The traffic signal affects the life of virtually everyone every day. The effectiveness of signal systems can reduce the incidence of delays, stops, fuel consumption, emission of pollutants, and accidents. The problems related to rapid growth in traffic congestion call for more effective traffic signalization using robust feedback control methodology. Online traffic-responsive signalization is based on real-time traffic conditions and selects cycle, split, phase, and offset for the intersection according to detector data. A robust traffic feedback control begins with assembling traffic demands, traffic facility supply, and feedback control law for the existing traffic operating environment. This information serves the input to the traffic control process which in turn provides an output in terms of the desired performance under varying conditions. Traffic signalization belongs to a class of hybrid systems since the differential equations model the continuous behavior of the traffic flow dynamics and finite-state machines model the discrete state changes of the controller. A complicating aspect, due to the state-space constraint that queue lengths are necessarily nonnegative, is that the continuous-time system dynamics is actually the projection of a smooth system of ordinary differential equations. This also leads to discontinuities in the boundary dynamics of a sort common in queueing problems. The project is concerned with the design of a feedback controller to minimize accumulated queue lengths in the presence of unknown inflow disturbances at an isolated intersection and a traffic network with some signalized intersections. A dynamical system has finite L₂-gain if it is dissipative in some sense. Therefore, the H<SUB>infinity</SUB>-control problem turns to designing a controller such that the resulting closed loop system is dissipative, and correspondingly there exists a storage function. The major contributions of this thesis include 1) to propose state space models for both isolated multi-phase intersections and a class of queueing networks; 2) to formulate H<SUB>infinity</SUB> problems for the control systems with persistent disturbances; 3) to present the projection dynamics aspects of the problem to account for the constraints on the state variables; 4) formally to study this problem as a hybrid system; 5) to derive traffic-actuated feedback control laws for the multi-phase intersections. Though we have mathematically presented a robust feedback solution for the traffic signalization, there still remains some distance before the physical implementation. A robust adaptive control is an interesting research area for the future traffic signalization. / Ph. D.

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This project is about security of computer networks using Intrusion Detection Systems. IDS contain rules for detection expressed with regular expressions, which are for detection represented by finite-state automata. The complexity of this detection with non-deterministic and deterministic finite-state automata is explained. This complexity can be reduced with help of regular expressions grouping. Grouping algorithm and approaches for speedup and improvement are introduced. One of the approches is Genetic algorithm, which can work real-time. Finally Random search algorithm for grouping of regular expressions is presented. Experiment results with these approches are shown and compared between each other.

隨著網際網路的蓬勃發展，資訊擷取(Information Extraction)已經成為一個非常重要的技術。資訊擷取的目標為從非結構化的文字資料中，為特定的主題整理出相關之結構化資訊，其所牽涉的問題，包括分析文件的內容，篩選、擷取出相關的文字及其對應的意義。到目前為止，大部份的資訊擷取系統都著重在英文文件上，對於中文文件資訊擷取技術的研究才正在如火如荼的展開，加上全世界至少超過1/5的人說中文，積極投入中文資訊擷取的研究就顯得非常重要。 中文的描述方式與英文有著很大的不同。在英文，詞跟詞之間有著明顯的『空白』，電腦可以很輕易的區隔輸入字串中每個詞。但是在中文，詞跟詞之間並沒有明顯的界限，一般的處理情形為利用詞典，將一個輸入字串中的文字，比對詞典內的詞來當做斷詞的依據，不過由於字組成詞的變化程度相當大，斷詞錯誤的情形仍很可能出現。因此，在本篇研究論文我們提出不做斷詞、不做詞性分析，而利用『型態辨識』的方法搭配『有限狀態自動機』的運作方式，來處理中文資訊擷取的問題。在實驗方面，我們以『總政府人事任免公報』當作測試資料，其精確度高達98%，而回收率也達到了97%。此外，我們也應用到其他不同的資料領域，對於建立跨領域之中文資訊擷取系統有了初步的研究進展，充分印證了本資訊擷取方法處理中文資訊擷取問題的可行性。 / With the explosion of World Wide Web, information extraction has become a major technical area. The goal of information extraction is to transform non-structured text into structured data of specific topic. It involves analyzing, filtering and extracting relevant parts of text and the corresponding meaning. Most information extraction research mainly focuses on English text. On the other hand, research on Chinese information extraction has not received as much attention. Considering the fact that one-fifth population in the world are Chinese-speaking people, Chinese information extraction technology will become increasingly important. Chinese language is different with English in many aspects. In English, words are separated with space such that computers can easily distinguish each word in the input string. In Chinese, there are no spaces between characters to segment them into meaningful words. A general solution is to match characters of the input string to the words in the dictionary to find proper word boundary. Yet, much flexibility and ambiguity exist in the combination of characters into words. Many errors may occur in word segmentation. . In this thesis, we propose an approach to Chinese information extraction based on pattern matching and finite state automata, without relying on word segmentation and part-of-speech tagging. The approach was evaluated with “government personnel directives in official gazettes” as test data, and it achieved performance measure of 98% precision and 97% recall. Moreover, the approach was extended to other data domains. The results have showed initial progress on the research of multiple- domain Chinese information extraction system.

