Oportunidades e Desafios da Computação Móvel no Cotexto Empresarial Aspectos de Software e Middleware

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Oportunidades e Desafios da Computa¸c˜ao M´ovel

no Cotexto Empresarial

Aspectos de Software e Middleware

para Computa¸c˜ao M´ovel

Francisco Jos´e da Silva e Silva Rafael Fernandes Lopes

Universidade Federal do Maranh˜ao - UFMA Laborat´orio de Sistemas Distribu´ıdos - LSD

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Agenda

1 Arquiteturas de Software

2 Opera¸c˜oes Desconectadas

3 Fraca Conectividade

4 Middleware para Computa¸c˜ao M´ovel

MoCA SNU

5 Exemplo de Aplica¸c˜ao Regional

CEMAR: Sele¸c˜ao de Alvos

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Arquiteturas de Software

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Restri¸cões t´ıpicas de ambientes de computa¸cão móvel

Dispositivos possuem poucos recursos e não são confiáveis; Heterogeneidade de dispositivos e tecnologias de rede;

Conectividade através de enlaces sem fio de baixa largura de banda; Desconexões freqüentes por per´ıodos de tempo indefinidos.

Estas condi¸cões severas possuem grande impacto no projeto de aplica¸cões voltadas à computa¸cão móvel e motivaram o desenvolvimento de novos modelos de computa¸cão.

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Funcionalidades Atribu´ıdas ao Dispositivo M´ovel

Dispositivo m´ovel como terminal burro (Thin Client Model) ◮ Poucos recursos

◮ N˜ao confi´avel (roubo, acidentes, etc...)

Dispositivo móvel incorpora o máximo de funcionalidades poss´ıvel ◮ Redes sem fio lentas e não confiáveis

Modelos que permitem um ajuste da funcionalidade: adapta¸c˜ao

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Modelo Cliente/Servidor Simples

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Modelo Cliente/Servidor Simples

Em alguns casos, funcionalidade e dados s˜ao distribu´ıdos em v´arios servidores;

Em muitos casos, o servidor é replicado em diferentes máquinas para aumentar a disponibilidade / tolerância a falhas / escalabilidade; Nem o cliente nem o servidor são cientes da mobilidade do cliente; O meio sem fio é transparente devido à camada de enlace ou de rede (IP móvel).

O cliente pode observar tempos de resposta lentos e imprevis´ıveis,

especialmente quando grandes volumes de dados s˜ao transmitidos em

resposta a solicita¸c˜oes;

Algoritmos de invalida¸c˜ao de cache no cliente normalmente dependem de disponibilidade cont´ınua do mesmo.

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Cliente / Agente (Proxy) / Servidor

Um agente ou proxy representa o cliente na rede fixa;

Alivia a pobre largura de banda e baixa confiabilidade de enlaces sem fio, mantendo a presen¸ca do cliente na rede fixa;

Protocolos diferentes podem ser utilizados em cada parte da intera¸c˜ao;

Adequado para clientes leves.

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Funcionalidades T´ıpicas do Agente

Enfileiramento da comunica¸c˜ao entre o cliente e o agente;

Assumir responsabilidades em favor do cliente. Por exemplo: realizar requisi¸c˜oes complexas, retornando apenas o resultado final;

Cache;

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Cliente / Agente (Proxy) / Servidor: Desvantagens

Em caso de desconexão, o cliente móvel não consegue continuar operando;

´

E necessário a modifica¸cão do código de aplica¸cões legadas na sua parte cliente. Para o servidor, a abordagem é transparente;

Otimiza¸c˜oes de transferˆencia de dados ocorrem apenas no sentido servidor → cliente;

A programa¸c˜ao do agente envolve o conhecimento do hardware e

software b´asico dos dispositivos m´oveis.

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Cliente / Intercepta¸c˜ao / Servidor

Os agentes cliente e servidor trabalham em conjunto para:

◮ Realizar otimiza¸c˜oes que reduzem os dados transmitidos atrav´es do

enlace sem fio;

◮ Aumentar a disponibilidade dos dados;

◮ Não interromper a computa¸cão no dispositivo móvel;

A aplica¸c˜ao cliente enxerga o agente cliente como um servidor co-residente;

A aplica¸c˜ao servidora enxerga o agente servidor como um cliente localizado na rede fixa.

A intercepta¸cão é transparente tanto ao cliente quanto ao servidor; Portanto, o par de agentes pode ser empregado com qualquer aplica¸cão;

Possui maior flexibilidade para lidar com desconex˜oes; Mais adequado para clientes m´oveis com bom poder de processamento e armazenamento.

