Control over the Cloud : Offloading, Elastic Computing, and Predictive Control

The thesis studies the use of cloud native software and platforms to implement critical closed loop control. It considers technologies that provide low latency and reliable wireless communication, in terms of edge clouds and massive MIMO, but also approaches industrial IoT and the services of a distributed cloud, as an extension of commercial-of-the-shelf software and systems.First, the thesis defines the cloud control challenge, as control over the cloud and controller offloading. This is followed by a demonstration of closed loop control, using MPC, running on a testbed representing the distributed cloud.The testbed is implemented using an IoT device, clouds, next generation wireless technology, and a distributed execution platform. Platform details are provided and feasibility of the approach is shown. Evaluation includes relocating an on-line MPC to various locations in the distributed cloud. Offloaded control is examined next, through further evaluation of cloud native software and frameworks. This is followed by three controller designs, tailored for use with the cloud. The first controller solves MPC problems in parallel, to implement a variable horizon controller. The second is a hierarchical design, in which rate switching is used to implement constrained control, with a local and a remote mode. The third design focuses on reliability. Here, the MPC problem is extended to include recovery paths that represent a fallback mode. This is used by a control client if it experiences connectivity issues.An implementation is detailed and examined.In the final part of the thesis, the focus is on latency and congestion. A cloud control client can experience long and variable delays, from network and computations, and used services can become overloaded. These problems are approached by using predicted control inputs, dynamically adjusting the control frequency, and using horizontal scaling of the cloud service. Several examples are shown through simulation and on real clouds, including admitting control clients into a cluster that becomes temporarily overloaded

Memory Protection in a Real-Time Operating System

During the last years the number of Electrical Control Units (ECU) in vehicles have increased rapidly with the effect of increasing costs. To meet this trend and reduce costs, applications have to be centralized into more powerful ECUs. This gives rise to new problems such as data and temporal integrity. The thesis gives an introduction to these new problems and a solution based on static time-triggered scheduling combined with memory protection. Memory protection mechanisms and hardware are evaluated, resulting in the recommendation of a platform. The thesis also propose modification and extensions to a real-time operating system used today within the Volvo Group. The work has been conducted at Volvo Technology (VTEC) in Gothenburg. VTEC is a combined research and consulting company within the Volvo Grou

Cloud-Based Model Predictive Control with Variable Horizon

A novel method using the cloud to implement a variable horizon model predictive controller is presented. In case of sudden long delays and downtime, a graceful degradation is used. Robust, best effort strategies allow industrial grade use of the powerful, efficient, and quickly improving cloud ecosystems. The variable horizon strategy finds use in, for example, non-linear control problems, and the proposed method can be generalized to implement robust and scalable controllers that benefit from cloud technology. We show results from two horizon selection strategies, service degradation and connectivity issues

Reindeer husbandry vs. wind energy: analysis of the Pauträsk and Norrbäck court decisions in Sweden

In 2019, the Land and Environmental Court of Appeal, Sweden’s highest court in environmental matters, authorized the establishment of two wind energy projects in the Norrbäck and Pauträsk areas on the winter grazing lands of Vapsten sameby in northern Sweden. These decisions overturned previous court rulings that rejected the two wind energy projects due to the expected impacts on nature and cultural values, and because the projects were seen to harm the interests of reindeer husbandry. In the analysis of these two legal cases, we seek to understand and explain the judicial conflicts between Sámi samebyar and wind energy developers. Based on the interpretation of the court decisions, we focus on the main features of the courts’ reasoning and examine how the courts have assessed the impact of wind turbines on reindeer husbandry. This chapter thus explains the main factors that have influenced and limited the court decisions and also concludes that these court decisions have failed to guarantee the right of the Sámi Indigenous people to practice sustainable reindeer husbandry in Sweden

Reindeer husbandry vs. wind energy : Analysis of the Pauträsk and Norrbäck court decisions in Sweden

In 2019, the Land and Environmental Court of Appeal, Sweden’s highest court in environmental matters, authorized the establishment of two wind energy projects in the Norrbäck and Pauträsk areas on the winter grazing lands of Vapsten sameby in northern Sweden. These decisions overturned previous court rulings that rejected the two wind energy projects due to the expected impacts on nature and cultural values, and because the projects were seen to harm the interests of reindeer husbandry. In the analysis of these two legal cases, we seek to understand and explain the judicial conflicts between Sámi samebyar and wind energy developers. Based on the interpretation of the court decisions, we focus on the main features of the courts’ reasoning and examine how the courts have assessed the impact of wind turbines on reindeer husbandry. This chapter thus explains the main factors that have influenced and limited the court decisions and also concludes that these court decisions have failed to guarantee the right of the Sámi Indigenous people to practice sustainable reindeer husbandry in Sweden.Peer reviewe

