Graphs are often considered an excellent way of modeling complex real-world problems since they allow to capture relationships between items. Because of their ubiquity, graph embedding techniques have occupied research groups, seeking how vertices can be encoded into a low-dimensional latent space, useful to then perform machine learning. Recently Graph Neural Networks (GNN) have dominated the space of embeddings generation due to their inherent ability to encode latent node dependencies. Moreover, the newly introduced Inductive Graph Neural Networks gained much popularity for inductively learning and representing node embeddings through neighborhood aggregate measures. Even when an entirely new node, unseen during training, appears in the graph, it can still be properly represented by its neighboring nodes. Although this approach appears suitable for dynamic graphs, available systems and training methodologies are agnostic of dynamicity and solely rely on re-processing full graph snapshots in batches, an approach that has been criticized for its high computational costs. This work provides a thorough solution to this particular problem via an efficient prioritybased method for selecting rehearsed samples that guarantees low complexity and high accuracy. Finally, a data-parallel inference method has been evaluated at scale using Apache Flink, a data stream processor for real-time predictions on high volume graph data streams. / Molti problemi nel mondo reale possono essere rappresentati come grafi poichè queste strutture dati consentono di modellare relazioni tra elementi. A causa del loro vasto uso, molti gruppi di ricerca hanno tentato di rappresentare i vertici in uno spazio a bassa dimensione, utile per poi poter utilizzare tecniche di apprendimento automatico. Le reti neurali per grafi sono state ampiamente utilizzate per via della loro capacità di codificare dipendenze tra vertici. Le reti neurali induttive recentemente introdotte, inoltre, hanno guadagnato popolarità poichè consentono di generare rappresentazioni di vertici aggregando altri vertici. In questo modo anche un nodo completamente nuovo può comunque essere rappresentato utilizzando i suoi nodi vicini. Sebbene questo approccio sia adatto per grafici dinamici, i sistemi ad oggi disponibili e gli algoritmi di addestramento si basano esclusivamente sulla continua elaborazione di grafi statici, un approccio che è stato criticato per i suoi elevati costi di calcolo. Questa tesi fornisce una soluzione a questo problema tramite un metodo efficiente per l’allenamento di reti neurali induttive basato su un’euristica per la selezione dei vertici. Viene inoltre descritto un metodo per eseguire predizioni in modo scalabile in tempo reale utilizzando Apache Flink, un sistema per l’elaborazione di grandi quantità di flussi di dati in tempo reale. / Grafer anses ofta vara ett utmärkt sätt att modellera komplexa problem i verkligheten eftersom de gör det möjligt att fånga relationer mellan objekt. På grund av deras allestädes närhet har grafinbäddningstekniker sysselsatt forskningsgrupper som undersöker hur hörn kan kodas in i ett lågdimensionellt latent utrymme, vilket är användbart för att sedan utföra maskininlärning. Nyligen har Graph Neural Networks (GNN) dominerat utrymmet för inbäddningsproduktion tack vare deras inneboende förmåga att koda latenta nodberoenden. Dessutom fick de nyinförda induktiva grafiska nervnäten stor popularitet för induktivt lärande och representerande nodbäddningar genom sammanlagda åtgärder i grannskapet. Även när en helt ny nod, osynlig under träning, visas i diagrammet, kan den fortfarande representeras ordentligt av dess angränsande noder. Även om detta tillvägagångssätt tycks vara lämpligt för dynamiska grafer, är tillgängliga system och träningsmetodologier agnostiska för dynamik och förlitar sig bara på att behandla fullständiga ögonblicksbilder i partier, en metod som har kritiserats för dess höga beräkningskostnader. Detta arbete ger en grundlig lösning på detta specifika problem via en effektiv prioriteringsbaserad metod för att välja repeterade prover som garanterar låg komplexitet och hög noggrannhet. Slutligen har en dataparallell inferensmetod utvärderats i skala med Apache Flink, en dataströmprocessor för realtidsprognoser för grafiska dataströmmar med hög volym.

This thesis introduces the reader into RespiHeart, which is a product under development. RespiHeart is an complement/alternative to the regular Pulse Oximeter and is intended to be used within the health care sector for combined measurements and communication on open inexpensive platforms. This thesis evaluates interaction between RespiHeart and a Raspberry Pi 3 Model B to evaluate if the computer is capable of handling the data from RespiHeart and make signal processing. Python is used throughout the whole project and is a suitable language for interaction and signal processing in real time. / Detta examensarbete introducerar läsaren till RespiHeart, en ny trådlös produkt som är under utveckling. RespiHeart är ett komplement/alternativ till den nuvarande Pulsoximetern och är tänkt att användas inom sjukvården för analys, kommuniakation och kombinerade mätningar på öppna billiga plattformar. Detta project utvärderar interaktionen mellan RespiHeart och en Raspberry Pi 3 Model B för att undersöka om datorn är kapabel till att hantera datan från RespiHeart samt göra signal processing i real tid. Programmeringsspråket Python användes under hela projektet och är ett lämpligt språk att använda för interation och signal processing i real tid.

