Sviluppo di modelli motore e veicolo per l'analisi di strategie di controllo in applicazioni Software e Hardware In the Loop

This work describes the development of a simulation tool which allows the simulation of the Internal Combustion Engine (ICE), the transmission and the vehicle dynamics. It is a control oriented simulation tool, designed in order to perform both off-line (Software In the Loop) and on-line (Hardware In the Loop) simulation. In the first case the simulation tool can be used in order to optimize Engine Control Unit strategies (as far as regard, for example, the fuel consumption or the performance of the engine), while in the second case it can be used in order to test the control system. In recent years the use of HIL simulations has proved to be very useful in developing and testing of control systems. Hardware In the Loop simulation is a technology where the actual vehicles, engines or other components are replaced by a real time simulation, based on a mathematical model and running in a real time processor. The processor reads ECU (Engine Control Unit) output signals which would normally feed the actuators and, by using mathematical models, provides the signals which would be produced by the actual sensors. The simulation tool, fully designed within Simulink, includes the possibility to simulate the only engine, the transmission and vehicle dynamics and the engine along with the vehicle and transmission dynamics, allowing in this case to evaluate the performance and the operating conditions of the Internal Combustion Engine, once it is installed on a given vehicle. Furthermore the simulation tool includes different level of complexity, since it is possible to use, for example, either a zero-dimensional or a one-dimensional model of the intake system (in this case only for off-line application, because of the higher computational effort). Given these preliminary remarks, an important goal of this work is the development of a simulation environment that can be easily adapted to different engine types (single- or multi-cylinder, four-stroke or two-stroke, diesel or gasoline) and transmission architecture without reprogramming. Also, the same simulation tool can be rapidly configured both for off-line and real-time application. The Matlab-Simulink environment has been adopted to achieve such objectives, since its graphical programming interface allows building flexible and reconfigurable models, and real-time simulation is possible with standard, off-the-shelf software and hardware platforms (such as dSPACE systems).

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Design, implementation and evaluation of a virtual laboratory for Computer Engineering Education

Broad consensus has been reached within the Education and Cognitive Psychology research communities on the need to center the learning process on experimentation and concrete application of knowledge, rather than on a bare transfer of notions. Several advantages arise from this educational approach, ranging from the reinforce of students learning, to the increased opportunity for a student to gain greater insight into the studied topics, up to the possibility for learners to acquire practical skills and long-lasting proficiency. This is especially true in Engineering education, where integrating conceptual knowledge and practical skills assumes a strategic importance. In this scenario, learners are called to play a primary role. They are actively involved in the construction of their own knowledge, instead of passively receiving it. As a result, traditional, teacher-centered learning environments should be replaced by novel learner-centered solutions. Information and Communication Technologies enable the development of innovative solutions that provide suitable answers to the need for the availability of experimentation supports in educational context. Virtual Laboratories, Adaptive Web-Based Educational Systems and Computer-Supported Collaborative Learning environments can significantly foster different learner-centered instructional strategies, offering the opportunity to enhance personalization, individualization and cooperation. More specifically, they allow students to explore different kinds of materials, to access and compare several information sources, to face real or realistic problems and to work on authentic and multi-facet case studies. In addition, they encourage cooperation among peers and provide support through coached and scaffolded activities aimed at fostering reflection and meta-cognitive reasoning. This dissertation will guide readers within this research field, presenting both the theoretical and applicative results of a research aimed at designing an open, flexible, learner-centered virtual lab for supporting students in learning Information Security.

