Machine learning approach to the extended Hubbard model

The 1d extended Hubbard model with soft-shoulder potential has proved itself to be very difficult to study due its non solvability and to competition between terms of the Hamiltonian. Given this, we tried to investigate its phase diagram for filling n=2/5 and range of soft-shoulder potential r=2 by using Machine Learning techniques. That led to a rich phase diagram; calling U, V the parameters associated to the Hubbard potential and the soft-shoulder potential respectively, we found that for V<5 and U>3 the system is always in Tomonaga Luttinger Liquid phase, then becomes a Cluster Luttinger Liquid for 57, with a quasi-perfect crystal in the U<3V/2 and U>5 region. Finally we found that for U<5 and V>2-3 the system shall maintain the Cluster Luttinger Liquid structure, with a residual in-block single particle mobility.

Studies of CMS data access patterns with machine learning techniques

This thesis presents a study of the Grid data access patterns in distributed analysis in the CMS experiment at the LHC accelerator. This study ranges from the deep analysis of the historical patterns of access to the most relevant data types in CMS, to the exploitation of a supervised Machine Learning classification system to set-up a machinery able to eventually predict future data access patterns - i.e. the so-called dataset “popularity” of the CMS datasets on the Grid - with focus on specific data types. All the CMS workflows run on the Worldwide LHC Computing Grid (WCG) computing centers (Tiers), and in particular the distributed analysis systems sustains hundreds of users and applications submitted every day. These applications (or “jobs”) access different data types hosted on disk storage systems at a large set of WLCG Tiers. The detailed study of how this data is accessed, in terms of data types, hosting Tiers, and different time periods, allows to gain precious insight on storage occupancy over time and different access patterns, and ultimately to extract suggested actions based on this information (e.g. targetted disk clean-up and/or data replication). In this sense, the application of Machine Learning techniques allows to learn from past data and to gain predictability potential for the future CMS data access patterns. Chapter 1 provides an introduction to High Energy Physics at the LHC. Chapter 2 describes the CMS Computing Model, with special focus on the data management sector, also discussing the concept of dataset popularity. Chapter 3 describes the study of CMS data access patterns with different depth levels. Chapter 4 offers a brief introduction to basic machine learning concepts and gives an introduction to its application in CMS and discuss the results obtained by using this approach in the context of this thesis.

Novel Machine-Learning Based IC Testing Strategy

The final goal of the thesis should be a real-world application in the production test data environment. This includes the pre-processing of the data, building models and visualizing the results. To do this, different machine learning models, outlier prediction oriented, should be investigated using a real dataset. Finally, the different outlier prediction algorithms should be compared, and their performance discussed.

Machine learning "as a service" for high energy physics (MLaaS4HEP): evolution of a framework for ML-based physics analyses

The scientific success of the LHC experiments at CERN highly depends on the availability of computing resources which efficiently store, process, and analyse the amount of data collected every year. This is ensured by the Worldwide LHC Computing Grid infrastructure that connect computing centres distributed all over the world with high performance network. LHC has an ambitious experimental program for the coming years, which includes large investments and improvements both for the hardware of the detectors and for the software and computing systems, in order to deal with the huge increase in the event rate expected from the High Luminosity LHC (HL-LHC) phase and consequently with the huge amount of data that will be produced. Since few years the role of Artificial Intelligence has become relevant in the High Energy Physics (HEP) world. Machine Learning (ML) and Deep Learning algorithms have been successfully used in many areas of HEP, like online and offline reconstruction programs, detector simulation, object reconstruction, identification, Monte Carlo generation, and surely they will be crucial in the HL-LHC phase. This thesis aims at contributing to a CMS R&D project, regarding a ML "as a Service" solution for HEP needs (MLaaS4HEP). It consists in a data-service able to perform an entire ML pipeline (in terms of reading data, processing data, training ML models, serving predictions) in a completely model-agnostic fashion, directly using ROOT files of arbitrary size from local or distributed data sources. This framework has been updated adding new features in the data preprocessing phase, allowing more flexibility to the user. Since the MLaaS4HEP framework is experiment agnostic, the ATLAS Higgs Boson ML challenge has been chosen as physics use case, with the aim to test MLaaS4HEP and the contribution done with this work.

Dynamic Human Robot Interaction Framework Using Deep Learning and Robot Operating System (ROS): a practical approach

Trying to explain to a robot what to do is a difficult undertaking, and only specific types of people have been able to do so far, such as programmers or operators who have learned how to use controllers to communicate with a robot. My internship's goal was to create and develop a framework that would make that easier. The system uses deep learning techniques to recognize a set of hand gestures, both static and dynamic. Then, based on the gesture, it sends a command to a robot. To be as generic as feasible, the communication is implemented using Robot Operating System (ROS). Furthermore, users can add new recognizable gestures and link them to new robot actions; a finite state automaton enforces the users' input verification and correct action sequence. Finally, the users can create and utilize a macro to describe a sequence of actions performable by a robot.