An Over-Actuated (OA) vehicle is a system that presents more control variables than degrees of freedom. Therefore, more than one configuration of the control input can drive the system to a desired state in the state space, and this redundancy can be exploited to fulfill other tasks or solve further problems. In particular, nowadays, challenges concerning electric vehicles regarding their autonomy and solutions to reduce energy consumption are becoming more and more attractive. OA vehicles, on this problem, offer the possibility of using the redundancy to choose the control input, among possible ones, so as to minimize energy consumption. In this regard, the research objective is to investigate different techniques to control in real-time an over-actuated autonomous driving vehicle to guarantee trajectory following and stability with the aim of minimizing energy consumption. The research project focuses on a vehicle able to drive and steer the four wheels (4WD, 4WS) independently. This work extends the contribution of previous theoretical energy-based research developed and provides a control algorithm that must work in real-time on a prototype vehicle (RCV-E) developed at the Integrated Transport Research Lab (ITRL) within KTH with the over-actuation investigated. To this end, the control algorithm has to balance the complexity of a multi-input system, the optimal allocation objectives, and the agility to run in real-time on the MicroAutoBox II - dSPACE system mounted on the vehicle. The solution proposed is a two-level controller which handles separately high and low-rate dynamics with an adequate level of complexity. The upper level is responsible for trajectory following and energy minimization. The allocation problem is solved in two steps. A Linear Time-Varying Model Predictive Controller (LTV-MPC) solves the trajectory-following problem and allocates the forces at the wheels considering the wheel energy losses due to longitudinal and lateral sliding. The second step re-allocates the longitudinal forces between the front and rear axles by considering each side of the vehicle independently to minimize energy loss in the motors. The lower level is responsible for transforming the forces at the wheels into torques and steering angles; it runs at a faster rate than the upper level to account for the high-frequency dynamics of the wheels. Last, the overall control strategy is tested in simulation concerning the trajectory-following and energy minimization performance. The real-time performance are assessed on MircoAutoBox II, the control interface used on the RCV-E. / Ett fordon med olika grad av över-aktuering är ett system som har fler kontrollvariabler än frihetsgrader. Därför kan mer än en konfiguration av styrinmatningen driva systemet till ett önskat tillstånd i tillståndsrummet, och denna redundans kan utnyttjas för att utföra andra uppgifter eller lösa andra problem. I synnerhet blir det i dag allt mer attraktivt med utmaningar som rör elfordon när det gäller deras självklörande drift och lösningar för att minska energiförbrukningen. Överaktuerat fordon ger möjlighet att använda redundansen för att välja en av de möjliga styrinmatningarna för att minimera energiförbrukningen. Forskningsmålet är att undersöka olika tekniker för att i realtid styra ett självkörande fordon som är överaktuerat för att garantera banföljning och stabilitet i syfte att minimera energiförbrukningen. Forskningsprojektet är inriktat på ett fordon som kan köra och styra de fyra hjulen (4WD, 4WS) självständigt. Detta arbete utökar bidraget från den tidigare teoretisk energi-baserade forskning som utvecklats genom att tillhandahålla en regleralgoritm som måste fungera i realtid på ett prototypfordon (RCV-E) som utvecklats vid ITRL inom KTH med den undersökta överaktueringen. I detta syfte måste regleralgoritmen balansera komplexiteten hos ett system med flera ingångar, målen för