Analisi numerica della combustione di gas a basso potere calorifico per applicazioni a microturbine a gas

Il presente lavoro si occupa dell’analisi numerica di combustione di gas a basso potere calorifico (gas di sintesi derivanti da pirolisi di biomasse). L’analisi è stata condotta su due principali geometrie di camera di combustione. La prima è un bruciatore sperimentale da laboratorio adatto allo studio delle proprietà di combustione del singas. Esso è introdotto in camera separatamente rispetto ad una corrente d’aria comburente al fine di realizzare una combustione non-premiscelata diffusiva in presenza di swirl. La seconda geometria presa in considerazione è la camera di combustione anulare installata sulla microturbina a gas Elliott TA 80 per la quale si dispone di un modello installato al banco al fine dell’esecuzione di prove sperimentali. I principali obbiettivi conseguiti nello studio sono stati la determinazione numerica del campo di moto a freddo su entrambe le geometrie per poi realizzare simulazioni in combustione mediante l’utilizzo di diversi modelli di combustione. In particolare è stato approfondito lo studio dei modelli steady laminar flamelet ed unsteady flamelet con cui sono state esaminate le distribuzioni di temperatura e delle grandezze tipiche di combustione in camera, confrontando i risultati numerici ottenuti con altri modelli di combustione (Eddy Dissipation ed ED-FR) e con i dati sperimentali a disposizione. Di importanza fondamentale è stata l’analisi delle emissioni inquinanti, realizzata per entrambe le geometrie, che mostra l’entità di tali emissioni e la loro tipologia. Relativamente a questo punto, il maggior interesse si sposta sui risultati ottenuti numericamente nel caso della microturbina, per la quale sono a disposizione misure di emissione ottenute sperimentalmente. Sempre per questa geometria è stato inoltre eseguito il confronto fra microturbina alimentata con singas a confronto con le prestazioni emissive ottenute con il gas naturale. Nel corso dei tre anni, l’esecuzione delle simulazioni e l’analisi critica dei risultati ha suggerito alcuni limiti e semplificazioni eseguite sulle griglie di calcolo realizzate per lo studio numerico. Al fine di eliminare o limitare le semplificazioni o le inesattezze, le geometrie dei combustori e le griglie di calcolo sono state migliorate ed ottimizzate. In merito alle simulazioni realizzate sulla geometria del combustore della microturbina Elliott TA 80 è stata condotta dapprima l’analisi numerica di combustione a pieno carico per poi analizzare le prestazioni ai carichi parziali. Il tutto appoggiandosi a tecniche di simulazione RANS ed ipotizzando alimentazioni a gas naturale e singas derivato da biomasse. Nell’ultimo anno di dottorato è stato dedicato tempo all’approfondimento e allo studio della tecnica Large Eddy Simulation per testarne una applicazione alla geometria del bruciatore sperimentale di laboratorio. In tale simulazione è stato implementato l’SGS model di Smagorinsky-Lilly completo di combustione con modelli flamelet. Dai risultati sono stati estrapolati i profili di temperatura a confronto con i risultati sperimentali e con i risultati RANS. Il tutto in diverse simulazioni a diverso valore del time-step imposto. L’analisi LES, per quanto migliorabile, ha fornito risultati sufficientemente precisi lasciando per il futuro la possibilità di approfondire nuovi modelli adatti all’applicazione diretta sulla MTG.

Sistemi adesivi con applicazioni in campo biomedicale

Polymeric adhesives have been used for many applications like suture and embolization, instead of classic surgical methods or as for dental uses. In this work both subjects have been investigated and the results separated in two parts. In the first, new dentinal adhesives with different polymerizable groups (methacrylic or vinyl-ethereal) were synthesized. A low sensitivity to hydrolysis and equal or enhanced properties, compared to existing commercial products, were considered essentials. Moreover, these monomers need to polymerize by radical photopolymerization and functional groups of different characteristics were tested. All these products were characterized by microtensile bond strength test to determine the bonding strength between the adhesive and tooth. Concerning embolization, cyanoacrylates are nowadays the most-used adhesives in surgery. Thus, they must respond to several requirements. For instance, polymerization time and adhesive strength need to be low, to avoid diffusion of the products in the body and adhesion to the catheter. In order to overcome these problems we developed new cyanoacrylates, which practically instantly polymerize upon contact with blood but do not demonstrate strong adhesion to the catheter, thank to the presence of fluorine atoms, linked to the ester chain. The synthesis of these products was carried out in several steps, such as the depolymerization of the corresponding oligomers at high temperature in acid conditions. Two types of adhesion strengths were determined. Bonding strength between human veins and a microcatheter was determined in vitro by using organic materials as the most realistic model. Another test, on two layers of skin, was conducted to verify the possible use of these new cyanoacrylates as a glue for sutures. As a conclusion, we were able to demonstrate that some of the prepared monomers posses adhesive strength and polymerization time lower than the commercial product Glubran2.

