Federated Robust Embedded Systems: Concepts and Challenges

The development within the area of embedded systems (ESs) is moving rapidly, not least due to falling costs of computation and communication equipment. It is believed that increased communication opportunities will lead to the future ESs no longer being parts of isolated products, but rather parts of larger communities or federations of ESs, within which information is exchanged for the benefit of all participants. This vision is asserted by a number of interrelated research topics, such as the internet of things, cyber-physical systems, systems of systems, and multi-agent systems. In this work, the focus is primarily on ESs, with their specific real-time and safety requirements. While the vision of interconnected ESs is quite promising, it also brings great challenges to the development of future systems in an efficient, safe, and reliable way. In this work, a pre-study has been carried out in order to gain a better understanding about common concepts and challenges that naturally arise in federations of ESs. The work was organized around a series of workshops, with contributions from both academic participants and industrial partners with a strong experience in ES development. During the workshops, a portfolio of possible ES federation scenarios was collected, and a number of application examples were discussed more thoroughly on different abstraction levels, starting from screening the nature of interactions on the federation level and proceeding down to the implementation details within each ES. These discussions led to a better understanding of what can be expected in the future federated ESs. In this report, the discussed applications are summarized, together with their characteristics, challenges, and necessary solution elements, providing a ground for the future research within the area of communicating ESs

SALSA: A Formal Hierarchical Optimization Framework for Smart Grid

The smart grid, by the integration of advanced control and optimization technologies, provides the traditional grid with an indisputable opportunity to deliver and utilize the electricity more efficiently. Building smart grid applications is a challenging task, which requires a formal modeling, integration, and validation framework for various smart grid domains. The design flow of such applications must adapt to the grid requirements and ensure the security of supply and demand. This dissertation, by proposing a formal framework for customers and operations domains in the smart grid, aims at delivering a smooth way for: i) formalizing their interactions and functionalities, ii) upgrading their components independently, and iii) evaluating their performance quantitatively and qualitatively.The framework follows an event-driven demand response program taking no historical data and forecasting service into account. A scalable neighborhood of prosumers (inside the customers domain), which are equipped with smart appliances, photovoltaics, and battery energy storage systems, are considered. They individually schedule their appliances and sell/purchase their surplus/demand to/from the grid with the purposes of maximizing their comfort and profit at each instant of time. To orchestrate such trade relations, a bilateral multi-issue negotiation approach between a virtual power plant (on behalf of prosumers) and an aggregator (inside the operations domain) in a non-cooperative environment is employed. The aggregator, with the objectives of maximizing its profit and minimizing the grid purchase, intends to match prosumers' supply with demand. As a result, this framework particularly addresses the challenges of: i) scalable and hierarchical load demand scheduling, and ii) the match between the large penetration of renewable energy sources being produced and consumed. It is comprised of two generic multi-objective mixed integer nonlinear programming models for prosumers and the aggregator. These models support different scheduling mechanisms and electricity consumption threshold policies.The effectiveness of the framework is evaluated through various case studies based on economic and environmental assessment metrics. An interactive web service for the framework has also been developed and demonstrated

Smart Grid Communications: Overview of Research Challenges, Solutions, and Standardization Activities

Optimization of energy consumption in future intelligent energy networks (or Smart Grids) will be based on grid-integrated near-real-time communications between various grid elements in generation, transmission, distribution and loads. This paper discusses some of the challenges and opportunities of communications research in the areas of smart grid and smart metering. In particular, we focus on some of the key communications challenges for realizing interoperable and future-proof smart grid/metering networks, smart grid security and privacy, and how some of the existing networking technologies can be applied to energy management. Finally, we also discuss the coordinated standardization efforts in Europe to harmonize communications standards and protocols.Comment: To be published in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Consensual negotiation-based decision making for connected appliances in smart home management systems