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Cliente / Intercepta¸c˜ao / Servidor: Desvantagens

Necessidade de desenvolver os dois agentes para cada classe de aplica¸c˜ao (sistema de arquivos, banco de dados, acesso a Web, etc)

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Ponto-a-Ponto

Não há distin¸cão entre clientes e servidores;

Cada lado possui toda funcionalidade tanto cliente quanto servidor; Modelo somente apropriado para clientes poderosos (heavy-weight); Para lidar com desconex˜oes e baixa conectividade, um agente interceptador servidor pode ser utilizado no dispositivo m´ovel.

Adequado para algumas aplica¸c˜oes como trabalho cooperativo usando

dispositivos m´oveis:

◮ Em C/S, as atualiza¸cões não podem ser trocadas diretamente; ◮ C/S impõe maior custo de comunica¸cão caso o servidor esteja longe

dos clientes;

◮ Em C/S, desconex˜oes com servidor impedem intera¸c˜oes.

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Agentes M´oveis

S˜ao processos enviados a partir de um computador de origem para realizar uma tarefa espec´ıfica;

Estende o paradigma de comunica¸c˜ao RPC: cada AM possui seus

pr´oprios dados e estado de execu¸c˜ao;

O AM procede de forma autônoma e independente de quem o enviou. Um ambiente de execu¸cão de agentes existe nos nós que os recebem; Um AM pode migrar de um nó para outro;

Ao completar sua tarefa, o AM entrega os resultados ao cliente de origem ou a outro servidor;

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Agentes M´oveis

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Opera¸c˜oes Desconectadas

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Motiva¸c˜ao para Suporte a Opera¸c˜oes Desconectadas

Computadores que utilizam redes sem fio possuem conectividade intermitente;

O suporte a opera¸c˜oes desconectadas ´e, portanto, crucial;

Este suporte provˆe uma maior autonomia ao dispositivo m´ovel que deve continuar operando mesmo sem conectividade com a rede.

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Id´eia B´asica

Antecipar per´ıodos de desconexão, movendo dados e computa¸cão para o dispositivo móvel;

Provisionamento (hoarding): processo de carregar dados para o dispositivo móvel de forma a permitir a continuidade das opera¸cões em caso de desconexão.

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Estados de Opera¸c˜ao

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Estado de Provisionamento

Unidade Depende da aplica¸c˜ao

de provisionamento (ex: um arquivo, tuplas ou fragmentos de banco de dados, tarefas, p´aginas HTML, etc..)

Quais itens carregar Explicitamente especificado pelo usuário Deduzido pelo histórico das opera¸cões

Depende da aplica¸cões para as quais o sistema é utilizado (executáveis processador de

texto/compilador)

Quando carregar os Antes das desconexões (desconexões previs´ıveis. Ex: itens área de alto custo de comunica¸cão)

De forma regular (desconexões não previsiveis) Ao ser requisitado um Gerar uma mensagem de erro / excessão dado não dispon´ıvel Enfileirar a solicita¸cão para atendimento futuro localmente

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Estado de Desconex˜ao

O que armazenar no log Valores para os dados Marcas de tempo Opera¸c˜oes

Quando otimizar o log De forma incremental

Imediatamente antes da reintegra¸c˜ao Como otimizar o log Depende da aplica¸c˜ao

Vantagens da Poupar mem´oria do dispositivo m´ovel

otimiza¸cão do log Reduzir o tempo de propaga¸cão de atualiza¸cões

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Estado de Reintegra¸c˜ao

Abordagens Pessimista: atualiza¸c˜oes somente em um lugar (check in / check out)

Otimista

Como reintegrar Re-executar as a¸cões do log Como resolver conflitos Utilizar semântica da aplica¸cão

Resolu¸c˜ao autom´atica

Disponibilizar ferramentas para assistir o usu´ario

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Exemplo: Sistema de Arquivo

Arquivos a serem utilizados em per´ıodos de desconexão são carregados no dispositivo móvel;

Diferen¸cas com rela¸cão a caching: ◮ Ausências não podem ser atendidas;

◮ O servidor n˜ao pode notificar o cliente a respeito de atualiza¸c˜oes no

arquivo: necessidade de reintegra¸c˜ao.

Unidades de provisionamento: ◮ Bloco de disco;

◮ Arquivos (mais comum); ◮ Grupos de arquivos; ◮ Diret´orios.

