Applicazione di un modello bi-obiettivo per la progettazione sostenibile di sistemi produttivi riconfigurabili

Negli ultimi anni la competitività nei mercati è notevolmente cresciuta, la complessità dei prodotti industriali è considerevolmente aumentata e quest’ultimi devono ora essere accuratamente ottimizzati sotto ogni aspetto. I prodotti, oltre ad avere dei cicli di vita più brevi, sono soggetti a un’alta personalizzazione e a una domanda variabile. Per rimanere competitive, le aziende manifatturiere devono possedere nuovi tipi di sistemi di produzione che siano convenienti e molto reattivi a tutti questi cambiamenti del mercato, quali i Sistemi di produzione riconfigurabili (Reconfigurable Manufacturing System - RMS). La particolarità di tali sistemi risiede nella capacità di cambiare rapidamente le loro strutture hardware e software, aspetto che li renda idonei a soddisfare la produzione moderna. Oltre agli aspetti produttivi, l’attenzione odierna è incentrata anche sulle tematiche ambientali legate al risparmio energetico durante i processi produttivi, alla riduzione delle quantità di CO2 emesse e alla sostenibilità ambientale. L’obiettivo di questa tesi è quello di proporre un modello di ottimizzazione multi-obiettivo che tenga conto sia della minimizzazione del tempo complessivo necessario alla movimentazione dei prodotti e alla riconfigurazione delle macchine, e sia della minimizzazione del consumo energetico. Tale modello è stato applicato ad un caso studio realistico che ha permesso di individuare un trade-off tecnico-ambientale individuando la frontiera di Pareto con punto di ottimo (134.6 min; 9346.3 kWh) che si discosta del 57% dal valore trovato ottimizzando la funzione tempo, e dello 0.76% dal valore ottenuto ottimizzando la funzione energia.

Modellazione del Digital Twin e simulazioni di Virtual Commissioning di un centro di lavoro

Lo studio condotto è relativo allo sviluppo del Digital Twin di macchine automatiche finalizzato all’implementazione del cosiddetto Virtual Commissioning, cioè simulazioni virtuali della messa in servizio delle macchine per la verifica preliminare e/o ottimizzazione dei codici di controllo (Part Program o G-code). In particolare, il caso di studio trattato in questa tesi è la macchina F2F prodotta dall’Azienda GIULIANI (gruppo Bucci Automations S.p.a., Faenza – RA), con centro di lavoro bi-mandrino con tavola rotante azionato tramite controllore Fanuc. Dopo aver creato il Digital Twin della macchina, che ha richiesto come primo passo la digitalizzazione di alcuni componenti di cui non si avevano a disposizione i modelli CAD 3D, sono state effettuate simulazioni di cicli di lavoro di diversi semigrezzi, così da validare il modello in modo approfondito sulla base dell’esame di varie casistiche. In questa tesi si analizzano nel dettaglio il processo di sviluppo del modello e le procedure di simulazioni di Virtual Commissioning implementate sul software Eureka Virtual Machining (Roboris S.r.l., Pisa), delle quali vengono presentati i maggiori problemi riscontrati e illustrate le relative soluzioni. L’obiettivo è quello di fornire linee guida di carattere generale per affrontare anche in futuro le criticità più significative durante la fase di digitalizzazione delle macchine prodotte dall’Azienda. Inoltre, come applicazione particolare delle simulazioni Virtual Commissiong, è stata svolta un’attività di ottimizzazione per la riduzione del tempo di ciclo di lavoro di un pezzo, con lo scopo di incrementare la produttività della macchina. Infine, si fa notare che il produttore del software ha eseguito modifiche alla versione corrente di Eureka sulla base delle criticità che sono state riscontrate e segnalate durante lo sviluppo di questa tesi.

