Bayesian space-time data fusion for real-time forecasting and map uncertainty

Environmental computer models are deterministic models devoted to predict several environmental phenomena such as air pollution or meteorological events. Numerical model output is given in terms of averages over grid cells, usually at high spatial and temporal resolution. However, these outputs are often biased with unknown calibration and not equipped with any information about the associated uncertainty. Conversely, data collected at monitoring stations is more accurate since they essentially provide the true levels. Due the leading role played by numerical models, it now important to compare model output with observations. Statistical methods developed to combine numerical model output and station data are usually referred to as data fusion. In this work, we first combine ozone monitoring data with ozone predictions from the Eta-CMAQ air quality model in order to forecast real-time current 8-hour average ozone level defined as the average of the previous four hours, current hour, and predictions for the next three hours. We propose a Bayesian downscaler model based on first differences with a flexible coefficient structure and an efficient computational strategy to fit model parameters. Model validation for the eastern United States shows consequential improvement of our fully inferential approach compared with the current real-time forecasting system. Furthermore, we consider the introduction of temperature data from a weather forecast model into the downscaler, showing improved real-time ozone predictions. Finally, we introduce a hierarchical model to obtain spatially varying uncertainty associated with numerical model output. We show how we can learn about such uncertainty through suitable stochastic data fusion modeling using some external validation data. We illustrate our Bayesian model by providing the uncertainty map associated with a temperature output over the northeastern United States.

Inferences on earthquake kinematic properties from data inversion: two different approaches

During my PhD, starting from the original formulations proposed by Bertrand et al., 2000 and Emolo & Zollo 2005, I developed inversion methods and applied then at different earthquakes. In particular large efforts have been devoted to the study of the model resolution and to the estimation of the model parameter errors. To study the source kinematic characteristics of the Christchurch earthquake we performed a joint inversion of strong-motion, GPS and InSAR data using a non-linear inversion method. Considering the complexity highlighted by superficial deformation data, we adopted a fault model consisting of two partially overlapping segments, with dimensions 15x11 and 7x7 km2, having different faulting styles. This two-fault model allows to better reconstruct the complex shape of the superficial deformation data. The total seismic moment resulting from the joint inversion is 3.0x1025 dyne.cm (Mw = 6.2) with an average rupture velocity of 2.0 km/s. Errors associated with the kinematic model have been estimated of around 20-30 %. The 2009 Aquila sequence was characterized by an intense aftershocks sequence that lasted several months. In this study we applied an inversion method that assumes as data the apparent Source Time Functions (aSTFs), to a Mw 4.0 aftershock of the Aquila sequence. The estimation of aSTFs was obtained using the deconvolution method proposed by Vallée et al., 2004. The inversion results show a heterogeneous slip distribution, characterized by two main slip patches located NW of the hypocenter, and a variable rupture velocity distribution (mean value of 2.5 km/s), showing a rupture front acceleration in between the two high slip zones. Errors of about 20% characterize the final estimated parameters.

Data-stream driven Fuzzy-granular approaches for system maintenance

Intelligent systems are currently inherent to the society, supporting a synergistic human-machine collaboration. Beyond economical and climate factors, energy consumption is strongly affected by the performance of computing systems. The quality of software functioning may invalidate any improvement attempt. In addition, data-driven machine learning algorithms are the basis for human-centered applications, being their interpretability one of the most important features of computational systems. Software maintenance is a critical discipline to support automatic and life-long system operation. As most software registers its inner events by means of logs, log analysis is an approach to keep system operation. Logs are characterized as Big data assembled in large-flow streams, being unstructured, heterogeneous, imprecise, and uncertain. This thesis addresses fuzzy and neuro-granular methods to provide maintenance solutions applied to anomaly detection (AD) and log parsing (LP), dealing with data uncertainty, identifying ideal time periods for detailed software analyses. LP provides deeper semantics interpretation of the anomalous occurrences. The solutions evolve over time and are general-purpose, being highly applicable, scalable, and maintainable. Granular classification models, namely, Fuzzy set-Based evolving Model (FBeM), evolving Granular Neural Network (eGNN), and evolving Gaussian Fuzzy Classifier (eGFC), are compared considering the AD problem. The evolving Log Parsing (eLP) method is proposed to approach the automatic parsing applied to system logs. All the methods perform recursive mechanisms to create, update, merge, and delete information granules according with the data behavior. For the first time in the evolving intelligent systems literature, the proposed method, eLP, is able to process streams of words and sentences. Essentially, regarding to AD accuracy, FBeM achieved (85.64+-3.69)%; eGNN reached (96.17+-0.78)%; eGFC obtained (92.48+-1.21)%; and eLP reached (96.05+-1.04)%. Besides being competitive, eLP particularly generates a log grammar, and presents a higher level of model interpretability.

