Enabling a direct path from end-user specifications to executable protocols in a biology laboratory environment

Biomedical analyses are becoming increasingly complex, with respect to both the type of the data to be produced and the procedures to be executed. This trend is expected to continue in the future. The development of information and protocol management systems that can sustain this challenge is therefore becoming an essential enabling factor for all actors in the field. The use of custom-built solutions that require the biology domain expert to acquire or procure software engineering expertise in the development of the laboratory infrastructure is not fully satisfactory because it incurs undesirable mutual knowledge dependencies between the two camps. We propose instead an infrastructure concept that enables the domain experts to express laboratory protocols using proper domain knowledge, free from the incidence and mediation of the software implementation artefacts. In the system that we propose this is made possible by basing the modelling language on an authoritative domain specific ontology and then using modern model-driven architecture technology to transform the user models in software artefacts ready for execution in a multi-agent based execution platform specialized for biomedical laboratories.

Engineering Complex Computational Ecosystems

Self-organising pervasive ecosystems of devices are set to become a major vehicle for delivering infrastructure and end-user services. The inherent complexity of such systems poses new challenges to those who want to dominate it by applying the principles of engineering. The recent growth in number and distribution of devices with decent computational and communicational abilities, that suddenly accelerated with the massive diffusion of smartphones and tablets, is delivering a world with a much higher density of devices in space. Also, communication technologies seem to be focussing on short-range device-to-device (P2P) interactions, with technologies such as Bluetooth and Near-Field Communication gaining greater adoption. Locality and situatedness become key to providing the best possible experience to users, and the classic model of a centralised, enormously powerful server gathering and processing data becomes less and less efficient with device density. Accomplishing complex global tasks without a centralised controller responsible of aggregating data, however, is a challenging task. In particular, there is a local-to-global issue that makes the application of engineering principles challenging at least: designing device-local programs that, through interaction, guarantee a certain global service level. In this thesis, we first analyse the state of the art in coordination systems, then motivate the work by describing the main issues of pre-existing tools and practices and identifying the improvements that would benefit the design of such complex software ecosystems. The contribution can be divided in three main branches. First, we introduce a novel simulation toolchain for pervasive ecosystems, designed for allowing good expressiveness still retaining high performance. Second, we leverage existing coordination models and patterns in order to create new spatial structures. Third, we introduce a novel language, based on the existing ``Field Calculus'' and integrated with the aforementioned toolchain, designed to be usable for practical aggregate programming.

Modeling and optimization techniques for advanced vehicular networking

This thesis deals with optimization techniques and modeling of vehicular networks. Thanks to the models realized with the integer linear programming (ILP) and the heuristic ones, it was possible to study the performances in 5G networks for the vehicular. Thanks to Software-defined networking (SDN) and Network functions virtualization (NFV) paradigms it was possible to study the performances of different classes of service, such as the Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) class and enhanced Mobile BroadBand (eMBB) class, and how the functional split can have positive effects on network resource management. Two different protection techniques have been studied: Shared Path Protection (SPP) and Dedicated Path Protection (DPP). Thanks to these different protections, it is possible to achieve different network reliability requirements, according to the needs of the end user. Finally, thanks to a simulator developed in Python, it was possible to study the dynamic allocation of resources in a 5G metro network. Through different provisioning algorithms and different dynamic resource management techniques, useful results have been obtained for understanding the needs in the vehicular networks that will exploit 5G. Finally, two models are shown for reconfiguring backup resources when using shared resource protection.

Memory hierarchy and data communication in heterogeneous reconfigurable SoCs

The miniaturization race in the hardware industry aiming at continuous increasing of transistor density on a die does not bring respective application performance improvements any more. One of the most promising alternatives is to exploit a heterogeneous nature of common applications in hardware. Supported by reconfigurable computation, which has already proved its efficiency in accelerating data intensive applications, this concept promises a breakthrough in contemporary technology development. Memory organization in such heterogeneous reconfigurable architectures becomes very critical. Two primary aspects introduce a sophisticated trade-off. On the one hand, a memory subsystem should provide well organized distributed data structure and guarantee the required data bandwidth. On the other hand, it should hide the heterogeneous hardware structure from the end-user, in order to support feasible high-level programmability of the system. This thesis work explores the heterogeneous reconfigurable hardware architectures and presents possible solutions to cope the problem of memory organization and data structure. By the example of the MORPHEUS heterogeneous platform, the discussion follows the complete design cycle, starting from decision making and justification, until hardware realization. Particular emphasis is made on the methods to support high system performance, meet application requirements, and provide a user-friendly programmer interface. As a result, the research introduces a complete heterogeneous platform enhanced with a hierarchical memory organization, which copes with its task by means of separating computation from communication, providing reconfigurable engines with computation and configuration data, and unification of heterogeneous computational devices using local storage buffers. It is distinguished from the related solutions by distributed data-flow organization, specifically engineered mechanisms to operate with data on local domains, particular communication infrastructure based on Network-on-Chip, and thorough methods to prevent computation and communication stalls. In addition, a novel advanced technique to accelerate memory access was developed and implemented.