Operazioni di assemblaggio automatizzato tramite robot antropomorfo e visione artificiale

Obiettivo dello studio condotto è l’implementazione di cicli di operazioni per l’assemblaggio automatizzato di componenti che costituiscono un sistema di trasporto a catena presente in alcune macchine automatiche. L’automazione del processo, fino ad oggi svolto manualmente, prevede l’utilizzo di un robot e, per il controllo di quest’ultimo, di un sistema di visione artificiale. L’attività di tirocinio associata alla tesi di laurea, che ha incluso una parte sperimentale oltre alla scrittura degli algoritmi di controllo del robot, è stata svolta all’interno del laboratorio TAILOR (Technology and Automation for Industry LabORatory) presso Siropack Italia S.r.l dove è presente una cella dotata di robot antropomorfo (Mitsubishi Electric) e di sistema di visione artificiale con camere 2D (Omron). La presenza di quest’ultimo è risultata strategica in termini di possibilità di adattare il montaggio anche a diversi posizionamenti degli oggetti all’interno dello spazio di lavoro, fermo restando che gli stessi risultassero appoggiati su una superficie piana. In primo luogo, affinché fosse garantita la ripetibilità del processo, sono state testate le prestazioni del sistema di visione tramite opportuna calibrazione della camera e del sistema di illuminazione ad esso collegata, al fine di ottenere un’acquisizione delle immagini che fosse sufficientemente robusta e risoluta mediante lo sfruttamento del software di elaborazione Omron FH Vision System. Un’opportuna programmazione della traiettoria del robot in ambiente di simulazione RT Toolbox 3, software integrato nel sistema di controllo del robot Mitsubishi Electric, ha infine consentito le regolari operazioni di assemblaggio, garantendo un processo affidabile ed, allo stesso tempo, adattabile ad ambienti eventualmente non strutturati in cui esso si trova ad operare.

Metodi elettromagnetici per la rilevazione di rifiuti plastici galleggianti

Recentemente è stato stimato che si trovino circa 150 milioni di tonnellate di plastica nei mari di tutto il mondo, con conseguente aumento annuo di 8 milioni di tonnellate: si dice anche che entro il 2050 sarà presente, in termini di peso, nei mari e negli oceani più plastica che pesci. Inoltre, non solo le macro plastiche sono un serio problema ambientale, ma anche la loro frammentazione e decomposizione a causa della prolungata esposizione al sole, acqua e aria porta a microplastiche (dimensione minore di 5 mm): questi piccoli rifiuti che si vanno a depositare nei fondali rappresentano una seria problematica per la salute umana, poiché questi ultimi potrebbero essere ingeriti da pesci, provocandogli anche ridotta riproduttività e infiammazioni, entrando dunque nella nostra catena alimentare. L’idea di questo elaborato sviluppato mediante la collaborazione con il centro di ricerca VTT in Finlandia è quella di sviluppare soluzioni innovative e nuovi metodi per la rilevazione di rifiuti in plastica galleggianti. In sintesi, in questo elaborato sarà presente una parte di ricerca bibliografica, in cui vengono illustrati i principali articoli che spiegano i progetti più attinenti al Remote Sensing di rifiuti di plastica galleggianti trovati in letteratura, successivamente sarà presente la parte più pratica svolta al VTT, in particolare verrà spiegato il Radar MIMO a 60 GHz (prodotto dal VTT) utilizzato per le misurazioni di test su una piccola piscina circolare con i relativi dati ottenuti, infine si descriverà la campagna di misure tramite telecamere iperspettrali, sensori RGB e termo-infrarossi ad Oulu con, anche in tale caso, i dati spettrali di risalto che sono stati ricavati. Infine, in aggiunta ai risultati della campagna iperspettrale, si vuole cercare di applicare degli algoritmi di Machine Learning per cercare di classificare e dunque di identificare i vari campioni di plastica visualizzati nelle varie immagini spettrali acquisite.

