abstract: Energy use within urban building stocks is continuing to increase globally as populations expand and access to electricity improves. This projected increase in demand could require deployment of new generation capacity, but there is potential to offset some of this demand through modification of the buildings themselves. Building stocks are quasi-permanent infrastructures which have enduring influence on urban energy consumption, and research is needed to understand: 1) how development patterns constrain energy use decisions and 2) how cities can achieve energy and environmental goals given the constraints of the stock. This requires a thorough evaluation of both the growth of the stock and as well as the spatial distribution of use throughout the city. In this dissertation, a case study in Los Angeles County, California (LAC) is used to quantify urban growth, forecast future energy use under climate change, and to make recommendations for mitigating energy consumption increases. A reproducible methodological framework is included for application to other urban areas. In LAC, residential electricity demand could increase as much as 55-68% between 2020 and 2060, and building technology lock-in has constricted the options for mitigating energy demand, as major changes to the building stock itself are not possible, as only a small portion of the stock is turned over every year. Aggressive and timely efficiency upgrades to residential appliances and building thermal shells can significantly offset the projected increases, potentially avoiding installation of new generation capacity, but regulations on new construction will likely be ineffectual due to the long residence time of the stock (60+ years and increasing). These findings can be extrapolated to other U.S. cities where the majority of urban expansion has already occurred, such as the older cities on the eastern coast. U.S. population is projected to increase 40% by 2060, with growth occurring in the warmer southern and western regions. In these growing cities, improving new construction buildings can help offset electricity demand increases before the city reaches the lock-in phase. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Civil and Environmental Engineering 2016

Orientador: Marco Antonio Martin Biaggioni / Banca: Widsney Alves Ferreira / Banca: Alessandro Torres Campos / Resumo: A secagem combinada consiste na utilização de um secador em alta temperatura, para reduzir o teor de umidade dos grãos até 16-18% b.u., e, então, proceder a secagem com ar em temperatura próxima à ambiente, até os grãos atingirem a umidade ideal para o armazenamento. Tendo em vista a possibilidade de aplicação deste método para a secagem do milho produzido na região de Pedrinhas Paulista - SP, o presente trabalho teve por objetivo estudar a sua viabilidade, tendo como referência a secagem convencional em alta temperatura, avaliando parâmetros relativos ao consumo de energia, operacionalidade do processo e qualidade do produto seco. O trabalho foi realizado, em escala real, utilizando um secador contínuo, de fluxo misto e com fornalha a lenha. A secagem com ar natural transcorreu num armazém graneleiro dotado de sistema de aeração. Foram realizadas três repetições para cada tratamento para coleta dos dados e cálculos dos parâmetros energéticos. Um modelo computacional de simulação de secagem a baixa temperatura foi empregado para determinar as vazões mínimas de ar necessárias para a região em estudo. No programa de simulação, foram utilizados os dados históricos (10 anos) de médias diárias de temperatura e umidade relativa do ar ambiente da região estudada. Os resultados obtidos comprovaram ser viável a utilização da metodologia de secagem combinada de milho para a região de Pedrinhas Paulista - SP, melhorando a eficiência energética do sistema, com redução média de 30% no consumo total de energia e, aumentando em aproximadamente 29% a capacidade de secagem da unidade, agilizando as operações de recepção, pré limpeza e secagem,além de permitir redução de custos operacionais do processo total de secagem de 22%, mesmo com aumento no consumo de energia elétrica...