NetGAP: A Graph-Grammar approach for concept design of networked platforms with extra-functional requirements

During the concept design of complex networked systems, concept developers have to assure that the choice of hardware modules and the topology of the target platform will provide adequate resources to support the needs of the application. For example, future-generation aerospace systems need to consider multiple requirements, with many trade-offs, foreseeing rapid technological change and a long time span for realization and service. For that purpose, we introduce NetGAP, an automated 3-phase approach to synthesize network topologies and support the exploration and concept design of networked systems with multiple requirements including dependability, security, and performance. NetGAP represents the possible interconnections between hardware modules using a graph grammar and uses a Monte Carlo Tree Search optimization to generate candidate topologies from the grammar while aiming to satisfy the requirements. We apply the proposed approach to the synthetic version of a realistic avionics application use case and show the merits of the solution to support the early-stage exploration of alternative candidate topologies. The method is shown to vividly characterize the topology-related trade-offs between requirements stemming from security, fault tolerance, timeliness, and the "cost" of adding new modules or links. Finally, we discuss the flexibility of using the approach when changes in the application and its requirements occur

Controle autônomo e distribuído de veículos aéreos não-tripulados

Because of the mobility, easiness of operation and the recent price reduction Unmanned Aerial Vehicles (UAV’s) have, during the last few years, become technically and economically viable alternative tools to perform a great number of tasks classified as 3D - Dull, Dirty and Dangerous. These tasks are also characterized to be expensive and demanded a great deal of effort or equipment or that presented a high risk factor to human lives, such as remote imagery acquisition, perimeter surveillance, search and rescue operations after a natural disaster and military field operation. Following this trend, the project in which this work is inserted aims to use a group or swarm of UAV’s performing the role of mobile routing nodes in order to establish a reliable, flexible and efficient communication network. This network can be used as an alternative solution to provide support to operations located in environments in which a fixed or traditional communication network cannot be counted on or is unstable such as, for example, search and rescue operations after a natural disaster. In this context the following work presents the development and the results of an algorithm capable of exploring the largest possible area of a map while being able to perform side missions, handle points-of-interest (POI) and maintain an active network link. To achieve the desired behavior, two multi-agent social interaction algorithms were combined. The first consists on a potential map algorithm which is a modified vision of the biologically inspired ant-colony optimization method and it is responsible for the movement itself, handling the movement, area coverage and network connectivity problems. The second one is a contract algorithm based on a market economy paradigm and it is responsible to handle the tasks, missions and POI distribution between the UAV’s.Devido a sua grande mobilidade, simplicidade de operação e à redução dos custos envolvidos em sua aquisição os Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT’s) tornaram-se, nos últimos anos, ferramentas viáveis técnica e economicamente para inúmeras aplicações que eram anteriormente complexas, caras e de difícil realização ou que apresentem ameaça à vida humana, como por exemplo, monitoramento, sensoriamento e aquisição remota de imagens. Seguindo esta tendência a proposta principal do projeto no qual este trabalho está inserido é utilizar um grupo de VANT’s desempenhando o papel de nós comutadores móveis de forma a configurar uma rede de comunicações confiável, flexível e eficiente como solução alternativa para dar suporte à operações em ambientes e/ou cenários nos quais não se pode contar com um uma infraestrutura fixa de telecomunicação, tais como em locais afetados por desastres ou em situações de combate. Neste contexto este trabalho apresenta desenvolvimento e teste, juntamente com os resultados, de um algoritmo de coordenação de movimento para VANT’s que seja capaz de explorar a maior área possível de um mapa e executar missões paralelas enquanto se encarrega de manter um enlace sempre ativo nesta rede de suporte. Para atingir estes objetivos dois algoritmos teóricos principais serão combinados em um algoritmo híbrido. O primeiro algoritmo é uma versão do biologicamente inspirado algoritmo de otimização de colônia de formigas, este será responsável pelas decisões sobre a movimentação dos agentes, coordenando o movimento, o problema de cobertura de área e os problemas de conectividade. O segundo é um algoritmo de leilão por economia de mercado, responsável pela distribuição dos pontos de interesse a serem visitados e das missões paralelas

A distributed cooperative multi-UAV coordination system for crowd monitoring applications