The assessment of change in rural landscape and the analysis of the driving forces. Proposal of a spatial model for the rural built environment

The presented study carried out an analysis on rural landscape changes. In particular the study focuses on the understanding of driving forces acting on the rural built environment using a statistical spatial model implemented through GIS techniques. It is well known that the study of landscape changes is essential for a conscious decision making in land planning. From a bibliography review results a general lack of studies dealing with the modeling of rural built environment and hence a theoretical modelling approach for such purpose is needed. The advancement in technology and modernity in building construction and agriculture have gradually changed the rural built environment. In addition, the phenomenon of urbanization of a determined the construction of new volumes that occurred beside abandoned or derelict rural buildings. Consequently there are two types of transformation dynamics affecting mainly the rural built environment that can be observed: the conversion of rural buildings and the increasing of building numbers. It is the specific aim of the presented study to propose a methodology for the development of a spatial model that allows the identification of driving forces that acted on the behaviours of the building allocation. In fact one of the most concerning dynamic nowadays is related to an irrational expansion of buildings sprawl across landscape. The proposed methodology is composed by some conceptual steps that cover different aspects related to the development of a spatial model: the selection of a response variable that better describe the phenomenon under study, the identification of possible driving forces, the sampling methodology concerning the collection of data, the most suitable algorithm to be adopted in relation to statistical theory and method used, the calibration process and evaluation of the model. A different combination of factors in various parts of the territory generated favourable or less favourable conditions for the building allocation and the existence of buildings represents the evidence of such optimum. Conversely the absence of buildings expresses a combination of agents which is not suitable for building allocation. Presence or absence of buildings can be adopted as indicators of such driving conditions, since they represent the expression of the action of driving forces in the land suitability sorting process. The existence of correlation between site selection and hypothetical driving forces, evaluated by means of modeling techniques, provides an evidence of which driving forces are involved in the allocation dynamic and an insight on their level of influence into the process. GIS software by means of spatial analysis tools allows to associate the concept of presence and absence with point futures generating a point process. Presence or absence of buildings at some site locations represent the expression of these driving factors interaction. In case of presences, points represent locations of real existing buildings, conversely absences represent locations were buildings are not existent and so they are generated by a stochastic mechanism. Possible driving forces are selected and the existence of a causal relationship with building allocations is assessed through a spatial model. The adoption of empirical statistical models provides a mechanism for the explanatory variable analysis and for the identification of key driving variables behind the site selection process for new building allocation. The model developed by following the methodology is applied to a case study to test the validity of the methodology. In particular the study area for the testing of the methodology is represented by the New District of Imola characterized by a prevailing agricultural production vocation and were transformation dynamic intensively occurred. The development of the model involved the identification of predictive variables (related to geomorphologic, socio-economic, structural and infrastructural systems of landscape) capable of representing the driving forces responsible for landscape changes.. The calibration of the model is carried out referring to spatial data regarding the periurban and rural area of the study area within the 1975-2005 time period by means of Generalised linear model. The resulting output from the model fit is continuous grid surface where cells assume values ranged from 0 to 1 of probability of building occurrences along the rural and periurban area of the study area. Hence the response variable assesses the changes in the rural built environment occurred in such time interval and is correlated to the selected explanatory variables by means of a generalized linear model using logistic regression. Comparing the probability map obtained from the model to the actual rural building distribution in 2005, the interpretation capability of the model can be evaluated. The proposed model can be also applied to the interpretation of trends which occurred in other study areas, and also referring to different time intervals, depending on the availability of data. The use of suitable data in terms of time, information, and spatial resolution and the costs related to data acquisition, pre-processing, and survey are among the most critical aspects of model implementation. Future in-depth studies can focus on using the proposed model to predict short/medium-range future scenarios for the rural built environment distribution in the study area. In order to predict future scenarios it is necessary to assume that the driving forces do not change and that their levels of influence within the model are not far from those assessed for the time interval used for the calibration.