optimal tilldelning och smidigheten samt att fungera i realtid på MicroAutoBox II - dSPACE-systemet som är monterat på fordonet. Den föreslagna lösningen är en tvåstegsstyrning som hanterar dynamiken med hög och låg hastighet separat med en lämplig komplexitetsnivå. Den övre nivån ansvarar för banföljning och energiminimering. Tilldelningsproblemet löses i två steg. En LTV-MPC löser banföljningsproblemet och fördelar krafterna på hjulen med hänsyn till energiförlusterna på hjulen på grund av longitudinell och lateral glidning. I det andra steget omfördelas de längsgående krafterna mellan fram- och bakaxlarna genom att varje fordonssida beaktas oberoende av varandra för att minimera energiförlusterna i motorerna. Den lägre nivån ansvarar för att omvandla krafterna vid hjulen till vridmoment och styrvinklar; den körs i snabbare takt än den övre nivån för att ta hänsyn till hjulens högfrekventa dynamik. Slutligen testas den övergripande reglerstrategin i simulering med avseende på banföljning och energiminimering, och därefter på MircoAutoBox II monterad på RCV-E för att bedöma realtidsprestanda. / Un veicolo sovra-attuato è un sistema che presenta più variabili di controllo che gradi di libertà. Pertanto, più di una configurazione dell’ingresso di controllo può portare il sistema a uno stato desiderato nello spazio degli stati e questa ridondanza può essere sfruttata per svolgere altri compiti o risolvere ulteriori problemi. In particolare, al giorno d’oggi le sfide relative ai veicoli elettrici per quanto riguarda la loro autonomia e le soluzioni per ridurre il consumo energetico stanno diventando sempre più interessanti. I veicoli sovra-attuati, riguardo a questo problema, offrono la possibilità di utilizzare la ridondanza per scegliere l’ingresso di controllo, tra quelli possibili, che minimizza i consumi energetici. A questo proposito, l’obiettivo della ricerca è studiare diverse tecniche per controllare, in tempo reale, un veicolo a guida autonoma sovra-attuato per garantire l’inseguimento della traiettoria e la stabilità con l’obiettivo di minimizzare il consumo energetico. Questo studio si concentra su un veicolo in grado di guidare e sterzare le quattro ruote (4WD, 4WS) in modo indipendente, ed estende il contributo delle precedenti ricerche teoriche fornendo un algoritmo di controllo che deve funzionare in tempo reale su un prototipo di veicolo (RCV-E) sviluppato presso l’ITRL all’interno del KTH, che presenta la sovra-attuazione studiata. A tal fine, l’algoritmo di controllo deve bilanciare la complessità di un sistema a più ingressi, gli obiettivi di allocazione dell’azione di controllo ottimale e l’agilità di funzionamento in tempo reale sul sistema MicroAutoBox II - dSPACE montato sul veicolo. La soluzione proposta è un controllore a due livelli che gestisce separatamente le dinamiche ad alta e bassa frequenza. Il livello superiore è responsabile dell’inseguimento della traiettoria e della minimizzazione dell’energia. Il problema di allocazione viene risolto in due fasi. Un LTV-MPC risolve il problema dell’inseguimento della traiettoria e assegna le forze alle ruote tenendo conto delle perdite di energia agli pneumatici dovute al loro scorrimento longitudinale e laterale. Il secondo passo rialloca le forze longitudinali tra l’asse anteriore e quello posteriore considerando ciascun lato del veicolo in modo indipendente per minimizzare le perdite di energia nei motori. Il livello inferiore è responsabile della trasformazione delle forze alle ruote in coppia e angolo di sterzo; funziona a una più alta frequenza rispetto al livello superiore per tenere conto delle dinamiche veloci delle ruote. Infine, la strategia di controllo viene testata in simulazione per quanto riguarda le prestazioni di inseguimento della traiettoria e di minimizzazione dell’energia, e successivamente su MircoAutoBox II montato sull’RCV-E per valutare le prestazioni in tempo reale.

