Loupe: Verifying Publish-Subscribe Architectures with a Magnifying Lens

CONE

The discrete dynamics of small-scale spatial events: agent-based models of mobility in carnivals and street parades

Small-scale spatial events are situations in which elements or objects vary in such away that temporal dynamics is intrinsic to their representation and explanation. Someof the clearest examples involve local movement from conventional traffic modelingto disaster evacuation where congestion, crowding, panic, and related safety issue arekey features of such events. We propose that such events can be simulated using newvariants of pedestrian model, which embody ideas about how behavior emerges fromthe accumulated interactions between small-scale objects. We present a model inwhich the event space is first explored by agents using ?swarm intelligence?. Armedwith information about the space, agents then move in an unobstructed fashion to theevent. Congestion and problems over safety are then resolved through introducingcontrols in an iterative fashion and rerunning the model until a ?safe solution? isreached. The model has been developed to simulate the effect of changing the route ofthe Notting Hill Carnival, an annual event held in west central London over 2 days inAugust each year. One of the key issues in using such simulation is how the processof modeling interacts with those who manage and control the event. As such, thischanges the nature of the modeling problem from one where control and optimizationis external to the model to one where this is intrinsic to the simulation

Multi-Paradigm Reasoning for Access to Heterogeneous GIS

Accessing and querying geographical data in a uniform way has become easier in recent years. Emerging standards like WFS turn the web into a geospatial web services enabled place. Mediation architectures like VirGIS overcome syntactical and semantical heterogeneity between several distributed sources. On mobile devices, however, this kind of solution is not suitable, due to limitations, mostly regarding bandwidth, computation power, and available storage space. The aim of this paper is to present a solution for providing powerful reasoning mechanisms accessible from mobile applications and involving data from several heterogeneous sources. By adapting contents to time and location, mobile web information systems can not only increase the value and suitability of the service itself, but can substantially reduce the amount of data delivered to users. Because many problems pertain to infrastructures and transportation in general and to way finding in particular, one cornerstone of the architecture is higher level reasoning on graph networks with the Multi-Paradigm Location Language MPLL. A mediation architecture is used as a “graph provider” in order to transfer the load of computation to the best suited component – graph construction and transformation for example being heavy on resources. Reasoning in general can be conducted either near the “source” or near the end user, depending on the specific use case. The concepts underlying the proposal described in this paper are illustrated by a typical and concrete scenario for web applications

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

SAGA: A DSL for Story Management

Video game development is currently a very labour-intensive endeavour. Furthermore it involves multi-disciplinary teams of artistic content creators and programmers, whose typical working patterns are not easily meshed. SAGA is our first effort at augmenting the productivity of such teams. Already convinced of the benefits of DSLs, we set out to analyze the domains present in games in order to find out which would be most amenable to the DSL approach. Based on previous work, we thus sought those sub-parts that already had a partially established vocabulary and at the same time could be well modeled using classical computer science structures. We settled on the 'story' aspect of video games as the best candidate domain, which can be modeled using state transition systems. As we are working with a specific company as the ultimate customer for this work, an additional requirement was that our DSL should produce code that can be used within a pre-existing framework. We developed a full system (SAGA) comprised of a parser for a human-friendly language for 'story events', an internal representation of design patterns for implementing object-oriented state-transitions systems, an instantiator for these patterns for a specific 'story', and three renderers (for C++, C# and Java) for the instantiated abstract code.Comment: In Proceedings DSL 2011, arXiv:1109.032

Proactive management of uncertainty to improve scheduling robustness in proces industries