Machine Learning algorithm on seat comfort level measurement, mapping pressure values with body regions

The comfort level of the seat has a major effect on the usage of a vehicle; thus, car manufacturers have been working on elevating car seat comfort as much as possible. However, still, the testing and evaluation of comfort are done using exhaustive trial and error testing and evaluation of data. In this thesis, we resort to machine learning and Artificial Neural Networks (ANN) to develop a fully automated approach. Even though this approach has its advantages in minimizing time and using a large set of data, it takes away the degree of freedom of the engineer on making decisions. The focus of this study is on filling the gap in a two-step comfort level evaluation which used pressure mapping with body regions to evaluate the average pressure supported by specific body parts and the Self-Assessment Exam (SAE) questions on evaluation of the person’s interest. This study has created a machine learning algorithm that works on giving a degree of freedom to the engineer in making a decision when mapping pressure values with body regions using ANN. The mapping is done with 92% accuracy and with the help of a Graphical User Interface (GUI) that facilitates the process during the testing time of comfort level evaluation of the car seat, which decreases the duration of the test analysis from days to hours.

Predizione dell'effetto delle mutazioni sulla variazione della stabilita' proteica con metodi di "machine-learning".

La tesi consiste nell’implementare un software in grado a predire la variazione della stabilità di una proteina sottoposta ad una mutazione. Il predittore implementato fa utilizzo di tecniche di Machine-Learning ed, in particolare, di SVM. In particolare, riguarda l’analisi delle prestazioni di un predittore, precedentemente implementato, sotto opportune variazioni dei parametri di input e relativamente all’utilizzo di nuova informazione rispetto a quella utilizzata dal predittore basilare.

Le tecniche di machine learning per il trattamento della sindrome dell'arto fantasma

Questo elaborato ha come scopo quello di analizzare ed esaminare una patologia oggetto di attiva ricerca scientifica, la sindrome dell’arto fantasma o phantom limb pain: tracciando la storia delle terapie più utilizzate per la sua attenuazione, si è giunti ad analizzarne lo stato dell’arte. Consapevoli che la sindrome dell’arto fantasma costituisce, oltre che un disturbo per chi la prova, uno strumento assai utile per l’analisi delle attività nervose del segmento corporeo superstite (moncone), si è svolta un’attività al centro Inail di Vigorso di Budrio finalizzata a rilevare segnali elettrici provenienti dai monconi superiori dei pazienti che hanno subito un’amputazione. Avendo preliminarmente trattato l’argomento “Machine learning” per raggiungere una maggiore consapevolezza delle potenzialità dell’apprendimento automatico, si sono analizzate la attività neuronali dei pazienti mentre questi muovevano il loro arto fantasma per riuscire a settare nuove tipologie di protesi mobili in base ai segnali ricevuti dal moncone.

Machine Learning applicato al Web Semantico: Statistical Relational Learning vs Tensor Factorization

Obiettivo della tesi è analizzare e testare i principali approcci di Machine Learning applicabili in contesti semantici, partendo da algoritmi di Statistical Relational Learning, quali Relational Probability Trees, Relational Bayesian Classifiers e Relational Dependency Networks, per poi passare ad approcci basati su fattorizzazione tensori, in particolare CANDECOMP/PARAFAC, Tucker e RESCAL.

Predicting CMS datasets popularity with machine learning

In CMS è stato lanciato un progetto di Data Analytics e, all’interno di esso, un’attività specifica pilota che mira a sfruttare tecniche di Machine Learning per predire la popolarità dei dataset di CMS. Si tratta di un’osservabile molto delicata, la cui eventuale predizione premetterebbe a CMS di costruire modelli di data placement più intelligenti, ampie ottimizzazioni nell’uso dello storage a tutti i livelli Tiers, e formerebbe la base per l’introduzione di un solito sistema di data management dinamico e adattivo. Questa tesi descrive il lavoro fatto sfruttando un nuovo prototipo pilota chiamato DCAFPilot, interamente scritto in python, per affrontare questa sfida.

Big data, nosql e machine learning: un'applicazione di prediction e recommendation basata sulle api di Amazon

In questa tesi sono stati introdotti e studiati i Big Data, dando particolare importanza al mondo NoSQL, approfondendo MongoDB, e al mondo del Machine Learning, approfondendo PredictionIO. Successivamente è stata sviluppata un'applicazione attraverso l'utilizzo di tecnologie web, nodejs, node-webkit e le tecnologie approfondite prima. L'applicazione utilizza l'interpolazione polinomiale per predirre il prezzo di un bene salvato nello storico presente su MongoDB. Attraverso PredictionIO, essa analizza il comportamento degli altri utenti consigliando dei prodotti per l'acquisto. Infine è stata effetuata un'analisi dei risultati dell'errore prodotto dall'interpolazione.