Industrial Ethernet Communication protocols for Real-Time communication is the focus of research in a variety of different industrial Applications. The subject of thesis study is a comprehensive analysis of Industrial Ethernet protocols used in safety-critical real-time environment, comparing these based on performance, safety, diagnostics and error detection features, topology preference, cost incurred and openness of the protocol. The protocols chosen for this comparisons are ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III, and CC-LINK IE, because they are most relevant for real-time applications and they have a widespread global presence in a lot of industrial applications. The industry in focus here is the spacecraft industry, which is a perfect example of a real-time safety-critical environment, where the protocols need to perform under harsh conditions, such as vibrations, exposure to radiation , extreme temperatures and low atmospheric pressure, and have strict timing requirements. The communication protocols for this environment are held to very high standards of performance and communication accuracy. The challenge here is to implement a protocol that can provide deterministic, real-time communication in such extreme conditions. The protocol in focus here is the ModbusTCP protocol , that is implemented on the ESBO-DS Stratospheric Balloon project to establish a communication link with the pointing system on board. ModbusTCP is chosen for this application because it is reliable, has a large support base, it is easy to implement, transparent and extremely interoperable. All these benefits along with providing real-time communication on a space-based application gives us a good reason to continuing the use of ModbusTCP here. The conclusion of the comparison of the selected real-time communication Industrial Ethernet protocols is that there is no “best ” protocol, and the choice of protocol depends on the application in focus. EtherCAT, SERCOS III and PROFINET IRT are all powerful hard real-time protocols, but require dedicated and expensive hardware for implementation. CC-Link IE is also a popular hard real-time protocol that uses special hardware and is well-established in the East Asian countries. Ethernet/IP and ModbusTCP control a large market share in the Industrial Communication domain in addition to providing good performance easily available tools. Ethernet Powerlink is open and provides both implementation and specification royalty free on its organisations website. / Industriella Ethernet-kommunikationsprotokoll för realtidskommunikation är fokus för forskning inom en mängd olika industriella tillämpningar. Ämnet för avhandlingsstudien är en omfattande analys av industriella Ethernet-protokoll som används i säkerhetskritiska realtidsmiljöer, som jämför dessa baserat på prestanda, säkerhet, diagnostik och feldetekteringsfunktioner, topologipreferenser, uppkomna kostnader och protokollets öppenhet. De valda protokollen för dessa jämförelser är ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III och CC-LINK IE, eftersom de är mest relevanta för realtidsapplikationer och de har en utbredd global närvaro i många industriella tillämpningar. Branschen i fokus här är rymdfarkostindustrin, som är ett perfekt exempel på en realtidssäkerhetskritisk miljö, där protokollen måste fungera under tuffa förhållanden, såsom vibrationer, exponering för strålning, extrema temperaturer och lågt atmosfärstryck, och har strikta tidskrav. Kommunikationsprotokollen för denna miljö håller mycket höga standarder för prestanda och kommunikationsnoggrannhet. Utmaningen här är att implementera ett protokoll som kan tillhandahålla deterministisk kommunikation i realtid under sådana extrema förhållanden. Protokollet i fokus här är ModbusTCP-protokollet, som är implementerat i ESBO-DS Stratospheric Balloon-projektet för att upprätta en kommunikationslänk med peksystemet ombord. ModbusTCP är vald för denna applikation eftersom den är pålitlig, har en stor supportbas, den är lätt att implementera, transparent och extremt driftskompatibel. Alla dessa fördelar tillsammans med att tillhandahålla realtidskommunikation på en rymdbaserad applikation ger oss en god anledning att fortsätta använda ModbusTCP här. Slutsatsen av jämförelsen av de valda realtidskommunikationens Industrial Ethernet-protokoll är att det inte finns något bästaprotokoll, och valet av protokoll beror på applikationen i fokus. EtherCAT, SERCOS III och PROFINET IRT är alla kraftfulla hårda realtidsprotokoll, men kräver dedikerad och dyr hårdvara för implementering. CC-Link IE är också ett populärt hårt realtidsprotokoll som använder speciell hårdvara och är väletablerat i de östasiatiska länderna. Ethernet/IP och ModbusTCP kontrollerar en stor marknadsandel inom industriell kommunikationsdomän förutom att de tillhandahåller bra prestanda lättillgängliga verktyg. Ethernet Powerlink är öppet och tillhandahåller både implementering och specifikation royaltyfritt på sin organisations webbplats.

Historically 3D game environments have almost always been immutable. Mutable environments are a technical challenge that will affect performance. For games of the future to continue approaching realism, mutable environments are an essential step. Popularized by the game title Minecraft (2009), the use of voxel engines in games has become increasingly common. However, by the nature of the discrete position of voxels, the method is limited in representing arbitrary polyhedral shapes like angled slopes. It also prohibits smooth mutations including proper movement and rotation of objects within the voxelization. This is generally mitigable with more voxels. However, this paper proposes a more precise solution to the problem. A tetrahedral mesh engine (tetra engine). By altering tetrahedral topology, vertex positions, and material of individual tetrahedrons, tetras are intended to solve the issue of arbitrary polyhedral shapes for voxels. Additionally, the tetrahedral mesh shows other promises such as providing a robust collision detection method and as an acceleration structure for e.g. raycasting. The research question can be summarized as investigating the feasibility of a tetra engine as a mutable game environment. 