Traffic signal detection from in-vehicle GPS speed profiles using functional data analysis and machine learning

International audienceThe increasing availability of large-scale Global Positioning System (GPS) data stemming from in-vehicle embedded terminal devices enables the design of methods deriving road network cartographic information from drivers' recorded traces. Some machine learning approaches have been proposed in the past to train automatic road network map inference, and recently this approach has been successfully extended to infer road attributes as well, such as speed limitation or number of lanes. In this paper, we address the problem of detecting traffic signals from a set of vehicle speed profiles, under a classification perspective. Each data instance is a speed versus distance plot depicting over a hundred profiles on a 100-meter-long road span. We proposed three different ways of deriving features: the first one relies on the raw speed measurements; the second one uses image recognition techniques; and the third one is based on functional data analysis. We input them into most commonly used classification algorithms and a comparative analysis demonstrated that a functional description of speed profiles with wavelet transforms seems to outperform the other approaches with most of the tested classifiers. It also highlighted that Random Forests yield an accurate detection of traffic signals, regardless of the chosen feature extraction method, while keeping a remarkably low confusion rate with stop signs

Smart Energy and Intelligent Transportation Systems

With the Internet of Things and various information and communication technologies, a city can manage its assets in a smarter way, constituting the urban development vision of a smart city. This facilitates a more efficient use of physical infrastructure and encourages citizen participation. Smart energy and smart mobility are among the key aspects of the smart city, in which the electric vehicle (EV) is believed to take a key role. EVs are powered by various energy sources or the electricity grid. With proper scheduling, a large fleet of EVs can be charged from charging stations and parking infrastructures. Although the battery capacity of a single EV is small, an aggregation of EVs can perform as a significant power source or load, constituting a vehicle-to-grid (V2G) system. Besides acquiring energy from the grid, in V2G, EVs can also support the grid by providing various demand response and auxiliary services. Thanks to this, we can reduce our reliance on fossil fuels and utilize the renewable energy more effectively. This Special Issue “Smart Energy and Intelligent Transportation Systems” addresses existing knowledge gaps and advances smart energy and mobility. It consists of five peer-reviewed papers that cover a range of subjects and applications related to smart energy and transportation

Load balancing vs. distributed rate limiting: an unifying framework for cloud control

With the expansion of cloud-based services, the question as to how to control usage of such large distributed systems has become increasingly important. Load balancing (LB), and recently proposed distributed rate limiting (DRL) have been used independently to reduce costs and to fairly allocate distributed resources. In this paper we propose a new mechanism for cloud control that unifies the use of LB and DRL: LB is used to minimize the associated costs and DRL makes sure that the resource allocation is fair. From an analytical standpoint, modelling the dynamics of DRL in dynamic workloads (resulting from LB cost-minimization scheme) is a challenging problem. Our theoretical analysis yields a condition that ensures convergence to the desired working regime. Analytical results are then validated empirically through several illustrative simulations. The closed- form nature of our result also allows simple design rules which, together with extremely low computational and communication overhead, makes the presented algorithm practical and easy to deploy

Data semantic enrichment for complex event processing over IoT Data Streams

This thesis generalizes techniques for processing IoT data streams, semantically enrich data with contextual information, as well as complex event processing in IoT applications. A case study for ECG anomaly detection and signal classification was conducted to validate the knowledge foundation

LIPIcs, Volume 277, GIScience 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 277, GIScience 2023, Complete Volum

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Information collection algorithm for vehicular ad-hoc networks (application domain: Urban Traffic Wireless Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs))

Vehicle to vehicle communication (V2VC) is one of the modern approaches for exchanging and generating traffic information with (yet to be realized) potential to improve road safety, driving comfort and traffic control. In this research, we present a novel algorithm which is based on V2V communication, uses in-vehicle sensor information and in collaboration with the other vehicles' sensor information can detect road conditions and determine the geographical area where this road condition exists – e.g. geographical area where there is traffic density, unusual traffic behaviour, a range of weather conditions (raining), etc. The algorithms' built-in automatic geographical restriction of the data collection, aggregation and dissemination mechanisms allows warning messages to be received by any car, not necessarily sharing the identified road condition, which may then be used to identify the optimum route taken by the vehicle e.g. avoid bottlenecks or dangerous areas including accidents or congestions on their current routes. This research covers the middle ground between MANET [1] and collaborative data generation based on knowledge granularity (aggregation). It investigates the possibility of designing, implementing and modelling of the functionality of an algorithm (as part of the design of an intelligent node in an Intelligent Transportation System - ITS) that ensures active participation in the formation, routing and general network support of MANETs and also helps in-car traffic information and real-time control generation and distribution. The work is natural extension of the efforts of several large EU projects like DRIVE [2], GST [3] and SAFESPOT [4]

Fault Management in DC Microgrids:A Review of Challenges, Countermeasures, and Future Research Trends

The significant benefits of DC microgrids have instigated extensive efforts to be an alternative network as compared to conventional AC power networks. Although their deployment is ever-growing, multiple challenges still occurred for the protection of DC microgrids to efficiently design, control, and operate the system for the islanded mode and grid-tied mode. Therefore, there are extensive research activities underway to tackle these issues. The challenge arises from the sudden exponential increase in DC fault current, which must be extinguished in the absence of the naturally occurring zero crossings, potentially leading to sustained arcs. This paper presents cut-age and state-of-the-art issues concerning the fault management of DC microgrids. It provides an account of research in areas related to fault management of DC microgrids, including fault detection, location, identification, isolation, and reconfiguration. In each area, a comprehensive review has been carried out to identify the fault management of DC microgrids. Finally, future trends and challenges regarding fault management in DC-microgrids are also discussed