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Sistema de Arquivos: Provisionamento

Escolha de Itens:

Processo assistido por instru¸c˜oes fornecidas pelo usu´ario;

Processo realizado automaticamente pelo sistema de acordo com o hist´orico de acesso aos arquivos;

Combina¸c˜ao das duas abordagens gerando uma lista de prioridades (Coda).

Abordagem Tait et Al:

Uma árvore é usada para representar o histórico de acesso aos arquivos;

Seus n´os representam arquivos execut´aveis e de dados;

Uma aresta de A at´e B ´e inserida caso o programa A chame o programa B ou acesse o arquivo B;

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Sistema de Arquivos: Provisionamento

Abordagem Seer System:

Arquivos s˜ao automaticamente carregados de acordo com uma medida que quantifica a rela¸c˜ao entre eles;

Esta medida pode ser definida como a quantidade de referências separando duas referências adjacentes aos dois arquivos no passado histórico.

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Sistema de Arquivos: Opera¸c˜oes Desconectadas

Atualiza¸c˜oes s˜ao mantidas em um log;

Em Coda, o log guarda todas as chamadas ao sistema de arquivos

com seus respectivos argumentos bem como o estado da vers˜ao dos

objetos referenciados; Otimiza¸c˜os do log em Coda:

1 _{Qualquer opera¸c˜ao que sobreponha os efeitos de opera¸c˜}_{oes anteriores}

removem as entradas correspondentes;

2 _{Uma opera¸c˜ao inversa (ex: rmdir) cancela tanto a opera¸c˜ao inversa}

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Sistema de Arquivos: Reintegra¸c˜ao

Atualiza¸cões de dados na cache são consideradas apenas tentativas; Em Coda, a execu¸cão do log é realizada como uma única transa¸cão; Em Coda, estratégias diferentes são utilizadas para lidar com

atualiza¸c˜oes concorrentes em arquivos e diret´orios;

Apenas conflitos write/write necessitam ser considerados por produzirem c´opias divergentes;

Conflitos read/write s˜ao ignorados.

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Fraca Conectividade

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Fraca Conectividade

Conectividade fraca ´e a conectividade provida por redes lentas ou caras;

Tipicamente é comum perdas de conectividade por per´ıodos curtos; Em computa¸cão móvel tem-se a caracter´ıstica adicional de varia¸cão na intensidade do sinal o que provoca varia¸cões na largura de banda dispon´ıvel para a comunica¸cão e na latência;

Estas caracter´ısticas impõem revisões em vários protocolos do sistema.

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Fraca Conectividade

Abordagens T´ıpicas para Fraca Conectividade

Revisar as opera¸c˜oes que envolvem o uso da rede;

Tanto com rela¸cão a cache quanto replica¸cão, os seguintes tópicos são revistos:

◮ Tratamento de ausˆencias (cache misses);

◮ Freqüência de propaga¸cão de atualiza¸cões para os servidores; ◮ Valida¸cão dos itens mantidos na cache.

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Fraca Conectividade

Tratamento de Ausˆencias em Cache

Servir ausências pode implicar em longas esperas ou altos custos; Op¸cão: servir seletivamente, baseado em quão cr´ıtico o item é ou na conectividade corrente.

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Fraca Conectividade

Propaga¸c˜ao de Atualiza¸c˜oes

Reintegra¸c˜ao agressiva

◮ Reduz a efetividade de otimiza¸cões do log (ex: arquivos temporários); ◮ Pode comprometer o tempo de resposta de outros tráfegos na rede; ◮ Permite um gerenciamento consistente da cache;

◮ Reduz a probabilidade de conflitos; ◮ Mantˆem pequena a log no cliente. Reintegra¸c˜ao lenta

◮ Pode sobrecarregar a cache;

◮ O uso de callbacks pelos servidores pode consumir muita largura de

banda;

◮ Objetos na cache podem ficar obsoletos, afetando o resultado de

opera¸c˜oes de leitura.

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Middleware para Computa¸c˜ao M´ovel MoCA

Middleware para Computa¸c˜

ao M´

ovel

MoCA

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MoCA (Mobile Collaboration Architecture)

MoCA é um middleware que facilita o desenvolvimento e execu¸cão de aplica¸cões distribu´ıdas cientes de contexto para redes locais sem fio infra-estruturadas, epecificamente redes IEEE 802.11b/g;

MoCA provê meios para coletar, armazenar e processar informa¸cões de contexto de dispositivos móveis (como notebooks, por exemplo); O projeto é desenvolvido na PUC-Rio sob a orienta¸cão do Prof Markus Endler;

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Arquitetura do MoCA

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Componentes do MoCA

CIS (Context Information Service):

◮ Servi¸co distribu´ıdo que recebe, armazena e processa informa¸c˜oes de

contexto enviadas por monitores que executam em dispositivos m´oveis;

◮ Recebe registro de aplica¸c˜oes e servidores, gerando notifica¸c˜oes de

eventos a estas sempre que detectar mudan¸cas de interesse no estado de dispositivos m´oveis.