Recently, the concept of Internet of Agent has been introduced as a potential technology that pushes intelligence, data processing, analytics and communication capabilities down to the point where the data originates. In this paper, we introduce a novel approach for a Decentralized Home Energy Management System by applying the Internet of Agent concept. In particular, we first present an Internet of Agent framework in terms of sensing, communicating and collaborating among connected appliances. Then, the decentralized management based on consensual negotiation mechanism with several intelligent techniques are proposed for dynamic scheduling connected appliance. Specifically, by applying the Internet of Agent framework, connected appliances are regarded as smart agents that are able to make individual decisions by reaching agreement over the exchange of operations on competitive resources. Furthermore, in this study, the load balancing problem in which load shifting is able to reduce the electricity demand during peak hours is taken into account in order to emphasize the effectiveness of our approach. For the experiment, we develop a simulation of smart home environment to evaluate our approach using NetLogo, a tool which provides real-time analysis in the modeling and simulation domain of complex systems.This research was supported by the Chung-Ang University Research Grants in 2018. In addition, this work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIP) (NRF-2017R1A2B4010774)

A novel Smart Home Energy Management system: Cooperative neighbourhood and adaptive renewable energy usage

Energy usage optimization in Smart Homes is a critical problem: over 30% of the energy consumption of the world resides in the residential sector. Usage awareness and manual appliance control alone are able to reduce consumption by 15%. This result could be improved if appliance control is automatic, especially if renewable sources are present locally. In this paper, a Smart Home Energy Management system that aims at automatically controlling appliances in groups of smart homes belonging to the same neighborhood is proposed. Not only is electric power distribution considered, but also renewable energy sources such as wind micro-turbines and solar panels. The proposed strategy relies on two algorithms. The Cost Saving Task Scheduling algorithm is aimed at scheduling high-power controllable loads during off-peak hours, taking into account the expected usage of the non-controllable appliances such as fridge, oven, etc. This algorithm is run whenever a new need of energy from a controllable load is detected. The Renewable Source Power Allocation algorithm re-allocated the starting time of controllable loads whenever surplus of renewable source power is detected making use of a distributed max-consensus negotiation. Performance evaluation of the algorithms tested proves that the proposed approach provides an energy cost saving that goes between 35% and 65% with reference to the case where no automatic control is used

Artificial Intelligence and Machine Learning Approaches to Energy Demand-Side Response: A Systematic Review

Recent years have seen an increasing interest in Demand Response (DR) as a means to provide flexibility, and hence improve the reliability of energy systems in a cost-effective way. Yet, the high complexity of the tasks associated with DR, combined with their use of large-scale data and the frequent need for near real-time de-cisions, means that Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) — a branch of AI — have recently emerged as key technologies for enabling demand-side response. AI methods can be used to tackle various challenges, ranging from selecting the optimal set of consumers to respond, learning their attributes and pref-erences, dynamic pricing, scheduling and control of devices, learning how to incentivise participants in the DR schemes and how to reward them in a fair and economically efficient way. This work provides an overview of AI methods utilised for DR applications, based on a systematic review of over 160 papers, 40 companies and commercial initiatives, and 21 large-scale projects. The papers are classified with regards to both the AI/ML algorithm(s) used and the application area in energy DR. Next, commercial initiatives are presented (including both start-ups and established companies) and large-scale innovation projects, where AI methods have been used for energy DR. The paper concludes with a discussion of advantages and potential limitations of reviewed AI techniques for different DR tasks, and outlines directions for future research in this fast-growing area