3 sub-research questions are given: The first regarding performance, the second regarding robustness, and the third different types mutations. The research questions are addressed along with a proof of concept (POC). The POC intends to investigate a proposal for the most efficient robust solution possible for the most basic mutation type known as edits. Because of time constraints, it does not cover all parts of the research questions but works as a bottom-up approach to understand what is required to realize a full-fledged tetra engine. Thus, a large part of the research question is answered theoretically both hypothetically with grounds from the POC and through previous work. The result shows a much more critical robustness consideration than expected and suggests relying on slower but more robust algorithms that are known to work. In conclusion, nothing suggests that a scalable future-proof tetra engine is impossible, but the algorithms required are much less efficient than those for voxels and robustness is an issue to overcome. However, numerous hypothetical advantages particularly regarding deformation and fluid simulation are still recognized and it is not obvious that future mutable environments would not benefit from a tetra engine rather than voxels. / Historiskt sätt har 3D-datorspelmiljöer nästan uteslutande varit oföränderliga. Det finns goda anledningar till detta. Föränderliga miljöer är en teknisk utmaning som påverkar speleffektiviteten. Om man däremot vill fortsätta utveckla mer realistiska datorspel är föränderliga spelmiljöer ett naturligt steg. Spelet Minecraft (2009) populariserade användandet av voxlar i datorspel vars material kan ändras för att förändra miljön. Sedan dess har voxlar i datorspel blivit mer och mer populära. Dock, på grund av voxlars diskreta positioner har de begränsningar i dess förmåga att representera godtyckliga polyedriska former så som arbiträrt vinklade plan. Detta omöjliggör även mjuka rörelser inklusive rörelse och rotering inom voxeliseringen. Det här problemet kan generellt dämpas med hjälp av mindre och fler voxlar. Men, för att lösa problemet ordentligt föreslår den här rapporten en annan lösning, nämligen en tetrahedrisk-mesh-motor (tetramotor). Genom att ändra tetraedrisk topologi, hörn positioner, samt material av individuella tetraedrar ska tetrorna kunna forma arbiträra polyedriska former och lösa problemet med voxlar. Utöver detta visar en tetraedrisk mesh andra intressanta möjligheter likt en metod för robust kollisions hantering och som en accelereringsstruktur för till exempel ray-casting. Forskningsfrågan kan sammanfattas som att utforska tillämpbarheten av en tetramotor för föränderliga datorspelsmiljöer. Tre underfrågor ges: Den första handlar om beräkningseffektivitet, den andra angående robusthet och den tredje oliky typer av mutationer. Forskningsfrågorna angrips med hjälp av en proof of concept lösning (POC). POC:en är menad att utforska ett förslag på en effektiv och robust metod för direkta förändringar. På grund av tidsbegränsningar så täcker inte POC:en alla delar av frågeställningarna men är menad som en botten upp lösning för att inse och förstå kraven för en komplett tetramotor. På grund av detta är en stor del av forskningsfrågorna svarade teoretiskt, både hypotetiskt baserat på insikterna från POC:en och med grund från tidigare forskning. Resultatet visar en mycket mer kritisk hänsyn till robusthet än förväntat och föreslår att man använder sig av långsammare men fungerande existerande lösningar. Slutsatsen är att inget tyder på att en skalbar framtidssäker tetramotor är en omöjlighet, men att algoritmerna är mycket långsammare än de som krävs för voxlar. Däremot finns potentieally fördelar med en tetra motor, främst med hänsyn till deformering och flödessimulering. Det är därför inte självklart att framtida muterbara spelmijöer inte skulle ha fördelar av en tetramotor istället för voxlar.

Light Detection and Ranging (Lidar) is a kind of active sensor that emits a laser pulse and primarily measures the time of flight of the returning pulse and uses it to construct a 3D point cloud of the scene around the lidar sensor. The constructed point cloud is an essential asset for the control of autonomous vehicles, and especially today, an essential basis for the training of autonomous vehicle control models. However, it remains time-consuming, high-risk and expensive to acquire the amounts of data necessary to train the rather complex modern control models. As such, generating the point cloud through simulations becomes a natural solution. Yet, many lidar simulations today produce ideal point clouds, corrected only by random noise, without considering the physical reasons behind the imperfections visible in real lidar point clouds. The aim of this study was to investigate real-time simulation models for disturbances that may cause imperfections in lidar data. From a base investigation of lidar, disturbances were found, models were investigated and finally a real-time implementation of Atmospheric Effects and attenuation from Beam Divergence was evaluated. It was found that the implemented models could produce physically accurate lidar point placement while keeping the computational time low enough for real-time evaluation. However, to achieve correct separation of target hit rates under Atmospheric Effects, as high as 34% of the points had to be dropped. Additionally, the intensity of the return points could not be properly verified. From these results it can be concluded that, with additional verification and adjustment, the presented models can achieve good results for evaluation in real-time. The results of this study thus serve as a support for future developments of realistic real-time lidar simulations, for use in development of autonomous vehicle control models and implementation of digital twins.