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The combined drying process consists on using a high temperature drier, which reduces the humidity level on grains up to 16-18% w.b., followed by drying with air near to ambient temperature, until the grains reach the ideal content moisture for storage. Keeping in mind the possibility to apply this drying method for corn produced on Pedrinhas Paulista region - SP, the current process aimed to study its feasibility, keeping the conventional high temperature drying method as a reference, assessing related energy consumption parameters, process operation functionality and dry product quality. This work was carried on, in real scale, using a mixed flow continuous drier with a wood furnace. The drying process with natural air happened on a grain store with ventilation system. In order to collect data and subsequent calculation of energetic parameters, each treatment was repeated three times. A computer simulation model of low temperature drying process was applied to determine minimum necessary airflow for the region under study. The simulation program used historic data (10 years) of the ambient air daily average temperature and humidity of this region. The results proved the feasibility of the combined drying methodology for corn on the Pedrinhas Paulista region - SP, improving the system energetic efficiency with 30% less than energy, increase 29% the drying capacity, optimizing operations of reception, pre-cleaning and drying. Furthermore, it allows 22% cost reduction on the total drying process, even considering the increase of electricity consumption. The study of the minimum airflow drying system using air temperature close to ambient showed the specific low flow applied on the real model analysed, indicating a possible impact on grain quality, when ambient conditions present low adiabatic potential for drying...(Complete abstract, click electronic access below) / Mestre

Este trabalho tem como objetivo gerar subsídios para futuros estudos que busquem desenvolver carenagens de miniveículos com eficiência energética. Para tanto, são realizados estudos de diversas técnicas que podem influenciar no melhor desempenho com redução de consumo considerando menor perda de energia no ciclo de vida do produto usando os princípios da Ecologia. A partir da fundamentação teórica, foi desenvolvida uma carenagem aplicando a metodologia de Biônica baseada na forma do Límulus que é o ser vivo mais antigo do planeta. Foram utilizados recursos de tecnologia computacional para captura de seu formato, e utilização de softwares paramétricas para realização de análises de elementos finitos testando a eficiência de sua forma. Posteriormente foi proposto um desenho com uso de acessórios aerodinâmicos para verificação de seus comportamentos, que atendeu aos requisitos do projeto, adequando às questões de ergonomia e legislação nacional de trânsito. Por fim, foi construído um protótipo em escala real para realização de testes práticos e demonstração de técnicas para sua execução. Os resultados obtidos servirão de referência como método de desenvolvimento para novos miniveículos que se propõem a ter eficiência energética. / This study aims to generate subsidies for future research about the development of car body for mini vehicle with energy efficiency. For such purpose, diverse techniques that may influence on better performance with consumption reduction were studied, considering lower loss of energy during the life cycle of the product using the principies of Ecology. Based on academic background, a car body was developed applying Bionics methodology, more specifically the shape of Limulus, which is the oldest live being on the planet. Resources from computational technology were used to capture its format, as well as parametric software for finite element analysis testing the efficiency of its shape. Subsequently a design was proposed using aerodynamics accessories to verify its behavior, which met the requirements of the project, adapting to ergonomic issues and national traffic legislation. Lastly, a prototype was built in real scale for implementation of practical tests and technique demonstration. The results obtained can be used as a reference of development method for new mini vehicles with the purpose of having energy efficiency.

Os atuais sistemas de HPC tem realizado simulações mais complexas possíveis, produzindo benefícios para diversas áreas de pesquisa. Para atender à crescente demanda de processamento dessas simulações, novos equipamentos estão sendo projetados, visando à escala exaflops. Um grande desafio para a construção destes sistemas é a potência que eles vão demandar, onde perspectivas atuais alcançam GigaWatts. Para resolver este problema, esta tese apresenta uma abordagem para aumentar a eficiência energética usando recursos de HPC, objetivando reduzir os efeitos do desequilíbrio de carga e economizar energia. Nós desenvolvemos uma estratégia baseada no consumo de energia, chamada ENERGYLB, que considera características da plataforma, irregularidade e dinamicidade de carga das aplicações para melhorar a eficiência energética. Nossa estratégia leva em conta carga computacional atual e a frequência de clock dos cores, para decidir entre chamar uma estratégia de balanceamento de carga que reduz o desequilíbrio de carga migrando tarefas, ou usar técnicas de DVFS par ajustar as frequências de clock dos cores