The finite state projection algorithm provides modelers a new way of directly solving the chemical master equation. The algorithm utilizes the matrix exponential function, and so the algorithm’s performance suffers when it is applied to large problems. Other work has been done to reduce the size of the exponentiation through mathematical simplifications, but efficiently exponentiating a large matrix has not been explored. This work explores implementing the finite state projection algorithm on several different high-performance computing platforms as a means of efficiently calculating the matrix exponential function for large systems. This work finds that general purpose graphics processing can accelerate the finite state projection algorithm by several orders of magnitude. Specific biological models and modeling techniques are discussed as a demonstration of the algorithm implemented on a general purpose graphics processor. The results of this work show that general purpose graphics processing will be a key factor in modeling more complex biological systems.

O objetivo deste trabalho é tornar possível a inserção de um robô humanoide para auxiliar pacientes em sessões de fisioterapia. Um sistema robótico é proposto que utiliza um robô humanoide, denominado NAO, visando analisar os movimentos feitos pelos pacientes e corrigi-los se necessário, além de motivá-los durante uma sessão de fisioterapia. O sistema desenvolvido permite que o robô, em primeiro lugar, aprenda um exercício correto de fisioterapia observando sua execução por um fisioterapeuta; em segundo lugar, que ele demonstre o exercício para que um paciente possa imitá-lo; e, finalmente, corrija erros cometidos pelo paciente durante a execução do exercício. O exercício correto é capturado por um sensor Kinect e dividido em uma sequência de estados em dimensão espaço-temporal usando k-means clustering. Estes estados então formam uma máquina de estados finitos para verificar se os movimentos do paciente estão corretos. A transição de um estado para o próximo corresponde a movimentos parciais que compõem o movimento aprendido, e acontece somente quando o robô observa o mesmo movimento parcial executado corretamente pelo paciente; caso contrário o robô sugere uma correção e pede que o paciente tente novamente. O sistema foi testado com vários pacientes em tratamento fisioterapêutico para problemas motores. Os resultados obtidos, em termos de precisão e recuperação para cada movimento, mostraram-se muito promissores. Além disso, o estado emocional dos pacientes foi também avaliado por meio de um questionário aplicado antes e depois do tratamento e durante o tratamento com um software de reconhecimento facial de emoções e os resultados indicam um impacto emocional bastante positivo e que pode vir a auxiliar pacientes durante tratamento fisioterapêuticos. / This dissertation develops a robotic system to guide patients through physiotherapy sessions. The proposed system uses the humanoid robot NAO, and it analyses patients movements to guide, correct, and motivate them during a session. Firstly, the system learns a correct physiotherapy exercise by observing a physiotherapist perform it; secondly, it demonstrates the exercise so that the patient can reproduce it; and finally, it corrects any mistakes that the patient might make during the exercise. The correct exercise is captured via Kinect sensor and divided into a sequence of states in spatial-temporal dimension using k-means clustering. Those states compose a finite state machine that is used to verify whether the patients movements are correct. The transition from one state to the next corresponds to partial movements that compose the learned exercise. If the patient executes the partial movement incorrectly, the system suggests a correction and returns to the same state, asking that the patient try again. The system was tested with multiple patients undergoing physiotherapeutic treatment for motor impairments. Based on the results obtained, the system achieved high precision and recall across all partial movements. The emotional impact of treatment on patients was also measured, via before and after questionnaires and via a software that recognizes emotions from video taken during treatment, showing a positive impact that could help motivate physiotherapy patients, improving their motivation and recovery.

