Sperimentazione della piattaforma IoT Cloud per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio

L’Internet of Things (IoT) è un termine utilizzato nel mondo della telecomunicazione che fa riferimento all’estensione di Internet al mondo degli oggetti, che acquisiscono una propria identità, venendo così definiti “intelligenti”. L’uomo in questo ambito avrà sempre meno incidenza sul campo poiché sono le macchine ad interagire tra loro scambiandosi informazioni. Gli ambiti applicativi che comprendono IoT sono innumerevoli ed eterogenei; pertanto, non esiste un'unica soluzione tecnologica che possa coprire qualsiasi scenario. Una delle tecnologie che si prestano bene a svolgere lavori in IoT sono le LoRaWAN. Un punto e una sfida essenziali nell'applicazione della tecnologia LoRaWAN è garantire la massima autonomia dei dispositivi ottenendo il più basso consumo di energia possibile e la ricerca di soluzioni di alimentazione efficienti. L'obiettivo in questo elaborato è quello di realizzare un sistema capace di trasmettere un flusso continuo di informazioni senza l'ausilio e il costante monitoraggio dell'uomo. Viene trattato come controllare dei sensori da remoto e come garantire una migliore autonomia dei dispositivi ottenendo un più basso consumo energetico.

Conversione a OpenCL di un simulatore cardiaco parallelo

In questa tesi discuteremo come è possibile effettuare la traduzione di un software parallelo scritto in linguaggio CUDA ad uno in linguaggio OpenCL. Tratteremo le tecnologie utilizzate per lo sviluppo di un simulatore cardiaco parallelo e discuteremo in particolar modo come derivare da queste una versione che ne permetta l’esecuzione su schede video e processori arbitrari. Questa versione verrà messa poi a confronto con quelle già esistenti, per analizzarne prestazioni ed eventuali cambiamenti strutturali del codice. Quanto affermato sopra è stato possibile in gran parte grazie ad un wrapper chiamato SimpleCL pensato per rendere la programmazione OpenCL simile a quella in ambiente CUDA. OpenCL permette di operare con le unità di calcolo in maniera molto astratta, ricordando vagamente i concetti di astrazione di memoria e processori della controparte NVIDIA. Ragionevolmente SimpleCL fornisce solamente una interfaccia che ricorda chiamate CUDA, mantenendo il flusso sottostante fedele a quello che si aspetterebbe OpenCL.

Analisi e monitoraggio di indicatori idrologici e meteorologici per il preannuncio e la gestione delle emergenze idriche

Una importante problematica di risonanza mondiale è lo sviluppo di fenomeni sempre più frequenti di siccità e di scarsità idrica. Il presente elaborato intende illustrare come tale difficoltà stia colpendo il pianeta, con un focus sull’Italia e poi sull’Emilia-Romagna. Le cause scatenanti sono riconducibili all’aumento della popolazione, al depauperamento dei corpi idrici, ma soprattutto agli impatti del cambiamento climatico: incremento delle temperature, calo delle precipitazioni e quindi riduzione della ricarica delle fonti di approvvigionamento. Queste devono soddisfare un’intensa domanda da parte delle attività antropiche nonostante il loro stato sia sempre più preoccupante. In questo scenario è indispensabile adottare nuovi metodi per la gestione sostenibile delle riserve idriche, e il monitoraggio si rivela uno strumento utile in quanto fornisce informazioni dettagliate e aggiornate sullo stato quantitativo delle fonti. In particolare, il presente elaborato si focalizza sul progetto Resilient Dashboard, ideato in ambito regionale dalla collaborazione di più strutture operative di Hera S.p.A. Si tratta di uno strumento per l’analisi e il preannuncio di crisi idriche, basato sul monitoraggio di indicatori idrologici e meteorologici. Questo può essere di supporto per i gestori delle risorse, i quali possono individuare e poi intervenire sulle zone in cui si verifica maggiore criticità. Vengono dunque esaminati i processi che sono risultati necessari alla definizione del progetto, a partire dalla selezione degli elementi di interesse e dalla predisposizione delle elaborazioni da compiere su ciascuna tipologia di dato, fino allo sviluppo del criterio di assegnazione dei colori alle fonti e alle aree, per la segnalazione degli allarmi. Il progetto è ancora in corso di realizzazione, ma il suo obiettivo finale consiste nel produrre una piattaforma digitale di facile utilizzo che fornisca informazioni sullo stato delle fonti, in relazione alla domanda di risorsa.