Characterization of geothermal reservoirs’ parameters by inverse problem resolution and geostatistical simulations

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model).

Analisi dei cantieri di Cippatura in merito ad aspetti operativi e di salvaguardia degli operatori

La cippatura è un processo produttivo fondamentale nella trasformazione della materia prima forestale in biomassa combustibile che coinvolgerà un numero sempre più crescente di operatori. Scopo dello studio è stato quantificare la produttività e il consumo di combustibile in 16 cantieri di cippatura e determinare i livelli di esposizione alla polvere di legno degli addetti alla cippatura, in funzione di condizioni operative differenti. Sono state identificate due tipologie di cantiere: uno industriale, con cippatrici di grossa taglia (300-400kW) dotate di cabina, e uno semi-industriale con cippatrici di piccola-media taglia (100-150kW) prive di cabina. In tutti i cantieri sono stati misurati i tempi di lavoro, i consumi di combustibile, l’esposizione alla polvere di legno e sono stati raccolti dei campioni di cippato per l’analisi qualitativa. Il cantiere industriale ha raggiunto una produttività media oraria di 25 Mg tal quali, ed è risultato 5 volte più produttivo di quello semi-industriale, che ha raggiunto una produttività media oraria di 5 Mg. Ipotizzando un utilizzo massimo annuo di 1500 ore, il cantiere semi-industriale raggiunge una produzione annua di 7.410 Mg, mentre quello industriale di 37.605 Mg. Il consumo specifico di gasolio (L per Mg di cippato) è risultato molto minore per il cantiere industriale, che consuma in media quasi la metà di quello semi-industriale. Riguardo all’esposizione degli operatori alla polvere di legno, tutti i campioni hanno riportato valori di esposizione inferiori a 5 mg/m3 (limite di legge previsto dal D.Lgs. 81/08). Nei cantieri semi-industriali il valore medio di esposizione è risultato di 1,35 mg/m3, con un valore massimo di 3,66 mg/m3. Nei cantieri industriali si è riscontrato che la cabina riduce drasticamente l’esposizione alle polveri di legno. I valori medi misurati all’esterno della cabina sono stati di 0,90 mg/m3 mentre quelli all’interno della cabina sono risultati pari a 0,20 mg/m3.

Marine biodiversity survey in the Northern Red Sea: a large-scale monitoring carried out in collaboration with volunteer divers

Concerns over global change and its effect on coral reef survivorship have highlighted the need for long-term datasets and proxy records, to interpret environmental trends and inform policymakers. Citizen science programs have showed to be a valid method for collecting data, reducing financial and time costs for institutions. This study is based on the elaboration of data collected by recreational divers and its main purpose is to evaluate changes in the state of coral reef biodiversity in the Red Sea over a long term period and validate the volunteer-based monitoring method. Volunteers recreational divers completed a questionnaire after each dive, recording the presence of 72 animal taxa and negative reef conditions. Comparisons were made between records from volunteers and independent records from a marine biologist who performed the same dive at the same time. A total of 500 volunteers were tested in 78 validation trials. Relative values of accuracy, reliability and similarity seem to be comparable to those performed by volunteer divers on precise transects in other projects, or in community-based terrestrial monitoring. 9301 recreational divers participated in the monitoring program, completing 23,059 survey questionnaires in a 5-year period. The volunteer-sightings-based index showed significant differences between the geographical areas. The area of Hurghada is distinguished by a medium-low biodiversity index, heavily damaged by a not controlled anthropic exploitation. Coral reefs along the Ras Mohammed National Park at Sharm el Sheikh, conversely showed high biodiversity index. The detected pattern seems to be correlated with the conservation measures adopted. In our experience and that of other research institutes, citizen science can integrate conventional methods and significantly reduce costs and time. Involving recreational divers we were able to build a large data set, covering a wide geographic area. The main limitation remains the difficulty of obtaining an homogeneous spatial sampling distribution.