Este trabalho reflete os esforcos realizados no estudo das principais técnicas automaticas de verificacao de sistemas que podem ser modelados em Maquinas de Estados Finitas, em particular as que normalmente se enquadram dentro da denominacao de model checking (verificacao de modelos). De modo a permitir ao leitor uma compreensao das vantagens e desvantagens de cada tecnica, os fundamentos teoricos de cada uma delas sao apresentados e ilustrados atraves de exemplos. Alem de uma apresentacao da teoria associada a cada tecnica, esta dissertação ainda apresenta dois estudos de caso de interesse bastante pratico: a verificacao de propriedades de um sistema de manufatura originalmente modelado atraves de uma rede de Petri e a verificacao de propriedades do intertravamento de uma seção metroviaria. Os dois estudos de caso utilizam tecnicas denominadas simbolicas. No primeiro estudo de caso, propoe-se que as invariantes obtidas da equação de estado sejam acrescentadas ao modelo a ser verificado, o que permite a obtenção de ganhos de desempenho na verificacao. O segundo estudo de caso e resolvido a partir da utilizacao de um procedimento proposto nesta dissertacao. Este procedimento permite a verificacao de algumas propriedades de seguranca sem que a verificacao se inviabilize devido a explosao no numero de estados. A utilizacao deste procedimento permite a verificacao de propriedades de uma secao de intertravamento com cerca de 2000 variaveis digitais em questao de poucos segundos.A principal conclusao a que este trabalho chega e consequencia dos resultados positivos observados nos estudos de caso: o model checking simbólico parece possuir um amplo campo de aplicacoes ainda por ser mais bem explorado / This work is the result of the efforts oriented to the study of the main automatic verification techniques for systems that can be modeled as Finite State Machines, in particular of those techniques which are generally called as model checking. In order to make the reader able to understand the pros and cons of each technique, the theory associated to each one is presented, as well as some examples. This work also presents two case studies of practical interest, both of each were solved with techniques which are called symbolic. The first one is the verification of some properties of a manufacturing system originally modeled by a Petri net. In order to improve the verification performance, it is proposed that the model to be verified be enlarged with the inclusion of the invariants calculated with the help of the state equation. The second case study is the verification of some safety properties of an interlocking system of a subway section. The verification is carried out with the help of a procedure which is proposed in this work. The aim of such a procedure is to bypass the state explosion problem, in order to make the verification feasible. It was possible to verify an interlocking system with about 2000 digital variables in a matter of few seconds. The main conclusion of the work comes from the positive results reached by both case studies: it seems to be a large number of applications yet to be explored in which symbolic model checking may be considered.

