Indoor and Outdoor Natural Radioactivity in the Vulsini Volcanic District (Central Italy): Estimation of Doses and Radiological Risks

Terrestrial radioactivity for most individual is the major contributor to the total dose and is mostly provided by 238U, 232Th and 40K radionuclides. In particular indoor radioactivity is principally due to 222Rn, a radioactive noble gas descendent of 238U, second cause of lung cancer after cigarettes smoking. Vulsini Volcanic District is a well known quaternary volcanic area located between the northern Latium and southern Tuscany (Central Italy). It is characterized by an high natural radiation background resulting from the high concentrations of 238U, 232Th and 40K in the volcanic products. In this context, subduction-related metasomatic enrichment of incompatible elements in the mantle source coupled with magma differentiation within the upper crust has given rise to U, Th and K enriched melts. Almost every ancient village and town located in this part of Italy has been built with volcanic rocks pertaining to the Vulsini Volcanic District. The radiological risk of living in this area has been estimated considering separately: a. the risk associated with buildings made of volcanic products and built on volcanic rock substrates b. the risk associated to soil characteristics. The former has been evaluated both using direct 222Rn indoor measurements and simulations of “standard rooms” built with the tuffs and lavas from the Vulsini Volcanic District investigated in this work. The latter has been carried out by using in situ measurements of 222Rn activity in the soil gases. A radon risk map for the Bolsena village has been developed using soil radon measurements integrating geological information. Data of airborne radioactivity in ambient aerosol at two elevated stations in Emilia Romagna (North Italy) under the influence of Fukushima plume have been collected, effective doses have been calculated and an extensive comparison between doses associated with artificial and natural sources in different area have been described and discussed.

Lo studio del microclima indoor per la conservazione preventiva del Patrimonio storico artistico e culturale

La conservazione preventiva degli edifici storici e dei beni custoditi al loro interno rappresenta una sfida ad oggi condivisa a livello internazionale. Tale conservazione dipende da numerose variabili, tra le quali il microclima indoor gioca un ruolo decisivo. Il fine di questa tesi è verificare come lo studio del microclima indoor, supportato dalla simulazione virtuale e dalla conoscenza storica delle evoluzioni dell’edificio stesso (legate a modifiche impiantistiche; architettoniche; d’uso; ecc., nel corso degli anni), costituiscano una base conoscitiva fondamentale, da cui architetti e restauratori possono partire per definire strategie specifiche, volte alla conservazione preventiva del Patrimonio. Per fare questo, l’autore presenta le indagini svolte per tre casi-studio: la Sala 33 della Reggia di Venaria Reale, in provincia di Torino, Italia; la Biblioteca Generale Storica dell’Università di Salamanca, in Spagna; il Portico della Gloria, nartece della Cattedrale di Santiago de Compostela, in Spagna. La metodologia definita e adottata per l’analisi e l’interpretazione dei dati di ciascun caso-studio ha previsto la comprensione e la messa in relazione tra: scelte costruttive; vicende evolutive delle singole architetture; fattori che ne determinano il microclima, letti (o ipotizzati) nelle relative modifiche diacroniche; degrado delle architetture e dei beni che sono custoditi in esse. Infine, uno degli esiti più innovativi della ricerca è stata la definizione di due indici di rischio: sono stati infatti definiti due nuovi indici (Heritage Microclimate Risk -HMR- e Predicted Risk of Damage -PRD-) legati al microclima degli edifici che ospitano beni e manufatti che costituiscono il patrimonio storico artistico e culturale. Tali indici sono stati definiti tenendo conto di tutte le variabili da cui il microclima dipende e dei fattori che ne determinano l’evolversi nel tempo e nello spazio.

Influenza delle caratteristiche quali-quantitative della luce da fonti artificiali sulla fisio-morfologia di piante verdi per interior landscaping