Realizzazione di un Energy Harvester ibrido per applicazioni di monitoraggio strutturale

In questo studio è affrontato il progetto di un energy harvester destinato ad alimentare un nodo sensore impiegato per scopi di monitoraggio strutturale. La applicazione in questione è specifica per l'ambito ferroviario, dovendo il sistema essere collocato sul tirante di poligonazione della linea area di contatto. Sono state indagate modalità di conversione dell'energia dalle vibrazioni generate dal contatto fra catenaria e pantografo, studiandone la possibile integrazione con la conversione dell'energia solare tramite celle fotovoltaiche. Sono stati quindi progettati e realizzati due prototipi di energy harvester a vibrazioni, basati su tecnica di conversione rispettivamente elettromagnetica e piezoelettrica. La fase di progettazione è stata affinata tramite simulazioni MATLAB e COMSOL, utilizzando il metodo degli elementi finiti, ed è stato curato il progetto dei circuiti di regolazione della tensione generata dai dispositivi. Sulla base del consumo del nodo sensore misurato ne è stata simulata la alimentazione da parte di un energy harvester solare al variare del periodo dell'anno. I dispostivi realizzati sono stati valutati attraverso varie misurazioni e sono state indagate tra gli sviluppi futuri possibili approcci per il miglioramento della tecnologia realizzata.

Implementazione di algoritmi Tiny Machine Learning per il monitoraggio strutturale basato su emissioni acustiche

Il monitoraggio basato su emissioni acustiche (AE) guidate si è confermato tra le tecniche più affidabili nel campo del Non-Destructive Testing delle strutture planari, vista anche la sua semplicità implementativa, i bassi costi che lo caratterizzano, la non invasività e la possibilità di realizzare un sistema che agisca in maniera continuativa ed in tempo reale sfruttando reti di sensori permanentemente installati, senza la necessità di ispezioni periodiche. In tale contesto, è possibile sfruttare l’abilità dell’apprendimento automatico nell’individuazione dei pattern nascosti all’interno dei segnali grezzi registrati, ottenendo così informazioni utili ai fini dell’applicazione considerata. L’esecuzione on-edge dei modelli, ovvero sul punto di acquisizione, consente di superare le limitazioni imposte dal processamento centralizzato dei dati, con notevoli vantaggi in termini di consumo energetico, tempestività nella risposta ed integrità degli stessi. A questo scopo, si rivela però necessario sviluppare modelli compatibili con le stringenti risorse hardware dei dispositivi a basso costo tipicamente impiegati. In questo elaborato verranno prese in esame alcune tipologie di reti neurali artificiali per l’estrazione dell’istante di arrivo (ToA) di un’emissione acustica all’interno di una sequenza temporale, in particolare quelle convoluzionali (CNNs) ed una loro variante più recente, le CapsNet basate su rounting by agreement. L’individuazione dei ToA relativi al medesimo evento su segnali acquisiti in diverse posizioni spaziali consente infatti di localizzare la sorgente da cui esso è scaturito. Le dimensioni di questi modelli permettono di eseguire l’inferenza direttamente su edge-device. I risultati ottenuti confermano la maggiore robustezza delle tecniche di apprendimento profondo rispetto ai metodi statistici tradizionali nel far fronte a diverse tipologie di disturbo, in particolare negli scenari più critici dal punto di vista del rapporto segnale-rumore.

Digitalizzazione del settore delle costruzioni: realizzazione di un modello parametrico di ponteggio attraverso la programmazione visiva.

L’uscita dalla pandemia, il conflitto russo-ucraino e la corsa ai bonus edilizia hanno provocato un generale aumento del prezzo dei materiali edili e delle opere provvisionali. I ponteggi hanno visto particolari rincari, per via del fatto che superbonus e bonus facciate ne richiedono un ampio utilizzo. Nel presente elaborato si è cercata una soluzione a tale criticità nelle direzioni che sta prendendo a livello internazionale il settore delle costruzioni, sulla strada della digitalizzazione e dell’applicazione di soluzioni informatiche in grado di ottimizzare i processi. Si è perciò creato un modello parametrico di ponteggio a telai prefabbricati che si adatti nel miglior modo possibile a ogni tipo di fabbricato. Nello specifico, è stato elaborato un algoritmo che, dati il sedime e l’altezza dell’edificio, generi in maniera automatica il modello tridimensionale del ponteggio, consentendo la visualizzazione immediata del suo sviluppo nello spazio del cantiere e l’estrapolazione di elaborati grafici quali pianta e prospetti. Nella presente dissertazione viene illustrato come è stato sviluppato tale algoritmo, utilizzando il software Revit e in particolare lo strumento di programmazione visiva Dynamo. Infine, poiché l’obiettivo è quello di individuare un algoritmo applicabile a qualsiasi edificio dato, il modello viene testato su un caso di studio particolare: la ristrutturazione di un fabbricato all’interno del complesso Cooperativa Sociale CIM.