Soluzioni per coperture wireless in ambiente indoor con l'ausilio di superfici intelligenti riconfigurabili

I sistemi di comunicazione 6G si prevede che soddisfino requisiti più stringenti rispetto alle reti 5G in termini di capacità di trasmissione, affidabilità, latenza, copertura, consumo energetico e densità di connessione. I miglioramenti che si possono ottenere agendo solo sugli end-points dell'ambiente wireless potrebbero non essere sufficienti per adempiere a tali obiettivi. Performance migliori potrebbero invece essere raggiunte liberandosi del postulato che fissa l'ambiente di propagazione come elemento incontrollabile. In questo panorama spicca una tecnologia recente che prende il nome di Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) e che si pone l'obiettivo di rendere personalizzabile l'ambiente di propagazione wireless attraverso elaborazioni quasi passive di segnale. Una RIS è una superficie sottile ingegnerizzata al fine di possedere proprietà che le permettono di controllare dinamicamente le onde elettromagnetiche attraverso, ad esempio, la riflessione, rifrazione e focalizzazione del segnale. Questo può portare alla realizzazione del cosiddetto Smart Radio Environment (SRE), ovvero un ambiente di propagazione che non è visto come entità aleatoria incontrollabile, ma come parametro di design che svolge un ruolo fondamentale nel processo di ottimizzazione della rete. Nel presente elaborato, partendo da un modello macroscopico del comportamento di una RIS sviluppato dal gruppo di ricerca di propagazione e integrato all'interno di un simulatore di ray tracing, si effettua uno studio di coperture wireless con l'ausilio di RIS in semplici scenari indoor di riferimento.

Applicazione ROS 2 di un robot antropomorfo in esecuzione su container VxWorks in architettura IMA

L’elaborato di tesi discute del progetto di integrazione tra ROS 2, framework open-source per lo sviluppo di applicazioni robotiche, e VxWorks, sistema operativo in tempo reale (RTOS), attraverso l’utilizzo di container OCI compliant su VxWorks. L’integrazione è stata svolta all’interno dello stack software di IMA (Industria Macchine Automatiche). Il progetto ha dunque integrato ROS 2 Humble e VxWorks 7 permettendo l’utilizzo di costrutti software di ROS 2 su dei container in esecuzione a livello User su VxWorks. Successivamente è stata creata una applicazione di pick and place con un robot antropomorfo (Universal Robots Ur5e) avvalendosi di ROS 2 Control, framework per l’introduzione e gestione di hardware e controllori, e MoveIt 2, framework per incorporare algoritmi di motion-planning, cinematica, controllo e navigazione. Una volta progettata l’applicazione, il sistema è stato integrato all’interno dell’architettura di controllo di IMA. L’architettura a container VxWorks di IMA è stata estesa per il caso ROS 2, la comunicazione tra campo e applicazione ROS 2 è passata tramite il master EtherCAT e il modulo WebServer presenti nell’architettura IMA. Una volta eseguito il container ROS 2 posizione e velocità dei servo motori sono stati inviati tramite al WebServer di IMA sfruttando la comunicazione VLAN interna. Una volta ricevuto il messaggio, il WebServer si è occupato di trasferirlo al master EtherCAT che in aggiunta si è occupato anche di ottenere le informazioni sullo stato attuale del robot. L’intero progetto è stato sviluppato in prima battuta in ambiente di simulazione per validarne l’architettura. Successivamente si è passati all’installazione in ambiente embedded grazie all’ausilio di IPC sui quali è stato testato l’effettivo funzionamento dell’integrazione all’interno dell’architettura IMA.