Dinamisme, capacitat de resposta i flexibilitat són característiques essencials en el desenvolupament de la societat actual. Les noves tendències de globalització i els avenços en tecnologies de la informació i comunicació fan que s'evolucioni en un entorn altament dinàmic i incert. La incertesa present en tot procés esdevé un factor crític a l'hora de prendre decisions, així com un repte altament reconegut en l'àrea d'Enginyeria de Sistemes de Procés (PSE). En el context de programació de les operacions, els models de suport a la decisió proposats fins ara, així com també software comercial de planificació i programació d'operacions avançada, es basen generalment en dades estimades, assumint implícitament que el programa d'operacions s'executarà sense desviacions. La reacció davant els efectes de la incertesa en temps d'execució és una pràctica habitual, però no sempre resulta efectiva o factible. L'alternativa és considerar la incertesa de forma proactiva, és a dir, en el moment de prendre decisions, explotant el coneixement disponible en el propi sistema de modelització.Davant aquesta situació es plantegen les següents preguntes: què s'entén per incertesa? Com es pot considerar la incertesa en el problema de programació d'operacions? Què s'entén per robustesa i flexibilitat d'un programa d'operacions? Com es pot millorar aquesta robustesa? Quins beneficis comporta? Aquesta tesi respon a aquestes preguntes en el marc d'anàlisis operacionals en l'àrea de PSE. La incertesa es considera no de la forma reactiva tradicional, sinó amb el desenvolupament de sistemes proactius de suport a la decisió amb l'objectiu d'identificar programes d'operació robustos que serveixin com a referència pel nivell inferior de control de planta, així com també per altres centres en un entorn de cadenes de subministrament. Aquest treball de recerca estableix les bases per formalitzar el concepte de robustesa d'un programa d'operacions de forma sistemàtica. Segons aquest formalisme, els temps d'operació i les ruptures d'equip són considerats inicialment com a principals fonts d'incertesa presents a nivell de programació de la producció. El problema es modelitza mitjançant programació estocàstica, desenvolupant-se finalment un entorn d'optimització basat en simulació que captura les múltiples fonts d'incertesa, així com també estratègies de programació d'operacions reactiva, de forma proactiva. La metodologia desenvolupada en el context de programació de la producció s'estén posteriorment per incloure les operacions de transport en sistemes de múltiples entitats i incertesa en els temps de distribució. Amb aquesta perspectiva més àmplia del nivell d'operació s'estudia la coordinació de les activitats de producció i transport, fins ara centrada en nivells estratègic o tàctic. L'estudi final considera l'efecte de la incertesa en la demanda en les decisions de programació de la producció a curt termini. El problema s'analitza des del punt de vista de gestió del risc, i s'avaluen diferents mesures per controlar l'eficiència del sistema en un entorn incert.En general, la tesi posa de manifest els avantatges en reconèixer i modelitzar la incertesa, amb la identificació de programes d'operació robustos capaços d'adaptar-se a un ampli rang de situacions possibles, enlloc de programes d'operació òptims per un escenari hipotètic. La metodologia proposada a nivell d'operació es pot considerar com un pas inicial per estendre's a nivells de decisió estratègics i tàctics. Alhora, la visió proactiva del problema permet reduir el buit existent entre la teoria i la pràctica industrial, i resulta en un major coneixement del procés, visibilitat per planificar activitats futures, així com també millora l'efectivitat de les tècniques reactives i de tot el sistema en general, característiques altament desitjables per mantenir-se actiu davant la globalitat, competitivitat i dinàmica que envolten un procés.Dynamism, responsiveness, and flexibility are essential features in the development of the current society. Globalization trends and fast advances in communication and information technologies make all evolve in a highly dynamic and uncertain environment. The uncertainty involved in a process system becomes a critical problem in decision making, as well as a recognized challenge in the area of Process Systems Engineering (PSE). In the context of scheduling, decision-support models developed up to this point, as well as commercial advanced planning and scheduling systems, rely generally on estimated input information, implicitly assuming that a schedule will be executed without deviations. The reaction to the effects of the uncertainty at execution time becomes a common practice, but it is not always effective or even possible. The alternative is to address the uncertainty proactively, i.e., at the time of reasoning, exploiting the available knowledge in the modeling procedure itself. In view of this situation, the following questions arise: what do we understand for uncertainty? How can uncertainty be considered within scheduling modeling systems? What is understood for schedule robustness and flexibility? How can schedule robustness be improved? What are the benefits? This thesis answers these questions in the context of operational analysis in PSE. Uncertainty is managed not from the traditional reactive viewpoint, but with the development of proactive decision-support systems aimed at identifying robust schedules that serve as a useful guidance for the lower control level, as well as for dependent entities in a supply chain environment. A basis to formalize the concept of schedule robustness is established. Based on this formalism, variable operation times and equipment breakdowns are first considered as the main uncertainties in short-term production scheduling. The problem is initially modeled using stochastic programming, and a simulation-based stochastic optimization framework is finally developed, which captures the multiple sources of uncertainty, as well as rescheduling strategies, proactively. The procedure-oriented system developed in the context of production scheduling is next extended to involve transport scheduling in multi-site systems with uncertain travel times. With this broader operational perspective, the coordination of production and transport activities, considered so far mainly in strategic and tactical analysis, is assessed. The final research point focuses on the effect of demands uncertainty in short-term scheduling decisions. The problem is analyzed from a risk management viewpoint, and alternative measures are assessed and compared to control the performance of the system in the uncertain environment.Overall, this research work reveals the advantages of recognizing and modeling uncertainty, with the identification of more robust schedules able to adapt to a wide range of possible situations, rather than optimal schedules for a hypothetical scenario. The management of uncertainty proposed from an operational perspective can be considered as a first step towards its extension to tactical and strategic levels of decision. The proactive perspective of the problem results in a more realistic view of the process system, and it is a promising way to reduce the gap between theory and industrial practices. Besides, it provides valuable insight on the process, visibility for future activities, as well as it improves the efficiency of reactive techniques and of the overall system, all highly desirable features to remain alive in the global, competitive, and dynamic process environment