Tecnologie di Monitoraggio per Architetture ad Eventi in Ambito Enterprise

La maggioranza degli applicativi che utilizziamo quotidianamente come siti di e-commerce e portali di home banking basano il proprio funzionamento su un’infrastruttura a microservizi, cioè un modello architetturale in cui un insieme di più sottocomponenti collabora scambiandosi dati per permettere agli utenti finali di fruire di un servizio. Questo pattern rappresenta lo standard adottato dagli applicativi moderni che ha ormai soppiantato il più datato modello monolitico in cui l’intero funzionamento veniva gestito in un’unica unità implementativa di grandi dimensioni, difficile da sviluppare e mantenere all’aumentare delle funzionalità richieste. Decomporre un unico software in più sottocomponenti permette di ridistribuirne la complessità totale richiedendo però un insieme di accortezze e di strumenti consoni per gestire tutte le entità da sviluppare. A tale scopo al giorno d’oggi è molto importante l’utilizzo della telemetria, cioè la tecnologia che consiste nella raccolta a distanza dei dati generati dai componenti a scopo di analisi di funzionamento e performance dell’intera piattaforma. L’adozione di questa tecnologia comporta numerosi benefici, sia a livello implementativo che dal punto di vista del mantenimento della piattaforma, che potrà essere monitorata anche dopo il rilascio. In questo elaborato di tesi sono stati implementati due use case realistici di piattaforme a microservizi che ricevono ed elaborano dati, alle quali sono state aggiunte nella fase di sviluppo software le funzionalità di due diversi strumenti di telemetria. L’obiettivo è permettere l’analisi dello storico delle elaborazioni eseguite per poter ricostruire il funzionamento dell’intero applicativo a scatola chiusa, analizzando le metriche generate nei log dei microservizi o in un’interfaccia grafica raggiungibile tramite browser. All’interno dell’elaborato verranno descritti tutti i dettagli implementativi, analizzando poi i benefici ottenuti dall’adozione di questi strumenti.

Elaborazione di immagini aeree per il monitoraggio del territorio

A causa dei cambiamenti climatici sempre più frequentemente si verificano disastri ambientali come frane, alluvioni e incendi. Il suolo italiano risente particolarmente di questi eventi, considerati molto gravosi, sia in termini di vite umane che in senso economico. Una soluzione affidabile e con tempi di risposta veloci per il rilevamento delle frane potrebbe migliorare la prevenzione di questi fenomeni. I tradizionali metodi di rilevamento aereo possono richiedere ingenti risorse finanziarie e necessitano di una fase di pianificazione dei voli che rischia di essere incompatibile con i tempi di risposta richiesti. Una possibile alternativa per risolvere i problemi della raccolta di immagini tramite aerei ed elicotteri potrebbe essere basata sull’uso di droni con a bordo videocamere e l'applicazione di algoritmi in grado di elaborare immagini in tempi veloci per individuare le aree soggette a dissesto idrogeologico. Riguardo all'elaborazione delle immagini, sono stati recentemente introdotti degli algoritmi che sembrano promettenti per identificare in maniera quasi immediata le frane grazie a piattaforme aeree sia piloate che autonome. In questo elaborato di tesi si propongono i risultati ottenuti da prove svolte su un modello di reti convoluzionali denominato U-Net e si fa una valutazione della sua efficacia nel riconoscimento automatico delle frane. I risultati ottenuti suggeriscono che la presente implementazione della rete potrebbe, però, presentare criticità nell'individuazione di frane in un'immagine. Per gli sviluppi futuri, si suggerisce di modificare la rete convoluzionale, oppure di utilizzare banche dati differenti per l'allenamento dell'algoritmo.