Towards Mission-Critical Control at the Edge and Over 5G

With the emergence of industrial IoT and cloud computing, and the advent of 5G and edge clouds, there are ambitious expectations on elasticity, economies of scale, and fast time to market for demanding use cases in the next generation of ICT networks. Responsiveness and reliability of wireless communication links and services in the cloud are set to improve significantly as the concept of edge clouds is becoming more prevalent. To enable industrial uptake we must provide cloud capacity in the networks but also a sufficient level of simplicity and self-sustainability in the software platforms. In this paper, we present a research test-bed built to study mission-critical control over the distributed edge cloud. We evaluate system properties using a conventional control application in the form of a Model Predictive Controller. Our cloud platform provides the means to continuously operate our mission-critical application while seamlessly relocating computations across geographically dispersed compute nodes. Through our use of 5G wireless radio, we allow for mobility and reliably provide compute resources with low latency, at the edge. The primary contribution of this paper is a state-of-the art, fully operational test-bed showing the potential for merged IoT, 5G, and cloud. We also provide an evaluation of the system while operating a mission-critical application and provide an outlook on a novel research direction.Comment: June 18th: Upload the final version as submitted to IEEE Services [EDGE] 2018 on May 16th (updated abstract and some wording, results unchanged

Semi-domesticated reindeer avoid winter habitats with exotic tree species Pinus contorta

The introduction of exotic tree species can have profound effects on the native environment, including habitat use and movement patterns of animals, as well as becoming a management challenge for other land users. Here, we used GPS data from reindeer (Rangifer tarandus) and remote sensing measurements of lichen cover and soil moisture to assess the effects of the exotic lodgepole pine (Pinus contorta) on reindeer husbandry by the Indig-enous S ' ami in northern Sweden. We used locational data from 67 reindeer for three winters to analyze their habitat selection at the second-order selection (placement of home range in the landscape) and third-order se-lection (selection of sites within the home range) in relation to land cover class, terricolous lichen cover as measure of winter forage abundance, topographic features, and distance to roads. We also analyzed remotely sensed abundance of lichens in different forest types, and the association between these forest types and soil moisture as measure of suitability as lichen habitat. Compared to native P. sylvestris, we found that reindeer avoided stands with P. contorta where trees were higher than three meters. If P. contorta was the dominant tree species, reindeer were 60 % less likely to select these stands compared to stands with P. sylvestris, and 40 % less likely if P. contorta was less dominant at both orders of selection. We also found that reindeer selected areas with higher lichen cover. Lichen cover was lower in P. contorta stands compared to stands of the native P. sylvestris, even though P. contorta occurred mainly on dry soils usually favorable for terricolous lichens. We conclude that planting P. contorta on soils suitable for terricolous lichens is likely to reduce forage availability for reindeer and turn habitats earlier preferred by reindeer into avoided habitat, resulting in an overall reduction of winter grazing grounds. The effects of stands with P. contorta, albeit covering a comparatively small percentage of the reindeer husbandry area, need to be seen in context with generally declining terricolous lichen abundance due to land uses like forestry and other cumulative effects by external pressures on reindeer husbandry