Waste Heat Recovery Systems: Numerical and Experimental Analysis of organic Rankine Cycle Solutions

This thesis aims to present the ORC technology, its advantages and related problems. In particular, it provides an analysis of ORC waste heat recovery system in different and innovative scenarios, focusing on cases from the biggest to the lowest scale. Both industrial and residential ORC applications are considered. In both applications, the installation of a subcritical and recuperated ORC system is examined. Moreover, heat recovery is considered in absence of an intermediate heat transfer circuit. This solution allow to improve the recovery efficiency, but requiring safety precautions. Possible integrations of ORC systems with renewable sources are also presented and investigated to improve the non-programmable source exploitation. In particular, the offshore oil and gas sector has been selected as a promising industrial large-scale ORC application. From the design of ORC systems coupled with Gas Turbines (GTs) as topper systems, the dynamic behavior of the GT+ORC innovative combined cycles has been analyzed by developing a dynamic model of all the considered components. The dynamic behavior is caused by integration with a wind farm. The electric and thermal aspects have been examined to identify the advantages related to the waste heat recovery system installation. Moreover, an experimental test rig has been realized to test the performance of a micro-scale ORC prototype. The prototype recovers heat from a low temperature water stream, available for instance in industrial or residential waste heat. In the test bench, various sensors have been installed, an acquisitions system developed in Labview environment to completely analyze the ORC behavior. Data collected in real time and corresponding to the system dynamic behavior have been used to evaluate the system performance based on selected indexes. Moreover, various operational steady-state conditions are identified and operation maps are realized for a completely characterization of the system and to detect the optimal operating conditions.

Sleep disorders in Multiple System Atrophy: a longitudinal study

Introduction: A higher frequency of sleep and breathing disorders in Multiple System Atrophy (MSA) populations is documented in literature. The analysis of disease progression and prognosis in patients with sleep and breathing disorders could shed light on specific neuropathology and pathophysiology of MSA. Objective: To characterize sleep disorders and their longitudinal modifications during disease course in MSA patients, and to determine their prognostic value. Methods: This is a retrospective and prospective cohort study including 182 MSA patients (58.8% males). Type of onset was defined by the first reported motor or autonomic symptom/sign related to MSA. The occurrence of symptoms/signs and milestones of disease progression and their latency were collected. REM sleep behaviour disorder (RBD) and stridor were video-polysomnography (VPSG)-confirmed. VPSG recordings were analysed in a standardized fashion during the disease course. Survival data were based on time to death from the first symptom of disease. Results: Isolated RBD represented the first MSA symptom in 30% of patients, preceding disease onset according to international criteria with a median of 3(1–5) years. Patients developing early stridor or presenting with RBD at disease onset showed a more rapid and severe disease progression. These features had independent negative prognostic value for survival. Sleep architecture was characterized by peculiar features which could represent negative markers in MSA prognosis. Patients with stridor treated with tracheostomy showed a reduced risk of death. Conclusions: This is one of the first studies focusing on longitudinal progression of sleep in MSA. Sleep disorders are key features of disease, playing a role in presentation, prognosis and progression. In our MSA cohort, RBD represented the most frequent mode of disease presentation. Moreover, some specific clinical and instrumental sleep features could represent a hallmark of MSA and could be involved in prognosis and, in particular, in sudden death and death during sleep.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Astronomical site testing in the era of the extremely large telescopes