Gamification e Machine Learning per migliorare l’esperienza di guida e diminuire i consumi in un veicolo elettrico

Questo progetto di tesi è parte di un programma più ampio chiamato TIME (Tecnologia Integrata per Mobilità Elettrica) sviluppato tra diversi gruppi di ricerca afferenti al settore meccanico, termofluidodinamico e informatico. TIME si pone l'obiettivo di migliorare la qualità dei componenti di un sistema powertrain presenti oggi sul mercato progettando un sistema general purpose adatto ad essere installato su veicoli di prima fornitura ma soprattutto su retrofit, quindi permettendo il ricondizionamento di veicoli con motore a combustione esistenti ma troppo datati. Lo studio svolto si pone l'obiettivo di identificare tutti gli aspetti di innovazione tecnologica che possono essere installati all'interno del sistema di interazione uomo-macchina. All'interno di questo progetto sarà effettuata una pianificazione di tutto il lavoro del gruppo di ricerca CIRI-ICT, partendo dallo studio normativo ed ergonomico delle interfacce dei veicoli analizzando tutti gli elementi di innovazione che potranno far parte del sistema TIME e quindi programmare tutte le attività previste al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati, documentando opportunamente tutto il processo. Nello specifico saranno analizzate e definite le tecniche da utilizzare per poi procedere alla progettazione e implementazione di un primo sistema sperimentale di Machine Learning e Gamification con lo scopo di predire lo stato della batteria in base allo stile di guida dell'utente e incentivare quest'ultimo tramite sistemi di Gamification installati sul cruscotto ad una guida più consapevole dei consumi. Questo sistema sarà testato su dati simulati con l'obiettivo di avere un prodotto configurabile da installare sul veicolo.

Riconoscimento real-time di gesture tramite tecniche di machine learning

Il riconoscimento delle gesture è un tema di ricerca che sta acquisendo sempre più popolarità, specialmente negli ultimi anni, grazie ai progressi tecnologici dei dispositivi embedded e dei sensori. Lo scopo di questa tesi è quello di utilizzare alcune tecniche di machine learning per realizzare un sistema in grado di riconoscere e classificare in tempo reale i gesti delle mani, a partire dai segnali mioelettrici (EMG) prodotti dai muscoli. Inoltre, per consentire il riconoscimento di movimenti spaziali complessi, verranno elaborati anche segnali di tipo inerziale, provenienti da una Inertial Measurement Unit (IMU) provvista di accelerometro, giroscopio e magnetometro. La prima parte della tesi, oltre ad offrire una panoramica sui dispositivi wearable e sui sensori, si occuperà di analizzare alcune tecniche per la classificazione di sequenze temporali, evidenziandone vantaggi e svantaggi. In particolare, verranno considerati approcci basati su Dynamic Time Warping (DTW), Hidden Markov Models (HMM), e reti neurali ricorrenti (RNN) di tipo Long Short-Term Memory (LSTM), che rappresentano una delle ultime evoluzioni nel campo del deep learning. La seconda parte, invece, riguarderà il progetto vero e proprio. Verrà impiegato il dispositivo wearable Myo di Thalmic Labs come caso di studio, e saranno applicate nel dettaglio le tecniche basate su DTW e HMM per progettare e realizzare un framework in grado di eseguire il riconoscimento real-time di gesture. Il capitolo finale mostrerà i risultati ottenuti (fornendo anche un confronto tra le tecniche analizzate), sia per la classificazione di gesture isolate che per il riconoscimento in tempo reale.

Machine Learning methods for hepatocellular malignancies segmentation and MVI prediction

The aim of this thesis project is to automatically localize HCC tumors in the human liver and subsequently predict if the tumor will undergo microvascular infiltration (MVI), the initial stage of metastasis development. The input data for the work have been partially supplied by Sant'Orsola Hospital and partially downloaded from online medical databases. Two Unet models have been implemented for the automatic segmentation of the livers and the HCC malignancies within it. The segmentation models have been evaluated with the Intersection-over-Union and the Dice Coefficient metrics. The outcomes obtained for the liver automatic segmentation are quite good (IOU = 0.82; DC = 0.35); the outcomes obtained for the tumor automatic segmentation (IOU = 0.35; DC = 0.46) are, instead, affected by some limitations: it can be state that the algorithm is almost always able to detect the location of the tumor, but it tends to underestimate its dimensions. The purpose is to achieve the CT images of the HCC tumors, necessary for features extraction. The 14 Haralick features calculated from the 3D-GLCM, the 120 Radiomic features and the patients' clinical information are collected to build a dataset of 153 features. Now, the goal is to build a model able to discriminate, based on the features given, the tumors that will undergo MVI and those that will not. This task can be seen as a classification problem: each tumor needs to be classified either as “MVI positive” or “MVI negative”. Techniques for features selection are implemented to identify the most descriptive features for the problem at hand and then, a set of classification models are trained and compared. Among all, the models with the best performances (around 80-84% ± 8-15%) result to be the XGBoost Classifier, the SDG Classifier and the Logist Regression models (without penalization and with Lasso, Ridge or Elastic Net penalization).