Epidemiologia delle strongilosi dell'asino: quali applicazioni per il controllo delle infezioni da elminti?

Strongylosis in equids, despite being very common, have never been studied from a strictly ecological point of view. Mathematical models are important ecological tools used to study the temporal dynamics of parasite populations, and are useful to study the effect of different biological parameters, as well as to analyse the outcome produced by perturbations such as anthelmintic treatments. This work describes the study of the temporal dynamics of strongyles infection in an organic donkey population, performed using coprological quantitative analysis and donkeys’ age as a proxy of the time of infection. Force of infection was then estimated for Strongylus vulgaris and small strongyles and the results used as the basis for the development of mathematical models. In particular, the comparison of models output and field data made it possible to estimate the transmission coefficient  and to consequently calculate the basic reproduction number R0 and the threshold host density. Small strongyles model includes hypobiosis and, more interestingly as never found in literature, a density-dependent development rate of hypobiotic larvae in adult parasites in order to simulate a negative feedback between larvae emergence from hypobiosis and adult parasite abundance. Simulations of pharmacological and environmental treatments showed that parasite eradication was possible for S. vulgaris only, while small strongyles, due to hypobiosis and density-dependent development rate of their hypobiotic larvae, are very difficult to control and impossible to eradicate. In addition, density-dependence in larval development has been demonstrated to act as a key factor in improving parasite population survival and abundance even in absence of human intervention.

A Design Methodology for Computer Security Testing

The field of "computer security" is often considered something in between Art and Science. This is partly due to the lack of widely agreed and standardized methodologies to evaluate the degree of the security of a system. This dissertation intends to contribute to this area by investigating the most common security testing strategies applied nowadays and by proposing an enhanced methodology that may be effectively applied to different threat scenarios with the same degree of effectiveness. Security testing methodologies are the first step towards standardized security evaluation processes and understanding of how the security threats evolve over time. This dissertation analyzes some of the most used identifying differences and commonalities, useful to compare them and assess their quality. The dissertation then proposes a new enhanced methodology built by keeping the best of every analyzed methodology. The designed methodology is tested over different systems with very effective results, which is the main evidence that it could really be applied in practical cases. Most of the dissertation discusses and proves how the presented testing methodology could be applied to such different systems and even to evade security measures by inverting goals and scopes. Real cases are often hard to find in methodology' documents, in contrary this dissertation wants to show real and practical cases offering technical details about how to apply it. Electronic voting systems are the first field test considered, and Pvote and Scantegrity are the two tested electronic voting systems. The usability and effectiveness of the designed methodology for electronic voting systems is proved thanks to this field cases analysis. Furthermore reputation and anti virus engines have also be analyzed with similar results. The dissertation concludes by presenting some general guidelines to build a coordination-based approach of electronic voting systems to improve the security without decreasing the system modularity.

Applicazioni cliniche e sperimentali dell’ecografia toracica in pneumologia: la diagnostica precoce delle patologie pleuropolmonari