La conoscenza delle esigenze luminose (intensità, spettro, durata minima, massima ed ottimale del fotoperiodo di illuminazione) e della tolleranza alle condizioni degli interni delle piante ad uso decorativo, è di fondamentale importanza per una giusta tecnica di progettazione (dimensionamento e dislocazione dei punti luce) dell’indoor plantscaping. Il lungo periodo di condizionamento al quale queste piante vengono sottoposte, caratterizzato principalmente dalla scarsa disponibilità di luce naturale e dagli alti livelli di concentrazione di CO2 determina una forte influenza sui processi morfo-fisiologici. Il presente studio analizza il fattore luminoso ed è articolato su più punti quali; • caratterizzazione della riposta fotosintetica all’intensità luminosa di 21 delle principali specie a fogliame decorativo comunemente utilizzate nella realizzazione degli spazi verdi indoor, per stabilire quali siano i minimi ed ottimali livelli di PAR tali da garantire una fotosintesi netta positiva e nel complesso le condizioni di maggior benessere per le piante; • quantificazione dell’incremento fotosintetico netto dovuto ad una maggior concentrazione di CO2 negli interni rispetto alla concentrazione CO2 atmosferica esterna, all’aumentare dell’ intensità luminosa artificiale sulle precedenti specie; • monitoraggio dell’andamento delle attività fotosintetiche durante il periodo di illuminazione di 8 ore comunemente utilizzato in un interno ad uso lavorativo, a PAR costante e variabile in Ficus elastica e Dieffenbachia picta, al fine di stabilire quali possano essere le durate e le modalità di somministrazione della luce per rendere massima la fotosintesi netta riducendo al minimo i consumi energetici dovuti all’accensione delle lampade; • valutazione della risposta morfo-fisiologica e fotosintetica a modificazioni dello spettro luminoso mediante l’uso di LED monocromatici colorati ad emissione nel bianco, blu e rosso in Ficus benjamina e Iresine herbistii al fine di stabilire se questo tipo di lampade possano essere utilizzate come fonte integrativa e/o sostitutiva nella realizzazione degli spazi verdi interni. Vengono analizzati il punto si compensazione alla luce (g), il punto di saturazione alla luce (s), l’efficienza quantica (AQE), il punto di respirazione al buio (Rd) e la fotosintesi netta massima (A max) per (Aglaonema commutatum, Asplenium nidus, Anthurium andreanum, Begonia rex, Calathea luoise, Calathea veitchiana, Calathea rufibarba, Calathea zebrina, Codiaeum variegatum, Cthenanthe oppenheimiana, Dieffenbakia picta, Ficus benjamina, Ficus elatica, Ficus longifolia, Fittonia verschaffeltii, Iresine herbistii, Philodendron erubescens, Philodendron pertusum, Potos aureus, Spathiphillum wallisi, Syngonium podophillum ) e classificate le specie in funzione di Amax in quattro categorie; A max < 2 µmol CO2 m-2 s-1, A max compresa tra 2 e 4 µmol CO2 m-2 s-1, Amax cpmpresa tra 4 e 6 µmol CO2 m-2 s-1, Amax > 6 µmol CO2 m-2 s-1, al fine di mettere in risalto la potenzialità fotosintetiche di ogni singola specie. I valori di PAR compresi tra (g) ed (s) forniscono le indicazioni sulle quali basarsi per scegliere una giusta lampada o dimensionare un punto luce per ogni singola specie e/o composizione. È stimata l’influenza di due livelli di concentrazione di CO2 ambientale (400 e 800 ppm) all’incrementare dell’intensità luminosa sul processo fotosintetico delle specie precedenti. Per quasi tutte le specie 800 ppm di CO2 non favoriscono nessun incremento all’attività fotosintetica ad eccezione di Ficus benjamina, Ficus elatica e Syngonium podophillum se non accompagnati da una disponibilità luminosa superiore alle 10 µmol m-2 s-1. Viene monitorato l’andamento dell’attività fotosintetica a PAR costante e variabile (intervallando periodi di 8 minuti a PAR 40 e 80) durante 8 ore di illuminazione su Ficus elastica e Dieffenbachia picta al fine di stabilire la miglior modalità di somministrazione della luce. La fotosintesi netta cumulativa per l’intera durata di illuminazione a PAR costante mostra un calo dopo alcune ore dall’attivazione in Dieffenbackia, e un andamento oscillatorio in Ficus. L’illuminazione alternata consente di raggiungere i quantitativi di CO2 organicata a 80 µmol m-2 s-1 di PAR, dopo 5 ore e mezza sia in Ficus che Dieffenbackia sebbene le potenzialità fotosintetiche delle due piante siano molto differenti. È stato valutato l’effetto dell’illuminazione artificiale mediante LED (15W) a luce bianca, blu e rossa monocromatica in rapporto alla luce neon(36W) bianca tradizionale (con differenti abbinamenti tra le lampade) sui principali parametri morfologici e fisiologici, in Ficus benjamin ‘Variegata’ e Iresine herbistii per verificare se tali fonti possono rappresentare una valida alternativa nella sostituzione o integrazione di altre lampade per gli spazi verdi indoor. Tutte le combinazioni LED indagate possono rappresentare un’alternativa di sostituzione alla coltivazione con neon ed un risparmio energetico di oltre il 50%. Una PAR di 20,6 µmol m-2 s-1 della singola lampada LED bianco è sufficiente per mantenere la pianta in condizioni di sopravvivenza con un consumo di 15W a fronte dei 36W necessari per il funzionamento di ogni neon. La combinazione LED bianco + LED blu monocromatico favorisce il contenimento della taglia della pianta, caratteristica gradita nella fase di utilizzo indoor, una maggior produzione di sostanza secca e un’attività fotosintetica più elevata.