de acordo com suas cargas computacionais ponderadas. Como as diferentes arquiteturas de processador podem apresentam dois níveis de granularidade de DVFS, DVFS-por-chip ou DVFS-por-core, nós criamos dois diferentes algoritmos para a nossa estratégia. O primeiro, FG-ENERGYLB, permite um controle fino da frequência dos cores em sistemas que possuem algumas dezenas de cores e implementam DVFS-por-core. Por outro lado, CG-ENERGYLB é adequado para plataformas de HPC composto de vários processadores multicore que não permitem tal refinado controle, ou seja, que só executam DVFS-por-chip. Ambas as abordagens exploram desbalanceamentos residuais em aplicações interativas e combinam balanceamento de carga dinâmico com técnicas de DVFS. Assim, eles reduzem a frequência de clock dos cores com menor carga computacional os quais apresentam algum desequilíbrio residual mesmo após as tarefas serem remapeadas. Nós avaliamos a aplicabilidade das nossas abordagens utilizando o ambiente de programação paralela CHARM++ sobre benchmarks e aplicações reais. Resultados experimentais presentaram melhorias no consumo de energia e na demanda potência sobre algoritmos do estado-da-arte. A economia de energia com ENERGYLB usado sozinho foi de até 25% com nosso algoritmo FG-ENERGYLB, e de até 27% com nosso algoritmo CG-ENERGYLB. No entanto, os desequilíbrios residuais ainda estavam presentes após as serem tarefas remapeadas. Neste caso, quando as nossas abordagens foram empregadas em conjunto com outros balanceadores de carga, uma melhoria na economia de energia de até 56% é obtida com FG-ENERGYLB e de até 36% com CG-ENERGYLB. Estas economias foram obtidas através da exploração do desbalanceamento residual em aplicações interativas. Combinando balanceamento de carga dinâmico com DVFS nossa estratégia é capaz de reduzir a demanda de potência média dos sistemas paralelos, reduzir a migração de tarefas entre os recursos disponíveis, e manter o custo de balanceamento de carga baixo. / Current HPC systems have made more complex simulations feasible, yielding benefits to several research areas. To meet the increasing processing demands of these simulations, new equipment is being designed, aiming at the exaflops scale. A major challenge for building these systems is the power that they will require, which current perspectives reach the GigaWatts. To address this problem, this thesis presents an approach to increase the energy efficiency using of HPC resources, aiming to reduce the effects of load imbalance to save energy. We developed an energy-aware strategy, called ENERGYLB, which considers platform characteristics, and the load irregularity and dynamicity of the applications to improve the energy efficiency. Our strategy takes into account the current computational load and clock frequency, to decide whether to call a load balancing strategy that reduces load imbalance by migrating tasks, or use Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) technique to adjust the clock frequencies of the cores according to their weighted loads. As different processor architectures can feature two levels of DVFS granularity, per-chip DVFS or per-core DVFS, we created two different algorithms for our strategy. The first one, FG-ENERGYLB, allows a fine control of the clock frequency of cores in systems that have few tens of cores and feature per-core DVFS control. On the other hand, CGENERGYLB is suitable for HPC platforms composed of several multicore processors that do not allow such a fine-grained control, i.e., that only perform per-chip DVFS. Both approaches exploit residual imbalances on iterative applications and combine dynamic load balancing with DVFS techniques. Thus, they reduce the clock frequency of underloaded computing cores, which experience some residual imbalance even after tasks are remapped. We evaluate the applicability of our approaches using the CHARM++ parallel programming system over benchmarks and real world applications. Experimental results present improvements in energy consumption and power demand over state-of-the-art algorithms. The energy savings with ENERGYLB used alone were up to 25%with our FG-ENERGYLB algorithm, and up to 27%with our CG-ENERGYLB algorithm. Nevertheless, residual imbalances were still present after tasks were remapped. In this case, when our approaches were employed together with these load balancers, an improvement in energy savings of up to 56% is achieved with FG-ENERGYLB and up to 36% with CG-ENERGYLB. These savings were obtained by exploiting residual imbalances on iterative applications. By combining dynamic load balancing with the DVFS technique, our approach is able to reduce the average power demand of parallel systems, reduce the task migration among the available resources, and keep load balancing overheads low.