Access Control (AC) is a major pillar in software security. In short, AC ensures that only intended users can access resources and only the required access to accomplish some task will be given. In this context, Role Based Access Control (RBAC) has been established as one of the most important paradigms of access control. In an organization, users receive responsibilities and privileges through roles and, in AC systems implementing RBAC, permissions are granted through roles assigned to users. Despite the apparent simplicity, mistakes can occur during the development of RBAC systems and lead to faults or either security breaches. Therefore, a careful verification and validation process becomes necessary. Access control testing aims at showing divergences between the actual and the intended behavior of access control mechanisms. Model Based Testing (MBT) is a variant of testing that relies on explicit models, such as Finite State Machines (FSM), for automatizing test generation. MBT has been successfully used for testing functional requirements; however, there is still lacking investigations on testing non-functional requirements, such as access control, specially in test criteria. In this Master Dissertation, two aspects of MBT of RBAC were investigated: FSM-based testing methods on RBAC; and Test prioritization in the domain of RBAC. At first, one recent (SPY) and two traditional (W and HSI) FSM-based testing methods were compared on RBAC policies specified as FSM models. The characteristics (number of resets, average test case length and test suite length) and the effectiveness of test suites generated from the W, HSI and SPY methods to five different RBAC policies were analyzed at an experiment. Later, three test prioritization methods were compared using the test suites generated in the previous investigation. A prioritization criteria based on RBAC similarity was introduced and compared to random prioritization and simple similarity. The obtained results pointed out that the SPY method outperformed W and HSI methods on RBAC domain. The RBAC similarity also achieved an Average Percentage Faults Detected (APFD) higher than the other approaches. / Controle de Acesso (CA) é um dos principais pilares da segurança da informação. Em resumo, CA permite assegurar que somente usuários habilitados terão acesso aos recursos de um sistema, e somente o acesso necessário para a realização de uma dada tarefa será disponibilizado. Neste contexto, o controle de acesso baseado em papel (do inglês, Role Based Access Control - RBAC) tem se estabelecido como um dos mais importante paradigmas de controle de acesso. Em uma organização, usuários recebem responsabilidades por meio de cargos e papéis que eles exercem e, em sistemas RBAC, permissões são distribuídas por meio de papéis atribuídos aos usuários. Apesar da aparente simplicidade, enganos podem ocorrer no desenvolvimento de sistemas RBAC e gerar falhas ou até mesmo brechas de segurança. Dessa forma, processos de verificação e validação tornam-se necessários. Teste de CA visa identificar divergências entre a especificação e o comportamento apresentado por um mecanismo de CA. Teste Baseado em Modelos (TBM) é uma variante de teste de software que se baseia em modelos explícitos de especificação para automatizar a geração de casos testes. TBM tem sido aplicado com sucesso no teste funcional, entretanto, ainda existem lacunas de pesquisa no TBM de requisitos não funcionais, tais como controle de acesso, especialmente de critérios de teste. Nesta dissertação de mestrado, dois aspectos do TBM de RBAC são investigados: métodos de geração de teste baseados em Máquinas de Estados Finitos (MEF) para RBAC; e priorização de testes para RBAC. Inicialmente, dois métodos tradicionais de geração de teste, W e HSI, foram comparados ao método de teste mais recente, SPY, em um experimento usando políticas RBAC especificadas como MEFs. As características (número de resets, comprimento médio dos casos de teste e comprimento do conjunto de teste) e a efetividade dos conjuntos de teste gerados por cada método para cinco políticas RBAC foram analisadas. Posteriormente, três métodos de priorização de testes foram comparados usando os conjuntos de teste gerados no experimento anterior. Neste caso, um critério baseado em similaridade RBAC foi proposto e comparado com a priorização aleatória e baseada em similaridade simples. Os resultados obtidos mostraram que o método SPY conseguiu superar os métodos W e HSI no teste de sistemas RBAC. A similaridade RBAC também alcançou uma detecção de defeitos superior.

A realização de atividades de teste é indispensável para a garantia da qualidade de um produto e para a identificação de defeitos, diminuindo custos de manutenção e evitando ao máximo o risco do cliente encontrar esses defeitos. Nessa linha, testes baseados em modelos têm se mostrado atrativos, pois o custo de geração de casos de testes e de correção de defeitos tende a ser menor. Devido à sua simplicidade conceitual e expressividade na descrição do comportamento de um sistema, um dos modelos mais usados e pesquisados na área de teste baseado em modelos são as Máquinas de Estados Finitos (MEFs). Por meio de MEFs e com apoio de ferramentas apropriadas, a geração de casos de testes para avaliar os comportamentos esperados de um sistema é automatizada, reduzindo tanto o custo da geração e da manutenção quanto as falhas humanas. Desta forma, a aplicabilidade de métodos de geração de casos de teste baseados em modelos no contexto de sistemas embarcados vem sendo investigada. O objetivo deste trabalho de mestrado consiste em investigar a aplicabilidade dos métodos de geração em cenários de teste reais, com foco em sistemas embarcados, identificando as difi- culdades