Architectures for Context Aware Services in Smart Environments

This thesis deals with Context Aware Services, Smart Environments, Context Management and solutions for Devices and Service Interoperability. Multi-vendor devices offer an increasing number of services and end-user applications that base their value on the ability to exploit the information originating from the surrounding environment by means of an increasing number of embedded sensors, e.g. GPS, compass, RFID readers, cameras and so on. However, usually such devices are not able to exchange information because of the lack of a shared data storage and common information exchange methods. A large number of standards and domain specific building blocks are available and are heavily used in today's products. However, the use of these solutions based on ready-to-use modules is not without problems. The integration and cooperation of different kinds of modules can be daunting because of growing complexity and dependency. In this scenarios it might be interesting to have an infrastructure that makes the coexistence of multi-vendor devices easy, while enabling low cost development and smooth access to services. This sort of technologies glue should reduce both software and hardware integration costs by removing the trouble of interoperability. The result should also lead to faster and simplified design, development and, deployment of cross-domain applications. This thesis is mainly focused on SW architectures supporting context aware service providers especially on the following subjects: - user preferences service adaptation - context management - content management - information interoperability - multivendor device interoperability - communication and connectivity interoperability Experimental activities were carried out in several domains including Cultural Heritage, indoor and personal smart spaces – all of which are considered significant test-beds in Context Aware Computing. The work evolved within european and national projects: on the europen side, I carried out my research activity within EPOCH, the FP6 Network of Excellence on “Processing Open Cultural Heritage” and within SOFIA, a project of the ARTEMIS JU on embedded systems. I worked in cooperation with several international establishments, including the University of Kent, VTT (the Technical Reserarch Center of Finland) and Eurotech. On the national side I contributed to a one-to-one research contract between ARCES and Telecom Italia. The first part of the thesis is focused on problem statement and related work and addresses interoperability issues and related architecture components. The second part is focused on specific architectures and frameworks: - MobiComp: a context management framework that I used in cultural heritage applications - CAB: a context, preference and profile based application broker which I designed within EPOCH Network of Excellence - M3: "Semantic Web based" information sharing infrastructure for smart spaces designed by Nokia within the European project SOFIA - NoTa: a service and transport independent connectivity framework - OSGi: the well known Java based service support framework The final section is dedicated to the middleware, the tools and, the SW agents developed during my Doctorate time to support context-aware services in smart environments.

Cooperative Wireless Networks for Localization

This thesis adresses the problem of localization, and analyzes its crucial aspects, within the context of cooperative WSNs. The three main issues discussed in the following are: network synchronization, position estimate and tracking. Time synchronization is a fundamental requirement for every network. In this context, a new approach based on the estimation theory is proposed to evaluate the ultimate performance limit in network time synchronization. In particular the lower bound on the variance of the average synchronization error in a fully connected network is derived by taking into account the statistical characterization of the Message Delivering Time (MDT) . Sensor network localization algorithms estimate the locations of sensors with initially unknown location information by using knowledge of the absolute positions of a few sensors and inter-sensor measurements such as distance and bearing measurements. Concerning this issue, i.e. the position estimate problem, two main contributions are given. The first is a new Semidefinite Programming (SDP) framework to analyze and solve the problem of flip-ambiguity that afflicts range-based network localization algorithms with incomplete ranging information. The occurrence of flip-ambiguous nodes and errors due to flip ambiguity is studied, then with this information a new SDP formulation of the localization problem is built. Finally a flip-ambiguity-robust network localization algorithm is derived and its performance is studied by Monte-Carlo simulations. The second contribution in the field of position estimate is about multihop networks. A multihop network is a network with a low degree of connectivity, in which couples of given any nodes, in order to communicate, they have to rely on one or more intermediate nodes (hops). Two new distance-based source localization algorithms, highly robust to distance overestimates, typically present in multihop networks, are presented and studied. The last point of this thesis discuss a new low-complexity tracking algorithm, inspired by the Fano’s sequential decoding algorithm for the position tracking of a user in a WLAN-based indoor localization system.