La performance énergétique dans les bâtiments est influencée par de nombreux facteurs, tels que les conditions météorologiques ambiantes, la structure du bâtiment et les caractéristiques, l'occupation et leurs comportements, l'opération de sous-composants de niveau comme le chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC). Cette propriété rend complexe la prévision, l'analyse, ou faute de détection / diagnostic de la consommation énergétique du bâtiment est très difficile d'effectuer rapidement et avec précision. Cette thèse se concentre principalement sur la mise à jour des modèles d'intelligence artificielle avec des applications pour résoudre ces problèmes. Tout d'abord, nous passons en revue les modèles récemment développés pour résoudre ces problèmes, y compris des méthodes d'ingénierie détaillée et simplifiée, les méthodes statistiques et les méthodes d'intelligence artificielle. Puis nous simulons des profils de consommation d'énergie pour les bâtiments simples et multiples, et basé sur ces ensembles de données, des modèles de soutien vecteur de la machine sont formés et testés pour faire la prédiction. Les résultats des expériences montrent vaste précision de la prédiction haute et la robustesse de ces modèles. Deuxièmement, déterministe récursif Perceptron (RDP) modèle de réseau neuronal est utilisé pour détecter et diagnostiquer défectueuse consommation d'énergie du bâtiment. La consommation anormale est simulé par l'introduction manuelle d'une dégradation des performances des appareils électriques. Dans l'expérience, le modèle montre la capacité de détection RDP très élevé. Une nouvelle approche est proposée pour diagnostiquer des défauts. Il est basé sur l'évaluation des modèles RDP, dont chacun est capable de détecter une panne de matériel. Troisièmement, nous examinons comment la sélection des sous-ensembles caractéristiques de l'influence la performance du modèle. Les caractéristiques optimales sont choisis en fonction de la faisabilité de l'obtention eux et sur les scores qu'ils fournissent dans l'évaluation de deux méthodes de filtrage. Les résultats expérimentaux confirmer la validité de l'ensemble sélectionné et montrent que la proposé la méthode de sélection fonction peut garantir l'exactitude du modèle et réduit le temps de calcul. Un défi de la consommation énergétique du bâtiment est d'accélérer la prédiction de formation du modèle lorsque les données sont très importantes. Cette thèse propose une mise en œuvre efficace parallèle de Support Vector Machines basée sur la méthode de décomposition pour résoudre de tels problèmes. La parallélisation est réalisée sur le travail le plus fastidieux de formation, c'est à dire de mettre à jour le vecteur gradient de f. Les problèmes intérieurs sont traitées par solveur d'optimisation séquentielle minimale. Le parallélisme sous-jacente est réalisée par la version de mémoire partagée de Map-Reduce paradigme, qui rend le système particulièrement adapté pour être appliqué à des systèmes multi-core et multi-processeurs. Les résultats expérimentaux montrent que notre implémentation offre une augmentation de la vitesse élevée par rapport à libsvm, et il est supérieur à l'état de l'art Pisvm application MPI à la fois la rapidité et l'exigence de stockage. / The energy performance in buildings is influenced by many factors, such as ambient weather conditions, building structure and characteristics, occupancy and their behaviors, the operation of sub-level components like Heating, Ventilation and Air-Conditioning (HVAC) system. This complex property makes the prediction, analysis, or fault detection/diagnosis of building energy consumption very difficult to accurately and quickly perform. This thesis mainly focuses on up-to-date artificial intelligence models with the applications to solve these problems. First, we review recently developed models for solving these problems, including detailed and simplified engineering methods, statistical methods and artificial intelligence methods. Then we simulate energy consumption profiles for single and multiple buildings, and based on these datasets, support vector machine models are trained and tested to do the prediction. The results from extensive experiments demonstrate high prediction accuracy and robustness of these models. Second, Recursive Deterministic Perceptron (RDP) neural network model is used to detect and diagnose faulty building energy consumption. The abnormal consumption is simulated by manually introducing performance degradation to electric devices. In the experiment, RDP model shows very high detection ability. A new approach is proposed to diagnose faults. It is based on the evaluation of RDP models, each of which is able to detect an equipment fault.Third, we investigate how the selection of subsets