e limitações do processo, bem como os requisitos essenciais para a adequação dos métodos de geração propostos na literatura e de ferramentas de apoio à atividade de teste. O foco principal do projeto é a implementação de mecanismos que atendam aos requisitos levantados, visando a usabilidade, segurança e portabilidade da ferramenta / Test activities are essential to ensure the quality of products and identify faults to reduce maintenance costs and avoid that the client finds these faults. In this sense, model-based tests have been proved useful, because the cost of generating test cases and fault correction tend to be smaller. Due to its conceptual simplicity and expressiveness in describing the behavior of a system, Finite State Machines (FSM) have been used and researched in the model-based testing area. FSMs, employed with the support of appropriate tools, enable the generation of test cases in an automated way to assess the expected behavior of a system, reducing both the generation and maintenance costs and human failures. Thus, the applicability of test cases generation methods based on models in the context of embedded systems should be investigated. Test cases generation methods based on FSM are designed to derive test cases from the model. In this context, this work aims to investigate the applicability of generation methods in real-world scenarios, focusing embedded systems. It should identify the difficulties and limitations of the process, as well as the essential requirements for the adequacy of generation methods proposed in the literature and tools to support the test activity. The main focus of the project is the implementation of mechanisms that meet the elicited requirements in order to provide usability, security and tool portability

Os sistemas produtivos (SPs) podem utilizar controladores programáveis (CPs) como dispositivos de realização do controle. Neste contexto, programas de controle executados por estes CPs podem ser desenvolvidos de forma que não estejam em conformidade com as especificações de projeto, o que poderá provocar o surgimento de erros funcionais associados à execução de tais programas de controle, erros estes que podem levar os SPs sob controle a um estado que poderá implicar em acidentes envolvendo equipamentos, pessoas e o meio-ambiente. Esta questão tem motivado o surgimento de diversas abordagens para identificar a existência de erros em programas de controle de CPs, de forma a permitir a correção destes erros e garantir, conseqüentemente, maior confiabilidade operacional. O presente trabalho tem por objetivo identificar a existência de erros em programas de controle baseados em LD (Ladder Diagram). Para isto, propõe-se um procedimento de desenvolvimento de modelos baseados em máquinas de estados finitos estendidas (MEFEs), que são gerados a partir do mapeamento de cada um dos rungs contidos no programa de controle que se deseja identificar erros. Uma vez desenvolvidos os modelos em MEFEs, torna-se possível a utilização de uma ferramenta computacional de verificação, própria para estabelecer se os modelos verificados satisfazem determinadas proposições estabelecidas em lógica temporal. Uma proposição em lógica temporal está relacionada a um estado específico do programa de controle modelado, sendo que o objetivo da verificação é o de estabelecer se a proposição estipulada é atendida ou não. Se um determinado estado específico for, por exemplo, um estado indesejado do programa de controle modelado, e este estado for possível de ser alcançado como resultado do processo de verificação realizado, isto impactará na não conformidade do programa de controle com as especificações comportamentais estipuladas na forma de proposição em lógica temporal, indicando haver, portanto, um erro neste programa de controle modelado. Palavras-chave: Controladores programáveis. Linguagem de programação LD. Modelagem e verificação de máquinas de estados finitos estendidas (MEFEs). / Productive systems (PS) can use programmable logic controllers (PLCs) as the devices of accomplishment of the control. In this context, control programs executed by these PLCs can be developed in a way so that they can be in non-conformity with the project specifications, and this fact may result in functional errors related to the control programs execution. These errors can take the PS under control to a state which can lead into accidents involving equipment, people and the environment. This fact has motivated the appearance of different approaches so as to identify the existence of these errors in PLC control programs so that they can be corrected and assure a greater operational reliability. This work aims at identifying the existence of errors in control programs based on Ladder Diagram (LD). In order to accomplish that, a modeling procedure that generates extended finite state machines (EFSMs) is proposed from the mapping of each one of the rungs in the control program whose errors are to be identified. Once the models based on EFSMs are developed it becomes possible to use a computational verification tool, specifically designed to determine if the verified models fulfill determined propositions established in temporal logic. A proposition in temporal logic is related to a specific state of the modeled control program and the objective of the verification is to establish whether the proposition is fulfilled or not. If a determined specific state, for example, is an unwanted state of the modeled control program and if this state is reachable as a result of the verification process, this will impact in the non-conformity of the control program with the behavior specifications established in a temporal logic proposition, indicating an error in this modeled control program.