Observing the current scenario, where terrorism and vandalism acts have become commonplace, particularly in big cities, it becomes clear the need to equip law enforcement forces with an efficient observation method, capable of identifying and observing potentially threatening individuals on crowds, to avoid or minimize damage in case of attacks. Moreover, with the popularization of small lightweight Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), these have become an affordable and efficient tool, which can be used to track and follow targets or survey areas or buildings quietly, safely and almost undetectably. This work presents the development of a multi-UAV based crowd monitoring system, demonstrating a system that uses small Commercial Of The Shelf (COTS) UAVs to periodically monitor a group of moving walking individuals. The goal of this work is to develop a coordination system for a swarm of UAVS capable of continuously monitoring a large group of individuals (targets) in a crowd, alternately observing each of them at a time while trying to not lose sight of any of these targets. A system equipped with a group of UAVs running this proposal can be used for law-enforcement applications, assisting authorities to monitor crowds in order to identify and to follow suspicious individuals that can have attitudes that could be classified as vandalism or linked to terrorist attack attempts To address this problem a system composed of three parts is proposed and was developed in this thesis. First, an auction algorithm was put in place to distribute interest targets among the multiple UAVs. The UAVs, in turn, make use of a genetic algorithm to calculate the order in which they would visit each of the targets on their observation queue. Moreover, a target handover algorithm was also implemented to redistribute targets among the UAVs in case the system judged that a target was about to be lost by its current observer UAV. The proposed system was evaluated through a set of experiments set-up to verify and to demonstrate the system capabilities to perform such monitoring task, proving its efficiency. During these experiments, it is made clear that the system as a whole has a great potential to solve this kind of moving target monitoring problem that can be mapped to a Time Dependent Travel Salesman Problem (TDTSP), observing targets, and redistributing them among UAVs as necessary during the mission.Ao observar a situação atual, na qual atos de vandalismo e terrorismo tornaram-se frequentes e cada vez mais presentes ao redor do mundo, principalmente em grandes cidades, torna-se clara a necessidade de equipar as forças policiais com tecnologias de observação e monitoramento inteligentes, capazes de identificar e monitorar indivíduos potencialmente perigosos que possam estar infiltrados nas multidões. Ao mesmo tempo, com sua recente popularização, veículos aéreos não tripulados, também chamados VANTs e conhecidos popularmente como "drones", acabaram por tornar-se ferramentas baratas e eficientes para diversas aplicações, incluindo observação, fornecendo a seus utilizadores a capacidade de monitorar alvos, áreas, ou prédios de forma segura e quase imperceptível. Unindo estas duas tendências, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema multi-VANT para observção de alvos móveis em multidões, demonstrando a possibilidade de utilização de pequenos VANTs comerciais comuns para o monitoramento de grupos de pedestres. O principal objetivo de tal sistema é monitorar continuamente indivíduos de interesse em um grupo de pessoas, visitando cada um destes indivíduos alternadamente, de forma a manter um registro geral do estado de cada um deles Um sistema deste tipo poderia, por exemplo, ser utilizado por autoridades no controle de manifestações e outras atividades em que grandes grupos de pessoas estejam envolvidos, ajudando a polícia e outros órgãos a identificar indivíduos com comportamento suspeito ou agressivo mais rapidamente, evitando ou minimizando os efeitos de atitudes de vandalismo e de ataques terroristas. Com o intuíto de abordar tal problema da forma mais completa e adequada possível, esta tese apresenta a concepção e o desenvolvimento de um sistema híbrido composto de três diferentes algoritmos: um algoritmo de distribuição de alvos; um de roteamento; e um de repasse de alvos. Primeiramente, neste sistema, um algoritmo de distribuição de alvos baseado em um paradigma de mercado que simula um leilão distribui os alvos entre os VANTs da melhor forma possível. Os VANTs, por sua vez, utilizam um algoritmo genético de roteamento para resolver uma instância do Problema do Caixeiro Viajante e decidir a melhor rota para visitar cada alvo sob sua responsabilidade. Ao mesmo tempo, o sistema analisa a necessidade de redistribuição dos alvos, ativando um algoritmo capaz de realizar esta ação ao perceber sua necessidade quando na iminência de perder algum alvo de vista. Ao fim de seu desenvolvimento, o sistema proposto foi testado em uma série de experimentos especialmente desenvolvidos para avaliar seu desempenho em situações controladas e comprovar sua eficiência para realizar a missão pretendida

A distributed cooperative multi-UAV coordination system for crowd monitoring applications