of features influences the model performance. The optimal features are selected based on the feasibility of obtaining them and on the scores they provide under the evaluation of two filter methods. Experimental results confirm the validity of the selected subset and show that the proposed feature selection method can guarantee the model accuracy and reduces the computational time.One challenge of predicting building energy consumption is to accelerate model training when the dataset is very large. This thesis proposes an efficient parallel implementation of support vector machines based on decomposition method for solving such problems. The parallelization is performed on the most time-consuming work of training, i.e., to update the gradient vector f. The inner problems are dealt by sequential minimal optimization solver. The underlying parallelism is conducted by the shared memory version of Map-Reduce paradigm, making the system particularly suitable to be applied to multi-core and multiprocessor systems. Experimental results show that our implementation offers a high speed increase compared to Libsvm, and it is superior to the state-of-the-art MPI implementation Pisvm in both speed and storage requirement.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um conversor com capacitor comutado para o acionamento de diodos emissores de luz (LED) de potÃncia, alimentado a partir da rede elÃtrica de baixa tensÃo. Diferente dos conversores tradicionais de corrente contÃnua, a corrente direcionada aos LEDs à fornecida por meio de capacitores comutados. O conversor proposto ainda difere dos conversores convencionais baseados no capacitor comutado, pois utiliza uma indutÃncia para evitar o carregamento e o descarregamento forÃado dos capacitores comutados, reduzindo os picos de corrente e a emissÃo eletromagnÃtica do circuito. O conversor proposto apresenta correÃÃo do fator de potÃncia inerente e pode proporcionar isolaÃÃo atravÃs de capacitores. TambÃm se propÃe a utilizaÃÃo de duas topologias de filtro LC sintonizado (filtro LC paralelo e LC sÃrie) para reduzir a ondulaÃÃo da corrente de saÃda do conversor, evitando a utilizaÃÃo de capacitores eletrolÃticos. Um estudo teÃrico do conversor proposto à realizado atravÃs das anÃlises qualitativa e quantitativa, nas quais sÃo determinados os esforÃos de tensÃo e corrente nos principais componentes e tambÃm as perdas nos componentes do conversor. Um protÃtipo de laboratÃrio de 51 W com tensÃo de entrada eficaz de 220 V à projetado e testado experimentalmente. Os resultados de simulaÃÃo e experimentais sÃo apresentados e discutidos, demostrando a viabilidade tÃcnica do conversor proposto. Para a condiÃÃo de carga nominal o conversor apresenta rendimento de 75,3% e fator de potÃncia de entrada de 0,996, respeitando os limites de emissÃo de harmÃnicos determinados pela norma IEC 61000-3-2. Com a aplicaÃÃo do filtro LC paralelo, conectado em sÃrie com os LEDs, obtÃm-se ondulaÃÃo de corrente de saÃda de aproximadamente 68%, sendo essa topologia a que apresenta melhor desempenho, entre os filtros testados, estando apta a substituir o capacitor eletrolÃtico de saÃda. / This work presents a study and development of a switched capacitor-based converter to drive high power light emitting diodes (LEDs) fed from the main grid. Unlike to conventional constant current dc drivers, the current through LEDs is provided by a switched capacitor. The proposed converter approach differs from the traditional switched-capacitor-based one, because it uses an inductance to avoid the forced charging and discharging operation, reducing current spikes and EMI in the circuit. The proposed converter provides inherent power factor correction and it can provide isolation by capacitors. It is also proposed the use of two tuned LC filter topologies (parallel LC filter and series LC filter) to reduce the output current ripple, avoiding the use of large electrolytic capacitors. A theoretical analysis of the proposed converter is performed via quantitative and qualitative analysis, which determines the voltage and current efforts in main components and also losses in the converter. A 51 W, 220 V RMS laboratory prototype is designed and tested experimentally. Simulation and experimental results are presented and discussed demonstrating the technical feasibility of the proposed converter. At rated load, the converter features an efficiency of 75.3% and an input power factor of 0.996, while respecting emission limits of harmonics determined by IEC 61000-3-2. For the application of the parallel LC filter, connected in series with LED array, it is obtained output current ripple of approximately 68%. This topology presented better performance, between tested topologies, being able to replace the output electrolytic capacitor.