Renar och vindkraft II

Utbyggnaden av vindkraft inom renskötselområdet har ökat markant det senaste decenniet, trots att kunskapen om påverkan av vindkraftsetableringar ännu inte är fullt utredd och dokumenterad. I den här rapporten beskriver vi framförallt hur vindkraftparker i driftsfas påverkar renarna och renskötseln i tre olika områden. I Malå sameby har vi studerat kalvningsområdet kring Storliden och Jokkmokkslidens vindkraftparker. I Vilhelmina Norra sameby har vi studerat vinterbetesområdet kring Stor-Rotlidens vindkraftpark, samt Lögdeålandets betesområde med Gabrielsbergets vindkraftpark som används av Byrkije reinbetesdistrikt från Norge. För att få en helhetsbild av hur renarna använder sitt betesområde är det viktigt att studera renarnas betes- och förflyttningsmönster långsiktigt och över hela deras betesområde och inte bara inom det lokala området nära parken. Det är också viktigt att ta hänsyn till att renarnas betesutnyttjande skiftar från år till år och mellan olika årstider beroende på väderlek och andra yttre förutsättningar. Vi vill också understryka vikten av att kombinera den traditionella kunskapen från renskötarna med vedertagna vetenskapliga analysmetoder för att besvara de frågor som är viktiga för att kunna bedriva en hållbar renskötsel. Vi har undersökt renarnas användning av områdena genom att utföra spillningsinventeringar under åren 2009-2015 (endast i Malå sameby), och genom att följa renar utrustade med GPS-halsband under åren 2005-2015. Datat är insamlat före och under byggfas och under driftsfas (för Gabrielsberget finns GPS-data endast för driftsfasen). Vi har analyserat data genom att utveckla statistiska modeller för val av betesområde för varje område där vi har beräknat hur renarna förhåller sig till vindkraftparksområdet före, under och efter byggnation, och på Gabrielsberget när parken varit avstängd under 40 dagar och under drift vid olika renskötselsituationer. Genom intervjuer, möten och samtal, samt information från Gabrielsbergets vindkraftparks kontrollprogram, har vi tagit del av renskötarnas erfarenheter av hur renarnas beteende, och därmed även renskötseln, påverkats av vindkraftsutbyggnaden i respektive område. Våra resultat visar att renarna både på kalvnings- och på vinterbetesområden påverkas negativt av vindkraftsetableringarna (Tabell a). Renarna undviker att beta i områden där de kan se och/eller höra vindkraftsverken och föredrar att vistas i områden där vindkraftverken är skymda. I kalvningsområdet i Malå ökade användningen av skymda områden med 60 % under driftsfas. I vinterbetesområdet på Gabrielsberget, när renarna utfodrades i parken och kantbevakades intensivt för att stanna i parkområdet under driftsfas, ökade användningen av skymda områden med 13 % jämfört med när de inte var utfodrade och fick ströva mer fritt. Resultaten visar också att renarna minskar sin användning av området nära vindkraftparkerna. I kalvningslandet i Malå minskar renarna sin användning av områden inom 5 km från parkerna med 16-20 %. Vintertid vid Gabrielsbergets vindkraftpark undvek renarna parken med 3 km. Våra resultat visar även att renarnas betesro minskar inom en radie på 4 km från vindkraftparkerna under kalvningsperioden och tiden därefter i jämförelse med perioden före byggfas. Exakta avstånd som renarna påverkas beror på förutsättningarna i respektive område, exempelvis hur topografin ser ut eller om området är begränsat av stängsel eller annan infrastruktur. Förändringarna i habitatutnyttjande i våra studieområden blev tydligare när parkerna var centralt belägna i renarnas betesområde, som i kalvningsområdet i Malå eller i vinterbeteslandet på Gabrielsberget, medan det inte var lika tydliga effekter kring Stor-Rotlidens park, som ligger i utkanten av ett huvudbetesområde. Oftast är snöförhållandena bättre ur betessynpunkt högre upp i terrängen än nere i dalgångarna, på grund av stabilare temperatur, vind som blåser bort snötäcket och mer variation i topografin. Därför kan etablering av vindkraftparker i höglänta områden försämra möjligheten att använda sådana viktiga reservbetesområden under vintrar med i övrigt dåliga snöförhållanden, vilka blir allt vanligare i och med klimatförändringarna. Våra resultat tyder inte direkt på att renarna påverkats negativt under dåliga betesvintrar men fler år av studier behövs för att ytterligare klargöra hur vindkraft påverkar renarna under dessa vintrar. Våra studier har visat att etablering av vindkraft har konsekvenser för renskötseln under både barmarkssäsongen och under vintern, men effekterna förmodas få störst inverkan inom vinterbetesområdet där det är svårt att hitta alternativa betesområden för renarna. Under sommaren är betestillgången oftast mindre begränsad och renarna kan lättare hitta alternativa områden. En direkt konsekvens av Gabrielsbergets vindkraftpark som är placerad mitt i ett vinterbetesområde har blivit att renarna behöver tillskottsutfodras och bevakas intensivare för att de inte ska gå ut ur området. När den naturliga vandringen mellan olika betesområden störs för att renarna undviker att vistas i ett område kan det leda till att den totala tillgången till naturligt bete minskar och att man permanent måste tillskottsutfodra, alternativt minska antalet renar. Annan infrastruktur som vägar och kraftledningar påverkar också renarna. Vid Storliden och Jokkmokksliden och vid Stor-Rotliden där data samlats in innan vindkraftparken uppfördes visar våra resultat att renarna undviker de omkringliggande landsvägarna redan innan parkerna etablerades. Vid Stor-Rotliden ökar dock renarna användningen av områden nära vägarna efter att parken är byggd. På Gabrielsberget, där vi endast har data under drifttiden, är renarna närmare vägarna (även stora vägar som E4) när renskötarna minskar på kantbevakningen för att inte hålla renarna nära parken. Detta ökar naturligtvis risken för trafikolyckor och innebär att renskötarna måste bevaka dessa områden intensivare. Sist i rapporten presenterar vi förslag till åtgärder som kan användas för att underlätta arbetet för renskötseln om det är så att en vindkraftpark redan är byggd. Några exempel på åtgärder som är direkt kopplat till parken är att stänga av vägarna in i vindkraftparken för att förhindra nöjeskörning med skoter och bil under den tiden renarna vistas i området samt tät dialog mellan vindkraftsbolag och sameby angående vinterväghållningen av vägarna till och inom vindkraftparken. Andra mer regionala åtgärder för att förbättra förutsättningarna för renskötselarbetet på andra platser för samebyn, kan vara att sätta stängsel längst större vägar och järnvägar (t.ex. E4:an eller stambanan) i kombination med strategiskt utplacerade ekodukter. Detta för att underlätta och återställa möjligheterna till renarnas fria strövning och renskötarnas flytt av renar mellan olika betesområden