Observing the current scenario, where terrorism and vandalism acts have become commonplace, particularly in big cities, it becomes clear the need to equip law enforcement forces with an efficient observation method, capable of identifying and observing potentially threatening individuals on crowds, to avoid or minimize damage in case of attacks. Moreover, with the popularization of small lightweight Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), these have become an affordable and efficient tool, which can be used to track and follow targets or survey areas or buildings quietly, safely and almost undetectably. This work presents the development of a multi-UAV based crowd monitoring system, demonstrating a system that uses small Commercial Of The Shelf (COTS) UAVs to periodically monitor a group of moving walking individuals. The goal of this work is to develop a coordination system for a swarm of UAVS capable of continuously monitoring a large group of individuals (targets) in a crowd, alternately observing each of them at a time while trying to not lose sight of any of these targets. A system equipped with a group of UAVs running this proposal can be used for law-enforcement applications, assisting authorities to monitor crowds in order to identify and to follow suspicious individuals that can have attitudes that could be classified as vandalism or linked to terrorist attack attempts To address this problem a system composed of three parts is proposed and was developed in this thesis. First, an auction algorithm was put in place to distribute interest targets among the multiple UAVs. The UAVs, in turn, make use of a genetic algorithm to calculate the order in which they would visit each of the targets on their observation queue. Moreover, a target handover algorithm was also implemented to redistribute targets among the UAVs in case the system judged that a target was about to be lost by its current observer UAV. The proposed system was evaluated through a set of experiments set-up to verify and to demonstrate the system capabilities to perform such monitoring task, proving its efficiency. During these experiments, it is made clear that the system as a whole has a great potential to solve this kind of moving target monitoring problem that can be mapped to a Time Dependent Travel Salesman Problem (TDTSP), observing targets, and redistributing them among UAVs as necessary during the mission.Ao observar a situação atual, na qual atos de vandalismo e terrorismo tornaram-se frequentes e cada vez mais presentes ao redor do mundo, principalmente em grandes cidades, torna-se clara a necessidade de equipar as forças policiais com tecnologias de observação e monitoramento inteligentes, capazes de identificar e monitorar indivíduos potencialmente perigosos que possam estar infiltrados nas multidões. Ao mesmo tempo, com sua recente popularização, veículos aéreos não tripulados, também chamados VANTs e conhecidos popularmente como "drones", acabaram por tornar-se ferramentas baratas e eficientes para diversas aplicações, incluindo observação, fornecendo a seus utilizadores a capacidade de monitorar alvos, áreas, ou prédios de forma segura e quase imperceptível. Unindo estas duas tendências, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema multi-VANT para observção de alvos móveis em multidões, demonstrando a possibilidade de utilização de pequenos VANTs comerciais comuns para o monitoramento de grupos de pedestres. O principal objetivo de tal sistema é monitorar continuamente indivíduos de interesse em um grupo de pessoas, visitando cada um destes indivíduos alternadamente, de forma a manter um registro geral do estado de cada um deles Um sistema deste tipo poderia, por exemplo, ser utilizado por autoridades no controle de manifestações e outras atividades em que grandes grupos de pessoas estejam envolvidos, ajudando a polícia e outros órgãos a identificar indivíduos com comportamento suspeito ou agressivo mais rapidamente, evitando ou minimizando os efeitos de atitudes de vandalismo e de ataques terroristas. Com o intuíto de abordar tal problema da forma mais completa e adequada possível, esta tese apresenta a concepção e o desenvolvimento de um sistema híbrido composto de três diferentes algoritmos: um algoritmo de distribuição de alvos; um de roteamento; e um de repasse de alvos. Primeiramente, neste sistema, um algoritmo de distribuição de alvos baseado em um paradigma de mercado que simula um leilão distribui os alvos entre os VANTs da melhor forma possível. Os VANTs, por sua vez, utilizam um algoritmo genético de roteamento para resolver uma instância do Problema do Caixeiro Viajante e decidir a melhor rota para visitar cada alvo sob sua responsabilidade. Ao mesmo tempo, o sistema analisa a necessidade de redistribuição dos alvos, ativando um algoritmo capaz de realizar esta ação ao perceber sua necessidade quando na iminência de perder algum alvo de vista. Ao fim de seu desenvolvimento, o sistema proposto foi testado em uma série de experimentos especialmente desenvolvidos para avaliar seu desempenho em situações controladas e comprovar sua eficiência para realizar a missão pretendida

Abstraction models for verifying resource adequacy of IMA systems at concept level

Complex cyber-physical systems can be difficult to analyze for resource adequacy (e.g., bandwidth and buffer size) at the concept development stage since relevant models are hard to create. During this period, details about the functions to be executed or the platforms in the architecture are partially unknown. This is especially true for Integrated Modular Avionics (IMA) systems, for which life-cycles span over several decades, with potential changes to functionality in the future. This work aims to identify abstractions for representing data exchanges among functions realized in networked IMA systems and investigates how these can be represented in formal models and analyzed with exact guarantees. Timed automata (TA) are a relevant choice for modeling since communication resource adequacy is directly related to potential network delays. We explore two alternatives in modeling with TA, a direct one representing every process using a TA template, and a more abstract one representing every computation device with a TA template. While the first approach represents process-to-process data exchanges, the modified approach reduces the state space by representing all processes currently allocated to a single computing element to obtain scalability gains. Both approaches are flexible since the templates presented can be instantiated to represent different types of network topologies and communication patterns. The instantiated TA models are used to illustrate an use case and analyzed with the UPPAAL model checker to verify that a given platform instance supports the desired system functions in terms of network bandwidth and buffer size adequacy, thereby messages reaching their final destination with freshness guarantees. Both abstraction levels are shown to be suitable for verifying the intended properties, but the more abstract one demonstrates a 67% improvement in verification time and a 66% reduction in state space during verification. The more abstract approach is also applied to a real-world example from an earlier publication, with a much larger state space and a more complex structure, to illustrate the ability to reuse the approach in multiple use cases. (C) 2021 The Authors. Published by Elsevier B.V.Funding Agencies|Swedish Governmental Agency for Innovation SystemsVinnova, as part of the national projects on aeronautics, NFFP7, project CLASSICS [NFFP7 201704890]</p