ClientAPI and ServerAPI: disponibiliza o acesso a dados de qualquer dispositivo armazenados pelo CIS.

CS ((Configuration service):

◮ Armaze e gerencia informa¸c˜oes de configura¸c˜ao de cada dispositivo

utilizadas pelo CIS;

◮ Mantˆem uma tabela de espalhamento indexada pelo endere¸co MAC do

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Componentes do MoCA

Monitor:

◮ Coleta informa¸c˜oes a respeito do dispositivo m´ovel e da rede e

periodicamente envia estes dados a um CIS localizado na rede fixa;

◮ Coleta informa¸c˜oes como: uso da CPU, mem´oria dispon´ıvel, energia

restante na bateria, endere¸co MAC do ponto de acesso atual;

◮ Realiza uma busca pelos pontos de acesso pr´oximos obtendo o valor de

seu endere¸co f´ısico e indicador de intensidade de sinal (BSSIDs) e RSSI (Received Signal Strength Indicator);

◮ Notifica o CIS quando um handoff ´e detectado.

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Componentes do MoCA

LIS (Location Inference Service)

◮ Responsável por inferir a localiza¸cão aproximada do disposivo móvel a

partir de dados armazenados pelo CIS;

◮ Compara o padr˜ao de sinais RF recebidos pelo dispositivo m´ovel a

partir de pontos de acesso 802.11 aud´ıveis com padrões de sinal previamente mensudados em pontos de referência pré-definidos de um prédio ou área aberta.

SRM (Symbolic Region Manager ):

◮ Disponibiliza uma interface para definir (criar, modificar e excluir) e

consultar informa¸cões a respeito de regiões simbólicas;

◮ Regiões simbólicas são nomes associadas a regiões f´ısicas bem

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Componentes do MoCA

DS (Discovery Service):

◮ O ServerAPI automaticamente se registra junto ao DS;

◮ O DS armazena informa¸c˜oes como nome, proripedade e endere¸co de

qualquer aplica¸c˜ao e seus componentes (como servidores e proxies) ou servi¸co registrado junto ao middleware MoCA de forma a disponibilizar a descoberta de seu endere¸co por parte de seus clientes.

Proxy Framework for Customized Adaptation:

◮ Interage com o MoCA, escondendo os detalhes desta intera¸c˜ao e

registrando-se como interessado por notifica¸cões sobre informa¸cões de contexto de interesse da aplica¸cão;

◮ Permite associar a¸c˜oes a serem realizadas na ocorrˆencia de eventos de

contexto.

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Aplica¸c˜oes MoCa: ComManager

A aplica¸c˜ao comManager ´e uma ferramenta que permite a

comunica¸c˜ao e o relacionamento entre usu´arios que se encontram em

uma mesma ´area de cobertura;

Os usuários podem realizar o cadastro de uma lista de usuários confiáveis (amigos) e receber informa¸cões sobre o estado (online ou não) e localiza¸cão destes usuários e de grupos de amigos

(comunidades) recebendo a localiza¸cão de todos os usuários filiados que variam de acordo com as restri¸cões de localiza¸cão definidas pela comunidade.

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NITA (Notes In The Air )

´

E uma aplica¸c˜ao baseada em localiza¸c˜ao;

Utiliza a informa¸cão de localiza¸cão para permitir que usuários postem mensagens destinadas a uma região simbólica;

Qualquer cliente localizado na regi˜ao receber´a a mensagem.

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Middleware para Computa¸c˜ao M´ovel SNU

Middleware para Computa¸c˜

ao M´

ovel

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Objetivo Geral

Projetar e implementar um framework que facilite o desenvolvimento de aplica¸cões de compartilhamento de servi¸cos e informa¸cões em ambiente de computa¸cão móvel que utilizam redes ad-hoc espontâneas.

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Requisitos

Inexistˆencia de controle centralizado;

Baixo consumo de recursos do dispositivo (processamento, mem´oria, bateria, . . . )

Independˆencia da tecnologia de rede; Portabilidade do software.