Este trabalho tem como objetivo gerar subsídios para futuros estudos que busquem desenvolver carenagens de miniveículos com eficiência energética. Para tanto, são realizados estudos de diversas técnicas que podem influenciar no melhor desempenho com redução de consumo considerando menor perda de energia no ciclo de vida do produto usando os princípios da Ecologia. A partir da fundamentação teórica, foi desenvolvida uma carenagem aplicando a metodologia de Biônica baseada na forma do Límulus que é o ser vivo mais antigo do planeta. Foram utilizados recursos de tecnologia computacional para captura de seu formato, e utilização de softwares paramétricas para realização de análises de elementos finitos testando a eficiência de sua forma. Posteriormente foi proposto um desenho com uso de acessórios aerodinâmicos para verificação de seus comportamentos, que atendeu aos requisitos do projeto, adequando às questões de ergonomia e legislação nacional de trânsito. Por fim, foi construído um protótipo em escala real para realização de testes práticos e demonstração de técnicas para sua execução. Os resultados obtidos servirão de referência como método de desenvolvimento para novos miniveículos que se propõem a ter eficiência energética. / This study aims to generate subsidies for future research about the development of car body for mini vehicle with energy efficiency. For such purpose, diverse techniques that may influence on better performance with consumption reduction were studied, considering lower loss of energy during the life cycle of the product using the principies of Ecology. Based on academic background, a car body was developed applying Bionics methodology, more specifically the shape of Limulus, which is the oldest live being on the planet. Resources from computational technology were used to capture its format, as well as parametric software for finite element analysis testing the efficiency of its shape. Subsequently a design was proposed using aerodynamics accessories to verify its behavior, which met the requirements of the project, adapting to ergonomic issues and national traffic legislation. Lastly, a prototype was built in real scale for implementation of practical tests and technique demonstration. The results obtained can be used as a reference of development method for new mini vehicles with the purpose of having energy efficiency.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-04-06T13:27:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) versao_biblioteca.pdf: 3051240 bytes, checksum: ac1a91e08d64c78a372cb0e151bcb7c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-06T13:27:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) versao_biblioteca.pdf: 3051240 bytes, checksum: ac1a91e08d64c78a372cb0e151bcb7c7 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / CAPEs / Empowering application programmers to make energy-aware decisions is a critical dimension in improving energy efficiency of computer systems. Despite the growing interest in designing software development processes, frameworks, and programming models to facilitate application-level energy management, little is known on how to design application-level energy-efficient solutions for concurrent software running on parallel architectures. This is unfortunate for at least two reasons: (1) thanks to the proliferation of multicore CPUs, concurrent programming is a standard practice in modern software engineering; (2) a CPU with more cores (say 32) often consumes more power than one with fewer cores (say 1 or 2). However, application developers still do not understand how their code modifications impact energy consumption in a parallel system. Analyzing STACKOVERFLOW showed evidence that this is a real problem; Even though the interest in energy consumption issues is increasing over the years, developers still hold misconceptions and assumptions that are not always true. This lack of knowledge is primarily due to a lack of appropriate tools to measure/identify/refactor energy consumption hotspots. This thesis begins to bridge the chasm of the first problem — the lack of knowledge — by presenting an extensive experimental space exploration over two concurrent programming building blocks: (1) thread-safe collections and (2) thread management constructs. Through a list of findings that are not always obvious, we illuminate the relationship between the choices and settings of design decisions and energy consumption of parallel systems. This thesis then starts to bridge the gap of the second problem — the lack of tools. Lessons learned in our previous studies showed that ForkJoin tasks often operate on an indexable data structure, with subtasks operating only on part of this data structure. One naïve solution is to copy part of the data structure and use it in the next computation. In a recursive framework such as ForkJoin, given an array-based representation, each recursive call will create n new arrays, where n is the width of forking. To address this, we derive a refactoring that, instead of copy part of the data structure, it shares it, allowing subtasks to operate on contiguous partitions of the data structure. We manually applied this refactoring into 15 open source projects. Our refactoring succeed in saving energy for each one of them (12% average saving). We sent the refactored versions to the project