Recursos geológicos de Trás-os-Montes – Passado, presente e perspetivas futuras

Em consequência da sua evolução ao longo da história da Terra, a região de Trás-os-Montes e Alto Douro possui uma grande diversidade de recursos geológicos. Alguns deles foram explorados pelo Homem em diferentes momentos da sua História. Este livro pretende contribuir para o conhecimento, valorização e promoção dos recursos geológicos e do património associado à sua exploração no passado; pois estamos convencidos de que uma eficiente exploração de alguns destes recursos, juntamente com a valorização turística do património geológico-mineiro, muito pode contribuir para dinamizar a economia da região. A Península Ibérica é constituída por formações rochosas que resultam da ação dos processos geotectónicos e dos fenómenos atmosféricos ao longo de mais de 500 milhões de anos (Ma). Neste contexto, Trás-os-Montes é uma região particularmente privilegiada pois é possível encontrar aqui a marca de grande parte dos fenómenos geológicos decorridos desde, ou mesmo antes, do princípio da formação da cadeia montanhosa Hercínica, ou Varisca, ocorrida na Era paleozoica. Uma dessas marcas é o maciço de Bragança e Morais, resultante da instalação de mantos de carreamento por obducção, testemunho da colisão continental então ocorrida. Neste maciço encontram-se rochas únicas com origem na crosta continental inferior e no manto, como é o caso dos Granulitos do Tojal dos Pereiros (Bragança) que, tal como se verá neste livro, poderão ser das rochas mais antigas da Terra com cerca de 1000 Ma. Neste livro procura-se fazer uma síntese dos vários depósitos minerais metálicos e não metálicos assim como das massas rochosas, com interesse económico, resultantes da sequência dos vários processos geológicos ocorridos desde o início do ciclo orogénico Hercínico até aos dias de hoje como, por exemplo, a erosão, o transporte, a sedimentação, o metamorfismo, o magmatismo e a deformação tectónica. Outra consequência da evolução geodinâmica são as inúmeras nascentes de água mineral natural com propriedades sulfúreas, gasocarbónica ou bicarbonadas sódicas, ligadas a mineralizações em grande profundidade ao longo das falhas, de orientação NNE-SSW, de Manteigas – Vilariça – Bragança e Penacova – Régua – Vila Real – Verin. O sistema de fraturas resultante do relaxamento de tensões orogénicas ocorrido na Era Mesozoica, condicionou também a instalação da rede hidrográfica atual e, juntamente com o processo erosivo iniciado no Pérmico, são os grandes responsáveis pelas magníficas paisagens de Trás-os-Montes e Alto Douro. Devido às suas propriedades terapêuticas conferidas pela suas características naturais de mineralização, algumas águas de origem profunda (Águas Minerais Naturais) são aproveitadas em termalismo de bem-estar ou terapêutico, podendo ainda ser, concomitantemente ou não, disponibilizadas engarrafadas. Neste livro apresenta-se o importante testemunho das práticas de exploração e gestão das concessões hidrominerais das empresas VMPS – Águas e Turismo, S.A. e UNICER Aguas, S.A, detentoras das marcas Pedras Salgadas, Salus Vidago, Melgaço e Vitalis. Os recursos minerais da região transmontana foram explorados pelo Homem desde tempos remotos. Como se verá neste livro, existem evidências da prática da metalurgia desde o VI milénio a.C. São também conhecidos os vestígios de uma intensa mineração deixados pelos romanos como, por exemplo, em Três Minas (ouro), Montesinho (ouro) e Moncorvo (ferro). Contudo, foi sobretudo na época moderna, com destaque para o período compreendido entre meados do século dezanove e o fim do século vinte, que a atividade mineira em Trás-os-Montes teve o seu apogeu. São ainda bem evidentes na nossa paisagem as ruinas dessa indústria que as pessoas mais velhas recordam com alguma saudade. As minas mudaram a realidade de muitas comunidades do interior transmontano pois trouxeram desafogo económico e desenvolvimento social para além de as retirarem do isolamento ancestral a que estavam votadas. A progressiva globalização das economias integrou a nossa indústria extrativa, muito desprotegida, em mercados muito competitivos para os quais não estava preparada. Em consequência, grande parte das minas portuguesas pararam a sua atividade entre as décadas de setenta e noventa do século passado. O encerramento das minas deixou por vezes um legado bastante negativo com instalações abandonadas, lugares poluídos, comunidades enfraquecidas pela emigração, infraestruturas degradadas e consequente contração económica. Felizmente, a maior parte dos passivos ambientais e de segurança têm sido progressivamente revertidos em consequência das prioridades definidas pela União Europeia (EU). A empresa estatal EDM (Empresa de Desenvolvimento Mineiro, S.A.) é responsável desde 2001 pelas intervenções ambientais e de segurança nas antigas explorações mineiras portuguesas. Neste livro dá-se conta da sua atuação em Trás-os- -Montes, nomeadamente em Jales, onde o ouro foi explorado até à última década do século passado. Com este livro pretende-se também fazer uma reflexão sobre