Large-scale Network Analysis on Distributed Architectures

Questa dissertazione esamina le sfide e i limiti che gli algoritmi di analisi di grafi incontrano in architetture distribuite costituite da personal computer. In particolare, analizza il comportamento dell'algoritmo del PageRank così come implementato in una popolare libreria C++ di analisi di grafi distribuiti, la Parallel Boost Graph Library (Parallel BGL). I risultati qui presentati mostrano che il modello di programmazione parallela Bulk Synchronous Parallel è inadatto all'implementazione efficiente del PageRank su cluster costituiti da personal computer. L'implementazione analizzata ha infatti evidenziato una scalabilità negativa, il tempo di esecuzione dell'algoritmo aumenta linearmente in funzione del numero di processori. Questi risultati sono stati ottenuti lanciando l'algoritmo del PageRank della Parallel BGL su un cluster di 43 PC dual-core con 2GB di RAM l'uno, usando diversi grafi scelti in modo da facilitare l'identificazione delle variabili che influenzano la scalabilità. Grafi rappresentanti modelli diversi hanno dato risultati differenti, mostrando che c'è una relazione tra il coefficiente di clustering e l'inclinazione della retta che rappresenta il tempo in funzione del numero di processori. Ad esempio, i grafi Erdős–Rényi, aventi un basso coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso peggiore nei test del PageRank, mentre i grafi Small-World, aventi un alto coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso migliore. Anche le dimensioni del grafo hanno mostrato un'influenza sul tempo di esecuzione particolarmente interessante. Infatti, si è mostrato che la relazione tra il numero di nodi e il numero di archi determina il tempo totale.

Verso una teoria delle differenze tra documenti semi-strutturati

I sistemi di versionamento moderni quali "git" o "svn" sono ad oggi basati su svariati algoritmi di analisi delle differenze (detti algoritmi di diffing) tra documenti (detti versioni). Uno degli algoritmi impiegati con maggior successo a tal proposito è il celebre "diff" di Unix. Tale programma è in grado di rilevare le modifiche necessarie da apportare ad un documento al fine di ottenerne un altro in termini di aggiunta o rimozione di linee di testo. L'insieme di tali modifiche prende nome di "delta". La crescente richiesta e applicazione dei documenti semi-strutturati (ed in particolar modo dei documenti XML) da parte della comunità informatica soprattutto in ambito web ha motivato la ricerca di algoritmi di diffing più raffinati che operino al meglio su tale tipologia di documenti. Svariate soluzioni di successo sono state discusse; algoritmi ad alte prestazioni capaci di individuare differenze più sottili della mera aggiunta o rimozione di testo quali il movimento di interi nodi, il loro riordinamento finanche il loro incapsulamento e così via. Tuttavia tali algoritmi mancano di versatilità. L'incapsulamento di un nodo potrebbe essere considerata una differenza troppo (o troppo poco) generale o granulare in taluni contesti. Nella realtà quotidiana ogni settore, pubblico o commerciale, interessato a rilevare differenze tra documenti ha interesse nell'individuarne sempre e soltanto un sottoinsieme molto specifico. Si pensi al parlamento italiano interessato all'analisi comparativa di documenti legislativi piuttosto che ad un ospedale interessato alla diagnostica relativa alla storia clinica di un paziente. Il presente elaborato di tesi dimostra come sia possibile sviluppare un algoritmo in grado di rilevare le differenze tra due documenti semi-strutturati (in termini del più breve numero di modifiche necessarie per trasformare l'uno nell'altro) che sia parametrizzato relativamente alle funzioni di trasformazione operanti su tali documenti. Vengono discusse le definizioni essenziali ed i principali risultati alla base della teoria delle differenze e viene dimostrato come assunzioni più blande inducano la non calcolabilità dell'algoritmo di diffing in questione.

Metodi numerici per superfici T-Spline

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio e la realizzazione dei principali algoritmi di rappresentazione e modellazione di superfici T-Spline. In particolare si è cercato di determinare i vantaggi e gli svantaggi che queste superfici presentano rispetto alle superfici NURBS, utilizzate nei software CAD.

Programmazione dinamica in un modello completo

Nella tesi si descrive un metodo di ottimizzazione per una strategia di copertura di un derivato replicabile in un modello di mercato completo nel caso in cui il valore iniziale della stessa fosse inferiore al valore iniziale del prezzo di arbitraggio del derivato considerato.