owner and, during a timeframe of 40 days, 7 out of 9 projects that replied to our patches have already accepted and merged them. Discussions during the merge process revealed that developers were not aware of this optimization. We then implemented this refactoring as an Eclipse plug-in so that other developers can (1) detect uses of copy where it would be beneficial to use sharing and (2) refactor the code in an automated way. / Fornecer meios para que desenvolvedores de software tomem decisões energeticamente eficientes é uma dimensão crítica para se melhorar o consumo de energia de sistemas computacionais. Apesar do crescente interesse em processos de desenvolvimento de software, arcabouços, e modelos de programação de forma a facilitar o gerenciamento de energia no nível da aplicação, pouco se sabe sobre como arquitetar sistemas concorrentes energéticamente eficientes que rodem em arquiteturas paralelas. Isso é inoportuno por pelo menos duas razões: (1) graças a proliferação de CPUs multicore, programação concorrente se tornou uma prática padrão na engenharia de software moderna; (2) uma CPU com várias unidades de processamento (por exemplo, 32) geralmente dissipa mais potência do que uma com um número menor (por exemplo, 1 ou 2). No entanto, desenvolvedores ainda não entendem como suas modificações de código impactam no consumo de energia de uma aplicação paralela. Uma análise do StackOverflow mostrou evidências que esse é um problema real; mesmo embora exista um crescente interesse em questões relacionadas ao consumo de energia, desenvolvedores ainda cometem equívocos e mantêm suposições que não são sempre verdadeiras. Essa falta de conhecimento é primariamente devido a falta de ferramentas apropriadas para medir/identificar/refatorar hotspots de consumo de energia. Essa tese então começa a pavimentar o abismo do primeiro problema — a falta de conhecimento — através de uma extensa exploração experimental de dois dos pilares fundamentais da programação concorrente: (1) coleções thread-safe e (2) construções para o gerenciamento de threads. Através de uma lista de achados que não são sempre óbvios, esta tese ilumina o relacionamento entre escolhas de design de código paralelo com seu consumo de energia. Esta tese começa então a pavimentar a lacuna do segundo problema — a falta de ferramentas. Lições aprendidas em um dos estudos anteriores mostraram que várias tarefas do arcabouço ForkJoin operam em estrutura de dados indexáveis, com sub-tarefas operando somente em parte dessa estrutura de dados. Uma solução ingênua é de copiar parta da estrutura de dados e utiliza-la na computação sub-sequente. Em um arcabouço recursivo como o ForkJoin, dado uma representação baseada em arrays, cada chamada recursiva criará n novos arrays, onde n é a profundidade do fork. Como solução, esta tese apresenta uma refatoração que, ao invés de copiar parte da estrutura de dados, ela compartilha-a, possibilitando que sub-tarefas operem em partições contíguas da estrutura de dados. Essa refatoração foi avaliada em 15 projetos de código aberto, a qual foi capaz de economizar energia em todos os casos (média de 12% de economia). A versão refatorada foi enviada aos mantenedores do projeto original e, durante um período de 40 dias, 7 dos 9 mantenedores que responderam aos patches enviados já haviam aceitado-os e integrado-os. Discussões durante o processo de integração revelaram que desenvolvedores não estão cientes desta otimização. Esta tese então implementou essa refatoração como um plug-in da IDE Eclipse de forma que outros desenvolvedores possam (1) detectar usos de cópia em cenários o quais seriam beneficiais o uso do modelo de compartilhamento and (2) refatorar o código de forma automática.

Orientador: Waldyr Luiz Ribeiro Gallo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T19:50:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VidozaGuillen_JorgeAlejandro_M.pdf: 6817089 bytes, checksum: a261816320a3076eeb75253558a35d02 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O objetivo principal deste trabalho é analisar os impactos futuros da aplicação de políticas energéticas mais eficientes no consumo de combustíveis fósseis para a geração de eletricidade na Venezuela. Os recursos principais utilizados na indústria elétrica são: gás natural, óleo diesel e óleo combustível. Esta análise foi feita projetando o desenvolvimento a médio prazo do setor elétrico em um horizonte de tempo de quinze anos. Diferentes cenários de crescimento econômico e mudanças tecnológicas foram assumidos a fim de realizar essas projeções. A ferramenta de simulação usada foi o programa de planejamento energético LEAP. Após simular um esquema de demanda e fixar as características de desenvolvimento de cada cenário, obtiveram-se os resultados de consumo e disponibilidade. O cenário de alto crescimento econômico e baixa eficiência (CRE) apresenta uma importação de gás natural de 15% da demanda total. Por outro lado, o cenário de baixo crescimento econômico e baixa eficiência (BAS), além de importações de gás natural, apresenta uma importação direta de eletricidade de 8% da demanda total. Estes cenários com baixa eficiência deixariam a Venezuela vulnerável em termos de segurança energética. Devido ao grande risco que apresentam esses cenários, é mais provável que ocorra maior investimento na produção e exploração interna de recursos