a possível valorização em termos económicos do vastíssimo património mineiro existente na região. Para tal apresenta-se o testemunho do Museu do Ferro e da Região de Moncorvo que foi um dos projetos pioneiros no país a fazer a divulgação da atividade mineira e com isso contribuir diretamente para o desenvolvimento local através da procura turística. Apresenta-se também o exemplo do projeto Roteiro das Minas e Pontos de Interesse Mineiro e Geológico de Portugal que promove turisticamente algum do património mineiro e geológico do nosso país. O futuro da indústria extrativa em Trás-os-Montes é imprevisível. A sua evolução depende muito da conjugação de fatores que dependem da evolução dos mercados mundiais das matérias-primas e das grandes opções económica e estratégicas para o nosso país. Nos últimos anos tem-se verificado algum dinamismo no setor através dos contratos de prospeção e pesquisa pedidos junto da Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG). Esta atividade tem refletido o aumento da procura de minérios como o ferro, o ouro, o volfrâmio ou o lítio. Nalguns casos esta procura poderá resultar de alguma instabilidade política nos países produtores que condiciona as necessidades de matéria-prima por parte das grandes economias como a China. Noutros casos, dever-se-á à importância estratégica que lhes é atribuída em função dos desenvolvimentos tecnológicos, como é o caso do lítio na produção de baterias elétricas. Devido ao destaque e ao potencial atualmente associado a este minério, apresenta-se também neste livro uma exposição sobre os recursos de lítio existentes na região transmontana. Para além de terem um impacto direto na economia regional, estas últimas campanhas de prospeção permitiram também conhecer melhor a diversidade, a extensão e a génese dos recursos minerais de Trás-os-Montes. Referimos como exemplo o jazigo de ferro de Moncorvo que, embora tenha já sido bastante estudado no passado e como tal considerado um dos maiores da Europa, foi novamente objeto de estudo através da aplicação de novas técnicas de prospeção e de investigação científica de que damos conta neste livro. A concretização dos objetivos a que este livro se propõe, nomeadamente, a divulgação, promoção e valorização dos recursos geológicos de vasta região transmontana, só é possível através do contributo individual dos vários autores que aceitaram o nosso convite e aos quais estamos muito gratos. Aproveitamos também para agradecer às suas instituições e empresas de origem, nomeadamente, à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro (UTAD), à Universidade do Minho (UM), à Companhia Portuguesa do Ferro S.A. (CPF), ao Super Bock Group, ao Projeto Arqueológico da Região de Moncorvo (PARM), ao Centro de Investigação Transdisciplinar: Cultura Espaço e Memória (CITCEM), à Direção Regional de Cultura do Norte (DRCN), à Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e ao Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG). Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvo. O nosso muito obrigado também aos Geólogos Carlos Rosa, Pedro Santos e Antunes da Silva e ao Engenheiro José Nunes de Almeida pelos seus empenhos pessoais na concretização deste projeto. Por fim, agradecemos ao Atilano Suarez o excelente trabalho de design e paginação deste livro. O livro está dividido em duas partes. A primeira, intitulada Diversidade e Importância dos Recursos Geológicos, apresenta uma síntese dos principais recursos minerais existentes na região, com destaque para os recursos de lítio, ferro e águas minerais naturais. A segunda parte intitulada Perspetiva Histórica e Potencial Turístico do Património Geológico e Mineiro, aborda a mineração ao longo da História e apresenta alguns contributos para a valorização do património mineiro e geológico da região.Agradecemos igualmente o apoio à publicação dado pelas empresas Super Bock Group, EDM, Omya, CPF e pela Câmara Municipal de Torre de Moncorvo e pelo Museu do Ferro & da Região de Moncorvoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Holonic self-sustainable systems for electrical micro grids

The self-sustainability of micro grids is an important challenge in the smart grids field due to the need to balance the fast growing energy consumption, reduce greenhouse gas emissions and increase energy independence by using renewable resources. The use of decentralized paradigms, and particularly multi-agent systems and holonic control, enable to face this challenge by implementing intelligent mechanisms that allow an efficient management of the power flow. In this paper, a holonic based model is introduced, considering load scheduling and forecast mechanisms to improve the micro grids self-sustainability, and consequently reduce the energy cost and the energy dependency from the main utility. The designed holonic based model and strategies were developed by using the agent technology, and particularly the JADE framework, showing important improvements in the self-sustainability of micro grids working in different operating modes.info:eu-repo/semantics/publishedVersio