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SNU: Cen´

arios de Utiliza¸c˜

ao

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Ao acaso, em bares ou aeroportos

Encontros completamente ao acaso e com desconhecidos; Busca de pessoas com um determinado perfil e disponibilidade;

◮ Perfil = informa¸c˜oes pessoais/trabalho, gostos, hobbies... ◮ Disponibilidade = ocupado, livre, n˜ao perturbe...

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Encontros combinados, reuni˜oes de trabalho ou sala de

aula

Encontros programados com pessoas conhecidas; Compartilhamento de informa¸c˜oes e arquivos; Agenda de compromissos em grupo.

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Organiza¸c˜ao em Camadas

Camada de Rede ◮ Funcionalidade Cliente; ◮ Funcionalidade Servidor. Camada de Servi¸cos ◮ Servi¸co de Contatos; ◮ Servi¸co de Dados;

◮ Servi¸co de compartilhamento de stream; ◮ Servi¸co de Contexto;

◮ Descoberta de Servi¸cos;

Aplica¸c˜ao do Usu´ario

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Camada de Rede

Implementada utilizando-se a tecnologia Bluetooth; Expans´ıvel para outras tecnologias de rede;

Implementa tanto a funcionalidade cliente quanto a servidor; N˜ao possui fun¸c˜oes de baixo n´ıvel como enviar e receber bytes; Baseada em comandos de alto n´ıvel, ex. transferir arquivo;

Engloba todos as opera¸cões e informa¸cões diretamente associadas a rede, como a lista de dispositivos encontrados e suas “strings” de conexão.

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Servi¸co de Grupo

N˜ao h´a servidor de grupos;

Não há algoritmos distribuidos de gerenciamento de grupo; Cada pessoa é responsável por manter sua lista de grupos de interesse;

Cada pessoa pode ter mais de um disposivo;

Dados podem ser compartilhados com pessoas individualmente ou com grupos de pessoas;

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Servi¸co de Dados

Ítens de dados são pares contendo um nome e um valor; Os valores podem representar arquivos de qualquer formato; Não há controle de versão dos dados disponibilizados;

Os dados podem ser privados, p´ublicos ou compartilhados com

pessoas ou grupos.

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Planejamento Atual

Defini¸c˜ao e implementa¸c˜ao do servi¸co de contexto;

Implementa¸cão de aplica¸cões para avalida¸cão da infra-estrutura proposta;

Elabora¸c˜ao de p´agina Web;

Instala¸c˜ao e configura¸c˜ao de CVS e ambiente de desenolvimento no LSD;

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Exemplo de Aplica¸c˜ao Regional CEMAR: Sele¸c˜ao de Alvos

Exemplo de Aplica¸c˜

ao Regional

CEMAR: Sele¸c˜

ao de Alvos

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Sele¸c˜ao de Alvos: Objetivo

Desenvolver uma solu¸cão para recupera¸cão de energia que selecione poss´ıveis alvos suspeitos de fraude, os distribua comtemplando a roteriza¸cão das equipes, fa¸ca a fiscaliza¸cão da unidade consumidora suspeita e proveja relatórios gerencias sobre o resultado.

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Sele¸c˜ao de Alvos: Funcionalidades

Selecionar alvos para fiscaliza¸cão a partir de ind´ıcios de fraudes; Cada ind´ıcio atribui um ponto a UC, quem tiver mais pontos tem maior probabilidade de estar fraudando) utilizando dados dos sistema comercial (históricos de consumos, leituras, códigos de irregularidades alimentados pelos leituristas, historico de adimplência, recorrência em fraude...) e dados históricos da gerência;

Distribuir os alvos selecionados nas 40 equipes de fiscaliza¸cão respeitando critérios geográficos a fim de otimizar o tempo de deslocamento;

Fiscalizar através de PDA os alvos selecionados, exibindo informa¸cões próprias da UC (localiza¸cão, históricos, etc. . . ) e coletando todas as informa¸cões pertinentes a fiscaliza¸cão, eliminando por completo a utiliza¸cão das fichas em papel e evitando erros e demoras de digita¸cão; Monitorar os retorno de campo, analizando efetividade da ferramenta e das equipes.

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Sele¸c˜ao de Alvos: Arquitetura

Utiliza BD Oracle, Apache/PHP e PDA/Palm/Superwaba; Toda comunica¸cão feita pelo PDA é criptografada com Xxtea; A comunica¸cão é feita via GPRS utilizando protocolo HTTP:80.

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Sele¸c˜ao de Alvos: Telas

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