Modelli e linguaggi per grafi multi-livello

I grafi sono molto utilizzati per la rappresentazione di dati, sopratutto in quelle aree dove l’informazione sull’interconnettività e la topologia dei dati è importante tanto quanto i dati stessi, se non addirittura di più. Ogni area di applicazione ha delle proprie necessità, sia in termini del modello che rappresenta i dati, sia in termini del linguaggio capace di fornire la necessaria espressività per poter fare interrogazione e trasformazione dei dati. È sempre più frequente che si richieda di analizzare dati provenienti da diversi sistemi, oppure che si richieda di analizzare caratteristiche dello stesso sistema osservandolo a granularità differenti, in tempi differenti oppure considerando relazioni differenti. Il nostro scopo è stato quindi quello di creare un modello, che riesca a rappresentare in maniera semplice ed efficace i dati, in tutte queste situazioni. Entrando più nei dettagli, il modello permette non solo di analizzare la singola rete, ma di analizzare più reti, relazionandole tra loro. Il nostro scopo si è anche esteso nel definire un’algebra, che, tramite ai suoi operatori, permette di compiere delle interrogazioni su questo modello. La definizione del modello e degli operatori sono stati maggiormente guidati dal caso di studio dei social network, non tralasciando comunque di rimanere generali per fare altri tipi di analisi. In seguito abbiamo approfondito lo studio degli operatori, individuando delle proprietà utili per fare delle ottimizzazioni, ragionando sui dettagli implementativi, e fornendo degli algoritmi di alto livello. Per rendere più concreta la definizione del modello e degli operatori, in modo da non lasciare spazio ad ambiguità, è stata fatta anche un’implementazione, e in questo elaborato ne forniremo la descrizione.

Whole ship energy optimization: the case study of a chemical tanker

La presente dissertazione investiga la possibilità di ottimizzare l’uso di energia a bordo di una nave per trasporto di prodotti chimici e petrolchimici. Il software sviluppato per questo studio può essere adattato a qualsiasi tipo di nave. Tale foglio di calcolo fornisce la metodologia per stimare vantaggi e miglioramenti energetici, con accuratezza direttamente proporzionale ai dati disponibili sulla configurazione del sistema energetico e sui dispositivi installati a bordo. Lo studio si basa su differenti fasi che permettono la semplificazione del lavoro; nell’introduzione sono indicati i dati necessari per svolgere un’accurata analisi ed è presentata la metodologia adottata. Inizialmente è fornita una spiegazione sul layout dell’impianto, sulle sue caratteristiche e sui principali dispositivi installati a bordo. Vengono dunque trattati separatamente i principali carichi, meccanico, elettrico e termico. In seguito si procede con una selezione delle principali fasi operative della nave: è seguito tale approccio in modo da comprendere meglio la ripartizione della richiesta di potenza a bordo della nave e il suo sfruttamento. Successivamente è svolto un controllo sul dimensionamento del sistema elettrico: ciò aiuta a comprendere se la potenza stimata dai progettisti sia assimilabile a quella effettivamente richiesta sulla nave. Si ottengono in seguito curve di carico meccanico, elettrico e termico in funzione del tempo per tutte le fasi operative considerate: tramite l’uso del software Visual Basic Application (VBA) vengono creati i profili di carico che possono essere gestiti nella successiva fase di ottimizzazione. L’ottimizzazione rappresenta il cuore di questo studio; i profili di potenza ottenuti dalla precedente fase sono gestiti in modo da conseguire un sistema che sia in grado di fornire potenza alla nave nel miglior modo possibile da un punto di vista energetico. Il sistema energetico della nave è modellato e ottimizzato mantenendo lo status quo dei dispositivi di bordo, per i quali sono considerate le configurazioni di “Load following”, “two shifts” e “minimal”. Una successiva investigazione riguarda l’installazione a bordo di un sistema di accumulo di energia termica, così da migliorare lo sfruttamento dell’energia disponibile. Infine, nella conclusione, sono messi a confronto i reali consumi della nave con i risultati ottenuti con e senza l’introduzione del sistema di accumulo termico. Attraverso la configurazione “minimal” è possibile risparmiare circa l’1,49% dell’energia totale consumata durante un anno di attività; tale risparmio è completamente gratuito poiché può essere raggiunto seguendo alcune semplici regole nella gestione dell’energia a bordo. L’introduzione di un sistema di accumulo termico incrementa il risparmio totale fino al 4,67% con un serbatoio in grado di accumulare 110000 kWh di energia termica; tuttavia, in questo caso, è necessario sostenere il costo di installazione del serbatoio. Vengono quindi dibattuti aspetti economici e ambientali in modo da spiegare e rendere chiari i vantaggi che si possono ottenere con l’applicazione di questo studio, in termini di denaro e riduzione di emissioni in atmosfera.