Adaptive wireless multimedia communication systems

In recent years, due to the rapid convergence of multimedia services, Internet and wireless communications, there has been a growing trend of heterogeneity (in terms of channel bandwidths, mobility levels of terminals, end-user quality-of-service (QoS) requirements) for emerging integrated wired/wireless networks. Moreover, in nowadays systems, a multitude of users coexists within the same network, each of them with his own QoS requirement and bandwidth availability. In this framework, embedded source coding allowing partial decoding at various resolution is an appealing technique for multimedia transmissions. This dissertation includes my PhD research, mainly devoted to the study of embedded multimedia bitstreams in heterogenous networks, developed at the University of Bologna, advised by Prof. O. Andrisano and Prof. A. Conti, and at the University of California, San Diego (UCSD), where I spent eighteen months as a visiting scholar, advised by Prof. L. B. Milstein and Prof. P. C. Cosman. In order to improve the multimedia transmission quality over wireless channels, joint source and channel coding optimization is investigated in a 2D time-frequency resource block for an OFDM system. We show that knowing the order of diversity in time and/or frequency domain can assist image (video) coding in selecting optimal channel code rates (source and channel code rates). Then, adaptive modulation techniques, aimed at maximizing the spectral efficiency, are investigated as another possible solution for improving multimedia transmissions. For both slow and fast adaptive modulations, the effects of imperfect channel estimation errors are evaluated, showing that the fast technique, optimal in ideal systems, might be outperformed by the slow adaptive modulation, when a real test case is considered. Finally, the effects of co-channel interference and approximated bit error probability (BEP) are evaluated in adaptive modulation techniques, providing new decision regions concepts, and showing how the widely used BEP approximations lead to a substantial loss in the overall performance.

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.

Technology Development and Consumer Acceptance of Innovation in Fruit Production

Precision Agriculture (PA) and the more specific branch of Precision Horticulture are two very promising sectors. They focus on the use of technologies in agriculture to optimize the use of inputs, so to reach a better efficiency, and minimize waste of resources. This important objective motivated many researchers and companies to search new technology solutions. Sometimes the effort proved to be a good seed, but sometimes an unfeasible idea. So that PA, from its birth more or less 25 years ago, is still a “new” management, interesting for the future, but an actual low adoption rate is still reported by experts and researchers. This work aims to give a contribution in finding the causes of this low adoption rate and proposing a methodological solution to this problem. The first step was to examine prior research about Precision Agriculture adoption, by ex ante and ex post approach. It was supposed as important to find connections between these two phases of a purchase experience. In fact, the ex ante studies dealt with potential consumer’s perceptions before a usage experience occurred, therefore before purchasing a technology, while the ex post studies described the drivers which made a farmer become an end-user of PA technology. Then, an example of consumer research is presented. This was an ex ante research focused on pre-prototype technology for fruit production. This kind of research could give precious information about consumer acceptance before reaching an advanced development phase of the technology, and so to have the possibility to change something with the least financial impact. The final step was to develop the pre-prototype technology that was the subject of the consumer acceptance research and test its technical characteristics.

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.

Engineering Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

Brain-Computer Interfaces for augmented communication: Asynchronous and adaptive algorithms and evaluation with end users

This thesis aimed at addressing some of the issues that, at the state of the art, avoid the P300-based brain computer interface (BCI) systems to move from research laboratories to end users’ home. An innovative asynchronous classifier has been defined and validated. It relies on the introduction of a set of thresholds in the classifier, and such thresholds have been assessed considering the distributions of score values relating to target, non-target stimuli and epochs of voluntary no-control. With the asynchronous classifier, a P300-based BCI system can adapt its speed to the current state of the user and can automatically suspend the control when the user diverts his attention from the stimulation interface. Since EEG signals are non-stationary and show inherent variability, in order to make long-term use of BCI possible, it is important to track changes in ongoing EEG activity and to adapt BCI model parameters accordingly. To this aim, the asynchronous classifier has been subsequently improved by introducing a self-calibration algorithm for the continuous and unsupervised recalibration of the subjective control parameters. Finally an index for the online monitoring of the EEG quality has been defined and validated in order to detect potential problems and system failures. This thesis ends with the description of a translational work involving end users (people with amyotrophic lateral sclerosis-ALS). Focusing on the concepts of the user centered design approach, the phases relating to the design, the development and the validation of an innovative assistive device have been described. The proposed assistive technology (AT) has been specifically designed to meet the needs of people with ALS during the different phases of the disease (i.e. the degree of motor abilities impairment). Indeed, the AT can be accessed with several input devices either conventional (mouse, touchscreen) or alterative (switches, headtracker) up to a P300-based BCI.