Is Equality always desirable?

In this paper, we analyze the trade-off between perceived fairness and perceived attractiveness in crew rostering. First, we introduce the Fairness-oriented Crew Rostering Problem. In this problem, attractive cyclic rosters have to be constructed, while respecting a pre-specified fairness level. Then, we propose a flexible mathematical formulation, able to exploit problem specific knowledge, and develop an exact Branch-Price-and-Cut solution method. The solution method combines Branch-and-Bound with column generation, where profitable columns are separated by solving resource constrained shortest path problems with surplus variables. We also derive a set of valid inequalities to tighten the formulation. Finally, we demonstrate the benefit of our approach on practical instances from Netherlands Railways, the largest passenger railway operator in the Netherlands. We are able to construct the explicit trade-off curve between fairness and attractiveness and show that a sequential approach can lead to suboptimal results. In particular, we show that focusing solely on fairness leads to rosters that are disproportionally less attractive. Furthermore, this decrease in attractiveness is heavily skewed towards the most exible employees. Thus, in order to generate truly fair rosters, the explicit trade-off between fairness and attractiveness should be considered

Real-time analysis of MPI programs for NoC-based many-cores using time division multiplexing

Worst-case execution time (WCET) analysis is crucial for designing hard real-time systems. While the WCET of tasks in a single core system can be upper bounded in isolation, the tasks in a many-core system are subject to shared memory interferences which impose high overestimation of the WCET bounds. However, many-core-based massively parallel applications will enter the area of real-time systems in the years ahead. Explicit message-passing and a clear separation of computation and communication facilitates WCET analysis for those programs. A standard programming model for message-based communication is the message passing interface (MPI). It provides an application independent interface for different standard communication operations (e.g. broadcast, gather, ...). Thereby, it uses efficient communication patterns with deterministic behaviour. In applying these known structures, we target to provide a WCET analysis for communication that is reusable for different applications if the communication is executed on the same underlying platform. Hence, the analysis must be performed once per hardware platform and can be reused afterwards with only adapting several parameters such as the number of nodes participating in that communication. Typically, the processing elements of many-core platforms are connected via a Network-on-Chip (NoC) and apply techniques such as time-division multiplexing (TDM) to provide guaranteed services for the network. Hence, the hardware and the applied technique for guaranteed service needs to facilitate this reusability of the analysis as well. In this work we review different general-purpose TDM schedules that enable a WCET approximation independent of the placement of tasks on processing elements of a many-core which uses a NoC with torus topology. Furthermore, we provide two new schedules that show a similar performance as the state-of-the-art schedules but additionally serve situations where the presented state-of-the-art schedules perform poorly. Based on these schedules a procedure for the WCET analysis of the communication patterns used in MPI is proposed. Finally, we show how to apply the results of the analysis to calculate the WCET upper bound for a complete MPI program. Detailed insights in the performance of the applied TDM schedules are provided by comparing the schedules to each other in terms of timing. Additionally, we discuss the exhibited timing of the general-purpose schedules compared to a state-of-the-art application specific TDM schedule to put in relation both types of schedules. We apply the proposed procedure to several standard types of communication provided in MPI and compare different patterns that are used to implement a specific communication. Our evaluation investigates the communications’ building blocks of the timing bounds and shows the tremendous impact of choosing the appropriate communication pattern. Finally, a case study demonstrates the application of the presented procedure to a complete MPI program. With the method proposed in this work it is possible to perform a reusable WCET timing analysis for the communication in a NoC that is independent of the placement of tasks on the chip. Moreover, as the applied schedules are not optimized for a specific application but can be used for all applications in the same way, there are only marginal changes in the timing of the communication when the software is adapted or updated. Thus, there is no need to perform the timing analysis from scratch in such cases