The quality of astronomical sites is the first step to be considered to have the best performances from the telescopes. In particular, the efficiency of large telescopes in UV, IR, radio etc. is critically dependent on atmospheric transparency. It is well known that the random optical effects induced on the light propagation by turbulent atmosphere also limit telescope’s performances. Nowadays, clear appears the importance to correlate the main atmospheric physical parameters with the optical quality reachable by large aperture telescopes. The sky quality evaluation improved with the introduction of new techniques, new instrumentations and with the understanding of the link between the meteorological (or synoptical parameters and the observational conditions thanks to the application of the theories of electromagnetic waves propagation in turbulent medias: what we actually call astroclimatology. At the present the site campaigns are evolved and are performed using the classical scheme of optical seeing properties, meteorological parameters, sky transparency, sky darkness and cloudiness. New concept are added and are related to the geophysical properties such as seismicity, microseismicity, local variability of the climate, atmospheric conditions related to the ground optical turbulence and ground wind regimes, aerosol presence, use of satellite data. The purpose of this project is to provide reliable methods to analyze the atmospheric properties that affect ground-based optical astronomical observations and to correlate them with the main atmospheric parameters generating turbulence and affecting the photometric accuracy. The first part of the research concerns the analysis and interpretation of longand short-time scale meteorological data at two of the most important astronomical sites located in very different environments: the Paranal Observatory in the Atacama Desert (Chile), and the Observatorio del Roque de Los Muchachos(ORM) located in La Palma (Canary Islands, Spain). The optical properties of airborne dust at ORM have been investigated collecting outdoor data using a ground-based dust monitor. Because of its dryness, Paranal is a suitable observatory for near-IR observations, thus the extinction properties in the spectral range 1.00-2.30 um have been investigated using an empirical method. Furthermore, this PhD research has been developed using several turbulence profilers in the selection of the site for the European Extremely Large Telescope(E-ELT). During the campaigns the properties of the turbulence at different heights at Paranal and in the sites located in northern Chile and Argentina have been studied. This given the possibility to characterize the surface layer turbulence at Paranal and its connection with local meteorological conditions.

Hardware/Software Design of Dynamic Real-Time Schedulers for Embedded Multiprocessor Systems

The new generation of multicore processors opens new perspectives for the design of embedded systems. Multiprocessing, however, poses new challenges to the scheduling of real-time applications, in which the ever-increasing computational demands are constantly flanked by the need of meeting critical time constraints. Many research works have contributed to this field introducing new advanced scheduling algorithms. However, despite many of these works have solidly demonstrated their effectiveness, the actual support for multiprocessor real-time scheduling offered by current operating systems is still very limited. This dissertation deals with implementative aspects of real-time schedulers in modern embedded multiprocessor systems. The first contribution is represented by an open-source scheduling framework, which is capable of realizing complex multiprocessor scheduling policies, such as G-EDF, on conventional operating systems exploiting only their native scheduler from user-space. A set of experimental evaluations compare the proposed solution to other research projects that pursue the same goals by means of kernel modifications, highlighting comparable scheduling performances. The principles that underpin the operation of the framework, originally designed for symmetric multiprocessors, have been further extended first to asymmetric ones, which are subjected to major restrictions such as the lack of support for task migrations, and later to re-programmable hardware architectures (FPGAs). In the latter case, this work introduces a scheduling accelerator, which offloads most of the scheduling operations to the hardware and exhibits extremely low scheduling jitter. The realization of a portable scheduling framework presented many interesting software challenges. One of these has been represented by timekeeping. In this regard, a further contribution is represented by a novel data structure, called addressable binary heap (ABH). Such ABH, which is conceptually a pointer-based implementation of a binary heap, shows very interesting average and worst-case performances when addressing the problem of tick-less timekeeping of high-resolution timers.

Early Warning For Large Earthquakes: Observations, Models and Real-Time Data Analysis