Fiber-Optic Technologies for Wireline and Wireless In-building Networks

This doctoral dissertation aims to establish fiber-optic technologies overcoming the limiting issues of data communications in indoor environments. Specific applications are broadband mobile distribution in different in-building scenarios and high-speed digital transmission over short-range wired optical systems. Two key enabling technologies are considered: Radio over Fiber (RoF) techniques over standard silica fibers for distributed antenna systems (DAS) and plastic optical fibers (POFs) for short-range communications. Hence, the objectives and achievements of this thesis are related to the application of RoF and POF technologies in different in-building scenarios. On one hand, a theoretical and experimental analysis combined with demonstration activities has been performed on cost-effective RoF systems. An extensive modeling on modal noise impact both on linear and non-linear characteristics of RoF link over silica multimode fiber has been performed to achieve link design rules for an optimum choice of the transmitter, receiver and launching technique. A successful transmission of Long Term Evolution (LTE) mobile signals on the resulting optimized RoF system over silica multimode fiber employing a Fabry-Perot LD, central launch technique and a photodiode with a built-in ball lens was demonstrated up to 525m with performances well compliant with standard requirements. On the other hand, digital signal processing techniques to overcome the bandwidth limitation of POF have been investigated. An uncoded net bit-rate of 5.15Gbit/s was obtained on a 50m long POF link employing an eye-safe transmitter, a silicon photodiode, and DMT modulation with bit and power loading algorithm. With the insertion of 3x2N quadrature amplitude modulation constellation formats, an uncoded net-bit-rate of 5.4Gbit/s was obtained on a 50 m long POF link employing an eye-safe transmitter and a silicon avalanche photodiode. Moreover, simultaneous transmission of baseband 2Gbit/s with DMT and 200Mbit/s with an ultra-wideband radio signal has been validated over a 50m long POF link.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Development of An Energy Modeling Approach to Analyse Historical Building Performance

In the last years the attentions on the energy efficiency on historical buildings grows, as different research project took place across Europe. The attention on combining, the need of the preservation of the buildings, their value and their characteristic, with the need of the reduction of energy consumption and the improvements of indoor comfort condition, stimulate the discussion of two points of view that are usually in contradiction, buildings engineer and Conservation Institution. The results are surprising because a common field is growing while remains the need of balancing the respective exigencies. From these experience results clear that many questions should be answered also from the building physicist regarding the correct assessment: on the energy consumption of this class of buildings, on the effectiveness of the measures that could be adopted, and much more. This thesis gives a contribution to answer to these questions developing a procedure to analyse the historic building. The procedure gives a guideline of the energy audit for the historical building considering the experimental activities to dial with the uncertainty of the estimation of the energy balance. It offers a procedure to simulate the energy balance of building with a validated dynamic model considering also a calibration procedure to increase the accuracy of the model. An approach of design of energy efficiency measures through an optimization that consider different aspect is also presented. All the process is applied to a real case study to give to the reader a practical understanding.

Target Tracking in UWB Multistatic Radars

Detection, localization and tracking of non-collaborative objects moving inside an area is of great interest to many surveillance applications. An ultra- wideband (UWB) multistatic radar is considered as a good infrastructure for such anti-intruder systems, due to the high range resolution provided by the UWB impulse-radio and the spatial diversity achieved with a multistatic configuration. Detection of targets, which are typically human beings, is a challenging task due to reflections from unwanted objects in the area, shadowing, antenna cross-talks, low transmit power, and the blind zones arised from intrinsic peculiarities of UWB multistatic radars. Hence, we propose more effective detection, localization, as well as clutter removal techniques for these systems. However, the majority of the thesis effort is devoted to the tracking phase, which is an essential part for improving the localization accuracy, predicting the target position and filling out the missed detections. Since UWB radars are not linear Gaussian systems, the widely used tracking filters, such as the Kalman filter, are not expected to provide a satisfactory performance. Thus, we propose the Bayesian filter as an appropriate candidate for UWB radars. In particular, we develop tracking algorithms based on particle filtering, which is the most common approximation of Bayesian filtering, for both single and multiple target scenarios. Also, we propose some effective detection and tracking algorithms based on image processing tools. We evaluate the performance of our proposed approaches by numerical simulations. Moreover, we provide experimental results by channel measurements for tracking a person walking in an indoor area, with the presence of a significant clutter. We discuss the existing practical issues and address them by proposing more robust algorithms.

