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine by an expert system. Research prospects – the final stage of system modeling is a system project that forms the contours of a research prototype of an expert system and a list of requirements that implement it.Предметом исследования в статье является авиационный двигатель ТВ3-117 и методы контроля и диагностики его технического состояния. Цель работы – разработка информационной и динамической моделей контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 для определения основных требований к экспертной системе. В статье решаются следующие задачи: разработки информационной и динамической моделей контроля и диагностики авиационного двигателя ТВ3-117 с использованием методологии системного анализа. Используются следующие методы: методы системного анализа, методы системного программирования, методы построения информационных моделей. Получены следующие результаты: Разработано информационную модель, которая определяет логическую структуру баз данных и знаний, а также способы и механизмы управления ими и взаимодействия (обоснование содержания, наполнения, управление информационными потоками). Разработано динамическую модель, которая определяет правила работы с экспертной системой, что является основой для создания интерфейса (сценариев) с пользователем и определяют динамику взаимодействия экспертной системы с базами данных и знаний, модели контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117. Выводы: Разработан комплекс информационных моделей процесса контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117, на основе технологии IDEF / 1X, что позволило определить логическую структуру и механизмы взаимодействия баз данных и баз знаний в составе разрабатываемой экспертной системы контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117. Построена динамическая модель процессов контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 на основе IDEF / CPN, что позволило определить требования к механизму логического вывода в процессе выполнения функций контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 экспертной системой. Перспективы исследования – завершающим этапом системного моделирования является системный проект, который формирует контуры исследовательского прототипа экспертной системы и перечень требований, реализующих его

РОЗРОБКА ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТА ДИНАМІЧНОЇ МОДЕЛЕЙ КОНТРОЛЮ І ДІАГНОСТИКИ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ АВІАЦІЙНОГО ДВИГУНА ТВ3-117

The subject matter of the article is TV3-117 aircraft engine and methods for monitoring and diagnosing its technical condition. The goal of the work is development of information and dynamic models for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine to determine the basic requirements for an expert system. The following tasks were solved in the article: development of information and dynamic models for monitoring and diagnostics of TV3-117 aircraft engine using the methodology of system analysis. The following methods used are – methods of system analysis, methods of system programming, methods of constructing information models. The following results were obtained – An information model has been developed that defines the logical structure of databases and knowledge, as well as methods and mechanisms for managing and interacting with them (substantiation of content, content, management of information flows). A dynamic model has been developed that defines the rules for working with an expert system, which is the basis for creating an interface (scenarios) with a user and determines the dynamics of the interaction of an expert system with databases and knowledge, a model for monitoring and diagnosing of TV3-117 aircraft engine technical condition. Conclusions: A set of information models was developed for the process of monitoring and diagnosing the technical condition of the TV3-117 aircraft engine, based on IDEF / 1X technology, which made it possible to determine the logical structure and mechanisms of interaction between databases and knowledge bases as part of an expert system for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine. A dynamic model of the processes for monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine based on IDEF / CPN was developed, which made it possible to determine the requirements for the inference mechanism in the process of performing the functions of monitoring and diagnosing the technical condition of TV3-117 aircraft engine by an expert system. Research prospects – the final stage of system modeling is a system project that forms the contours of a research prototype of an expert system and a list of requirements that implement it.Предметом исследования в статье является авиационный двигатель ТВ3-117 и методы контроля и диагностики его технического состояния. Цель работы – разработка информационной и динамической моделей контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 для определения основных требований к экспертной системе. В статье решаются следующие задачи: разработки информационной и динамической моделей контроля и диагностики авиационного двигателя ТВ3-117 с использованием методологии системного анализа. Используются следующие методы: методы системного анализа, методы системного программирования, методы построения информационных моделей. Получены следующие результаты: Разработано информационную модель, которая определяет логическую структуру баз данных и знаний, а также способы и механизмы управления ими и взаимодействия (обоснование содержания, наполнения, управление информационными потоками). Разработано динамическую модель, которая определяет правила работы с экспертной системой, что является основой для создания интерфейса (сценариев) с пользователем и определяют динамику взаимодействия экспертной системы с базами данных и знаний, модели контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117. Выводы: Разработан комплекс информационных моделей процесса контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117, на основе технологии IDEF / 1X, что позволило определить логическую структуру и механизмы взаимодействия баз данных и баз знаний в составе разрабатываемой экспертной системы контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117. Построена динамическая модель процессов контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 на основе IDEF / CPN, что позволило определить требования к механизму логического вывода в процессе выполнения функций контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 экспертной системой. Перспективы исследования – завершающим этапом системного моделирования является системный проект, который формирует контуры исследовательского прототипа экспертной системы и перечень требований, реализующих его.Предметом дослідження в статті є авіаційний двигун ТВ3-117 та методи контролю і діагностики його технічного стану. Мета роботи – розробка інформаційної та динамічної моделей контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 задля визначення основних вимог до експертної системи. В статті вирішуються наступні завдання: розробки інформаційної та динамічної моделей контролю і діагностики авіаційного двигуна ТВ3-117 з використанням методології системного аналізу. Використовуються такі методи: методи системного аналізу, методи системного програмування, методи побудови інформаційних моделей. Отримано наступні результати: Розроблено інформаційну модель, що визначає логічну структуру баз даних і знань, а також способи та механізми управління ними та взаємодії (обґрунтування змісту, наповнення, управління інформаційними потоками). Розроблено динамічну модель, що визначає правила роботи з експертною системою, які є основою для створення інтерфейсу (сценаріїв) з користувачем і визначають динаміку взаємодії експертної системи з базами даних і знань, моделі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Висновки: Розроблено комплекс інформаційних моделей процесу контролю і діагностики технічно-го стану авіаційного двигуна ТВ3-117, на основі технології IDEF/1X, що дозволило визначити логічну структуру і механізми взаємодії баз даних і баз знань в складі розроблюваної експертної системи контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Побудована динамічна модель процесів контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 на основі IDEF / CPN, що дозволило визначити вимоги до механізму логічного висновку в процесі виконання функцій контролю та діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 експертною системою. Перспективи дослідження – завершальним етапом системного моделювання є системний проєкт, який формує контури дослідницького прототипу експертної системи і перелік вимог, що реалізують його

A framework to model real-time databases

International audienceReal-time databases deal with time-constrained data and time-constrained transactions. The design of this kind of databases requires the introduction of new concepts to support both data structures and the dynamic behaviour of the database. In this paper, we give an overview about different aspects of real-time databases and we clarify requirements of their modelling. Then, we present a framework for real-time database design and describe its fundamental operations. A case study demonstrates the validity of the structural model and illustrates SQL queries and Java code generated from the classes of the mode