This thesis is a collection of works focused on the topic of Earthquake Early Warning, with a special attention to large magnitude events. The topic is addressed from different points of view and the structure of the thesis reflects the variety of the aspects which have been analyzed. The first part is dedicated to the giant, 2011 Tohoku-Oki earthquake. The main features of the rupture process are first discussed. The earthquake is then used as a case study to test the feasibility Early Warning methodologies for very large events. Limitations of the standard approaches for large events arise in this chapter. The difficulties are related to the real-time magnitude estimate from the first few seconds of recorded signal. An evolutionary strategy for the real-time magnitude estimate is proposed and applied to the single Tohoku-Oki earthquake. In the second part of the thesis a larger number of earthquakes is analyzed, including small, moderate and large events. Starting from the measurement of two Early Warning parameters, the behavior of small and large earthquakes in the initial portion of recorded signals is investigated. The aim is to understand whether small and large earthquakes can be distinguished from the initial stage of their rupture process. A physical model and a plausible interpretation to justify the observations are proposed. The third part of the thesis is focused on practical, real-time approaches for the rapid identification of the potentially damaged zone during a seismic event. Two different approaches for the rapid prediction of the damage area are proposed and tested. The first one is a threshold-based method which uses traditional seismic data. Then an innovative approach using continuous, GPS data is explored. Both strategies improve the prediction of large scale effects of strong earthquakes.

Advanced modelling of time domain electromagnetic data with updated hydrogeological interpretations

Several countries have acquired, over the past decades, large amounts of area covering Airborne Electromagnetic data. Contribution of airborne geophysics has dramatically increased for both groundwater resource mapping and management proving how those systems are appropriate for large-scale and efficient groundwater surveying. We start with processing and inversion of two AEM dataset from two different systems collected over the Spiritwood Valley Aquifer area, Manitoba, Canada respectively, the AeroTEM III (commissioned by the Geological Survey of Canada in 2010) and the “Full waveform VTEM” dataset, collected and tested over the same survey area, during the fall 2011. We demonstrate that in the presence of multiple datasets, either AEM and ground data, due processing, inversion, post-processing, data integration and data calibration is the proper approach capable of providing reliable and consistent resistivity models. Our approach can be of interest to many end users, ranging from Geological Surveys, Universities to Private Companies, which are often proprietary of large geophysical databases to be interpreted for geological and\or hydrogeological purposes. In this study we deeply investigate the role of integration of several complimentary types of geophysical data collected over the same survey area. We show that data integration can improve inversions, reduce ambiguity and deliver high resolution results. We further attempt to use the final, most reliable output resistivity models as a solid basis for building a knowledge-driven 3D geological voxel-based model. A voxel approach allows a quantitative understanding of the hydrogeological setting of the area, and it can be further used to estimate the aquifers volumes (i.e. potential amount of groundwater resources) as well as hydrogeological flow model prediction. In addition, we investigated the impact of an AEM dataset towards hydrogeological mapping and 3D hydrogeological modeling, comparing it to having only a ground based TEM dataset and\or to having only boreholes data.

Data management and data analysis in the large European projects GEHA (GEnetics of Healthy Aging) and NU-AGE (NUtrition and AGEing): a bioinformatic approach

The aging process is characterized by the progressive fitness decline experienced at all the levels of physiological organization, from single molecules up to the whole organism. Studies confirmed inflammaging, a chronic low-level inflammation, as a deeply intertwined partner of the aging process, which may provide the “common soil” upon which age-related diseases develop and flourish. Thus, albeit inflammation per se represents a physiological process, it can rapidly become detrimental if it goes out of control causing an excess of local and systemic inflammatory response, a striking risk factor for the elderly population. Developing interventions to counteract the establishment of this state is thus a top priority. Diet, among other factors, represents a good candidate to regulate inflammation. Building on top of this consideration, the EU project NU-AGE is now trying to assess if a Mediterranean diet, fortified for the elderly population needs, may help in modulating inflammaging. To do so, NU-AGE enrolled a total of 1250 subjects, half of which followed a 1-year long diet, and characterized them by mean of the most advanced –omics and non –omics analyses. The aim of this thesis was the development of a solid data management pipeline able to efficiently cope with the results of these assays, which are now flowing inside a centralized database, ready to be used to test the most disparate scientific hypotheses. At the same time, the work hereby described encompasses the data analysis of the GEHA project, which was focused on identifying the genetic determinants of longevity, with a particular focus on developing and applying a method for detecting epistatic interactions in human mtDNA. Eventually, in an effort to propel the adoption of NGS technologies in everyday pipeline, we developed a NGS variant calling pipeline devoted to solve all the sequencing-related issues of the mtDNA.