Fellow travelers: an ethnographic study of the dynamics of inter-organizational collaboration

The research is a 13-months ethnographic field work on the early operations of a Multi-party alliance active in the global field of indoor positioning. The study aims to understand and investigate empirically the challenges that at the individual and group level influence the organizing principle guiding the alliance operations and evolution. Its contribution rests on the dynamics affecting ecosystems of innovation and collaborative spaces of value co-creation in inter-organizational projects.

Cooperative Cognitive Wireless Networks over TV White and Gray Spaces

Wireless networks rapidly became a fundamental pillar of everyday activities. Whether at work or elsewhere, people often benefits from always-on connections. This trend is likely to increase, and hence actual technologies struggle to cope with the increase in traffic demand. To this end, Cognitive Wireless Networks have been studied. These networks aim at a better utilization of the spectrum, by understanding the environment in which they operate, and adapt accordingly. In particular recently national regulators opened up consultations on the opportunistic use of the TV bands, which became partially free due to the digital TV switch over. In this work, we focus on the indoor use of of TVWS. Interesting use cases like smart metering and WiFI like connectivity arise, and are studied and compared against state of the art technology. New measurements for TVWS networks will be presented and evaluated, and fundamental characteristics of the signal derived. Then, building on that, a new model of spectrum sharing, which takes into account also the height from the terrain, is presented and evaluated in a real scenario. The principal limits and performance of TVWS operated networks will be studied for two main use cases, namely Machine to Machine communication and for wireless sensor networks, particularly for the smart grid scenario. The outcome is that TVWS are certainly interesting to be studied and deployed, in particular when used as an additional offload for other wireless technologies. Seeing TVWS as the only wireless technology on a device is harder to be seen: the uncertainity in channel availability is the major drawback of opportunistic networks, since depending on the primary network channel allocation might lead in having no channels available for communication. TVWS can be effectively exploited as offloading solutions, and most of the contributions presented in this work proceed in this direction.

Miglioramento delle performance termiche e energetiche degli edifici rurali: valutazione del retrofit di locali per la conservazione del vino su casi studio

Il presente studio si colloca all’interno di una ricerca più ampia volta alla definizione di criteri progettuali finalizzati all’ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole, di dimensioni produttive medio - piccole. Nello specifico la ricerca riguarda la riqualificazione di fabbricati rurali esistenti di modeste dimensioni, da convertire a magazzini per la conservazione del vino in bottiglia. Lo studio si pone come obiettivo la definizione di criteri di analisi per la valutazione di interventi di retrofit di tali fabbricati, volto sia al miglioramento delle prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, sia alla riduzione del fabbisogno energetico legato al funzionamento di eventuali impianti di controllo termico. La ricerca è stata condotta mediante l’utilizzo del software di simulazione termica Energy Plus, per ottenere i valori simulati di temperatura interna relativi ai diversi scenari migliorativi ipotizzati, e mediante la successiva definizione di indicatori che esplicitino l’influenza delle principali variabili progettuali sull’andamento delle temperature interne dei locali di conservazione e sul fabbisogno energetico del fabbricato necessario a garantire l’intervallo di temperatura di comfort del vino. Tra tutti gli interventi possibili per il miglioramento della prestazione energetica degli edifici, quelli analizzati in questo studio prevedono l’aggiunta di un isolamento a cappotto delle pareti esterne, l’isolamento della copertura e l’aggiunta di una struttura ombreggiante vegetale esterna. I risultati ottenuti danno una prima indicazione sugli interventi più efficaci in termini di miglioramento energetico e mettono in luce l’utilità del criterio proposto nell’evidenziare le criticità degli interventi migliorativi ipotizzati. Il metodo definito nella presente ricerca risulta quindi un valido strumento di valutazione a supporto della progettazione degli interventi di retrofit dei fabbricati rurali da convertire a magazzini per la conservazione del vino.