Analisi combinatoria dei parchi d'attrazioni

Da oltre mezzo secolo i parchi di divertimento sono strutture complesse e altamente organizzate, entro cui si muovono migliaia di persone quotidianamente; in cui l'elettrificazione, la manutenzione, la sicurezza (sia come safety sia come security) non possono essere lasciate all'improvvisazione. Fra i diversi modelli matematici con cui è possibile rappresentare un parco di divertimenti i grafi si adattano bene a rappresentare l'organizzazione "geografica" delle attrazioni e dei sentieri che le collegano. Fortunatamente la teoria dei grafi si presta anche molto bene all'impostazione e risoluzione dei problemi di ottimizzazione, fornendo quindi uno strumento privilegiato per miglioramenti strutturali nella direzione sia del risparmio economico, sia della fruizione ottimale delle strutture. In questa tesi ho analizzato un aspetto particolare dei grafi associati a quattro parchi d'attrazione: le distanze reciproche tra attrazioni e in particolare la collocazione dei "centri", cioè di vertici del grafo per cui la massima distanza da altri vertici sia minima. I calcoli sono stati eseguiti adattando un'implementazione esistente in Matlab dell'algoritmo di Dijkstra, utilizzando in ingresso le matrici di adiacenza dei grafi. Dopo un capitolo dedicato ai richiami essenziali di teoria dei grafi, il capitolo due traccia una breve storia dei parchi d'attrazione concentrandosi sui quattro che sono l'oggetto di questo studio. Il terzo capitolo, fulcro teorico della tesi, descrive la sperimentazione riportata nel capitolo quattro.

La conservazione del documento informatico

Fino a qualche anno fa, la conversione di documenti cartacei in documenti digitali appariva come una vera e propria utopia. Quest’oggi invece pensiamo al digitale di qualsiasi tipologia come fosse un fattore prioritario, scontato ed immediato, da poterlo considerare una vera a propria dipendenza. Mentre una volta i documenti venivano depositati in archivi talvolta rudi e polverosi, spiacevoli da recuperare, sia per tempistiche sia per condizioni, oggi la quotidianità è così frenetica che occorre ottenere tutto in modo tempestivo. Un’ evoluzione socio-culturale ha portato all’elaborazione di tecniche sempre più sofisticate di ottimizzazione nel campo; si parla di “dematerializzazione dei documenti” o “processo di conservazione sostitutiva”, innovazione che ha determinato una vera e propria rivoluzione nella Pubblica Amministrazione, nei rapporti tra privati, nell’Ordinamento Giuridico e nella scienza del diritto, poiché è radicalmente mutata la concezione di “documento” così com’è conosciuto da migliaia di anni, nella sua natura res signata, “cosa “ che riporta informazioni. Il concetto di ”smaterializzazione” non è un’ assoluta novità se si pensa alle transazioni finanziarie di enormi quantità di denaro, che da anni avvengono in tutto il mondo, grazie a “documenti informatici”, senza che passi di mano una sola banconota. Lo scopo di questa tesi è approfondire il processo di conservazione sostitutiva, partendo dalle figure ad esso legate, per poi continuare con le regole tecniche di adozione, la validità probatoria dei documenti informatici, i formati, i metadati utilizzati, e così via.

Convertitori SEPIC per applicazioni fotovoltaiche

Introduzione e principio della generazione fotovoltaica. Studio dei convertitori DC/DC, con particolare attenzione al convertitore di tipo SEPIC. Analisi degli algoritmi di MPPT. Verifica di alcune casistiche pratiche su impianti fotovoltaici di tipo stand alone.