energéticos, que investimentos em infraestrutura para importação. O óleo diesel apresenta cenários menos divergentes e mais independentes das hipóteses utilizadas. O consumo de óleo combustível depende em grande parte da disponibilidade dos outros dois e da conjuntura econômica, porque, para deixar de utilizar este recurso são necessárias mudanças mais estruturais nas usinas de geração e refinarias. Deve-se alcançar uma utilização mais eficiente dos combustíveis líquidos, que atenue também o déficit temporário de gás natural. O incremento da eficiência nesses processos é vital para a economia venezuelana já que poderia incrementar a quantidade de petróleo cru disponível para a exportação / Abstract: The main goal of this work was to make a prospective analysis on the impacts of efficient energy policies application, regarding the fossil fuel consumption for electricity generation in Venezuela. The main fossil resources used for the electric power industry are: natural gas, diesel and fuel oil. The analysis was done by projecting the middle-term development of the electrical sector in a fifteen year time horizon. Different conditions of economic growth and technology were assumed in order to carry out these projections. Energy planning software LEAP was the simulation tool used in this study. Results on consumption and availability were finally obtained after simulating a demand scheme and fixing the development characteristics of every scenario. The high-economic growth and low-efficiency scenario (CRE) results in gas imports that correspond to 15% of total demand. The low-economic growth and low-efficiency scenario (BAS), besides of resulting in natural gas imports, also presents electrical energy imports of 8% of the total demand. These low-efficiency scenarios would make Venezuela vulnerable in terms of energy security. Because of the high risks presented in these scenarios, investments in the inner production and exploitation of energy resources are more likely to happen, rather than investments in imports infrastructure, such as ports, piping or power transmission connections. Diesel oil presents less divergent and more independent scenarios, for the chosen hypotheses. Consumption of fuel oil depends on the availability of the other analyzed fuels. To reduce the consumption of this resource, more structural changes would be needed, such as retrofitting of oil refineries and power generation units. A more efficient use of liquid fossil fuels must be achieved, also helping to reduce the temporary natural gas shortage. Efficiency increase in these processes is vital to Venezuelan economy as it could increase the available quantity of petroleum for exports / Mestrado / Planejamento de Sistemas Energeticos / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Abstract Wireless sensor networks (WSNs) offer us a potential for greater awareness of our surroundings, collecting, measuring, and aggregating parameters beyond our current abilities, and provide an opportunity to enrich our experience through context-awareness. As a typical sensor node is small with limited processing power, memory, and energy resources, in particular, these WSNs must be very energy-efficient for practical deployment. Medium access control (MAC) protocols are central to the energy-efficiency objective of WSNs, as they directly control the most energy consuming part of a sensor node: communications over the shared medium. This thesis focuses on evaluating MAC protocols within the WSN domain by, firstly, surveying a representative number of MAC protocols and their features. Secondly, three novel MAC protocols are proposed, one for layered contention-based access, one for layered scheduled access, and one for cross-layer contention-based access. Thirdly, a novel energy consumption model is proposed, and fourthly, a holistic MAC protocol evaluation model is proposed that takes into account application emphasis on performance metrics. The MAC protocols are evaluated analytically. In addition, the layered contention-based MAC protocol has been implemented and measured, and the cross-layer contention-based protocol operating over an impulse radio-ultra wideband (IR-UWB) physical layer has been verified by simulations with relevant physical layer characteristics. The energy consumption evaluation model proposed is straightforward to modify for evaluating delay, and it can reuse state transition probabilities derived from throughput analysis. The holistic application-driven MAC protocol evaluation model uses a novel single compound metric that represents a MAC protocol's relative performance in a given application scenario. The evaluations have revealed several significant flaws in sensor MAC protocols that are adapted to sensor networking from ad hoc networks. Furthermore, it has been shown that, when taking sufficient details into account, single hop communications can outperform multi-hop communications in the energy perspective within the feasible transmission ranges provided by sensor nodes. The impulse radio physical layer introduces characteristics to MAC protocols that invalidate traditional techniques which model the physical layer in terms of simple collisions. Hence, these physical layer characteristics have been modelled and included in the analysis, which improves the level of agreements with simulated results.