Lung ultrasound use is increasing in respiratory medicine thanks to its development in the latest years. Actually it allows to study diseases of the chest wall (traumas, infections, neoplasms), diaphragm (paralysis, ipokinesis), pleura (effusions, pneumothorax, thickenings, neoplasms) and lung parenchyma (consolidations, interstitial syndromes, peripheral lesions). One of the most useful application of chest ultrasound is the evaluation of effusions. However, no standardized approach for ultrasound-guided thoracenthesis is available. Our study showed that our usual ultrasonographic landmark (“V-point”) could be a standard site to perform thoracenthesis: in 45 thoracenthesis no pneumothorax occurred, drainage was always successful at first attempt. Values of maximum thickness at V-point and drained fluid volume showed a significative correlation. Proteins concentration of ultrasound patterns of effusions (anechoic, ipoechoic, moving echoic spots, dense moving spots, hyperechoic) were compared to those of the macroscopic features of fluids showing connection between light-yellow fluid and echoic moving spots pattern and between ipoechoic/dense moving spots and cloudy-yellow/serum-haematic fluids. These observations suggest that ultrasound could predict chemical-physical features of effusions. Lung ultrasound provides useful information about many disease of the lung, but actually there is not useful in obstructive bronchial diseases. Analysing diaphragmatic kinetics using M-mode through transhepatic scan we described a similarity between diaphragm excursion during an expiratory forced maneuver and the volume/time curve of spirometry. This allowed us to identify the M-mode Index of Obstruction (MIO), an ultrasound-analogue of FEV1/VC. We observed MIO values of normal subjects (9) and obstructed patients (9) comparing the two groups. FEV1/VC and MIO showed a significant correlation suggesting that MIO may be affected by airways obstruction; MIO values were significatively different between normal and obstructed so that it could identify an obstructive syndrome. The data show that it is possible to suspect the presence of obstructive syndrome of the airways using ultrasonography of the diaphragm.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

Studio e sperimentazione di leghe ad elevata deformazione per applicazioni nel settore della prima lavorazione di materiali lapidei

Studio del componente di supporto del cavo utensile per taglio di materiali lapidei. Analisi delle applicazioni di leghe superelastiche e delle modalità di realizzazione del cavo utensile complessivo in relazione a specifiche esigenze poste a livello industriale.

Utilizzo delle bande dell’Infrarosso Termico in tecniche di remote sensing per applicazioni in ambito urbano

Il presente studio si concentra sulle diverse applicazioni del telerilevamento termico in ambito urbano. Vengono inizialmente descritti la radiazione infrarossa e le sue interazioni con l’atmosfera terrestre, le leggi principali che regolano lo scambio di calore per irraggiamento, le caratteristiche dei sensori e le diverse applicazioni di termografia. Successivamente sono trattati nel dettaglio gli aspetti caratteristici della termografia da piattaforma satellitare, finalizzata principalmente alla valutazione del fenomeno dell'Urban Heat Island; vengono descritti i sensori disponibili, le metodologie di correzione per gli effetti atmosferici, per la stima dell'emissività delle superfici e per il calcolo della temperatura superficiale dei pixels. Viene quindi illustrata la sperimentazione effettuata sull'area di Bologna mediante immagini multispettrali ASTER: i risultati mostrano come sull'area urbana sia riscontrabile la presenza dell'Isola di Calore Urbano, anche se la sua quantificazione risulta complessa. Si procede quindi alla descrizione di potenzialità e limiti della termografia aerea, dei suoi diversi utilizzi, delle modalità operative di rilievo e degli algoritmi utilizzati per il calcolo della temperatura superficiale delle coperture edilizie. Tramite l’analisi di alcune esperienze precedenti vengono trattati l’influenza dell’atmosfera, la modellazione dei suoi effetti sulla radianza rilevata, i diversi metodi per la stima dell’emissività. Viene quindi introdotto il progetto europeo Energycity, finalizzato alla creazione di un sistema GeoWeb di supporto spaziale alle decisioni per la riduzione di consumi energetici e produzione di gas serra su sette città dell'Europa Centrale. Vengono illustrate le modalità di rilievo e le attività di processing dei datasets digitali per la creazione di mappe di temperatura superficiale da implementare nel sistema SDSS. Viene infine descritta la sperimentazione effettuata sulle immagini termiche acquisite nel febbraio 2010 sulla città di Treviso, trasformate in un mosaico georiferito di temperatura radiometrica tramite correzioni geometriche e radiometriche; a seguito della correzione per l’emissività quest’ultimo verrà trasformato in un mosaico di temperatura superficiale.