Altre realtà. Televisioni locali in Italia Il caso RTV38 e la programmazione

Lo scenario televisivo degli ultimi venti anni ha registrato cambiamenti sconvolgenti. Cambiano i modelli di business, le logiche di produzione, distribuzione e di fruizione. Siamo oggi in un mondo ibrido, dove broadcast e broadband si fondono, e sul quale insistono tutti i soggetti in campo: content provider, mvpd, broadcaster free e pay, compagnie telefoniche, piattaforme ott e aggregatori di contenuti. Lo sguardo più profondo però individua nel panorama una costellazione di altre realtà importanti. Gli anni Settanta hanno visto il fiorire in modo impetuoso di tante emittenti locali che hanno fatto la storia della televisione in Italia. L’idea dell’elaborato nasce proprio dalla funzione che queste realtà svolgono oggi, per la loro rilevanza a livello territoriale, culturale e sociale. In particolare, il caso RTV38 in Toscana rappresenta in modo emblematico questo importante ruolo, bilanciato da un lato con un servizio pubblico reso alla comunità, prefigurandosi come vera e propria istituzione, e dall’altro concentrandosi sull’attività strettamente commerciale e privata.

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Caratterizzazione e stimolazione dei processi di declorurazione riduttiva dei policlorobifenili in sedimenti marini

I policlorobifenili (PCB) sono un gruppo di 209 congeneri di bifenili policlorurati altamente tossici e persistenti che, a causa della loro elevata lipofilia, tendono ad accumularsi in sedimenti anaerobici marini, tramite i quali possono entrare nella catena alimentare. I PCB possono essere degradati mediante processi di declorurazione riduttiva mediati da popolazioni microbiche anaerobiche in grado di utilizzarli fortuitamente come accettori finali della catena respiratoria. Il processo consiste quindi nella bioconversione di congeneri ad alto grado di clorurazione in PCB basso clorurati, meno tossici, meno bioaccumulabili e più facilmente biodegradabili in condizioni aerobiche. Nel presente elaborato è stata investigata la capacità di una popolazione microbica arricchita su congeneri coplanari di PCB da un sedimento contaminato del Canale Brentella (Prima Zona Industriale di Porto Marghera, laguna di Venezia), di declorurare miscele commerciali di PCB (Aroclor 1254) in condizioni geobiochimiche di laboratorio che riproducono quelle presenti in sito. Il processo è quindi stato studiato in microcosmi anaerobici slurry di sedimento sospeso nella stessa acqua del sito e monitorato con un approccio chimico e microbiologico integrato. Ai fini di caratterizzare e stimolare i microganismi responsabili del processo degradativo sono state utilizzate tecniche convenzionali basate sull’inibizione selettiva di diversi gruppi microbici. Dopo una fase di latenza di 7 settimane, la coltura microbica ha declorurato velocemente ed estesamente la miscela commerciale di PCB saggiata, bioconvertendo il 70% dei congeneri ad alto grado di clorurazione (da penta- a octa- clorurati) in PCB di- e tri-clorurati. Il processo ha esibito selettività nei confronti delle posizioni meta dei gruppi 2,3- e 2,3,4-clorofenile e para dei gruppi 3,4- e 3,4,5-clorofenile, secondo il modello di declorurazione H’. Il monitoraggio delle attività microbiche in presenza dei diversi inibitori saggiati ha permesso inoltre di concludere che i batteri metanogeni e i batteri solfato-riduttori non sono direttamente coinvolti nel processo degradativo, suggerendo invece che le specie decloruranti siano appartenenti o strettamente correlate al genere Dehalococcoides. Poiché lo studio è stato eseguito in condizioni geobiochimiche di laboratorio che mimano quelle presenti in sito, i risultati ottenuti indicano che la popolazione microbica dei sedimenti del canale Brentella, se opportunamente stimolata, è potenzialmente in grado di mediare in situ la declorurazione riduttiva dei PCB preesistenti nel sedimento, contribuendo alla natural attenuation dei sedimenti contaminati.

Tecniche di risparmio idrico a livello locale e mondiale. Approfondimento sulle buone pratiche agricole per un uso sostenibile dell'acqua

Oltre un miliardo di persone non ha oggi accesso all’acqua potabile; più di due miliardi è il numero di coloro che vivono in condizioni igienico-sanitarie realmente proibitive. Sono 80 i paesi nel mondo (con il 40% della popolazione totale) in cui si riscontra difficoltà di approvvigionamento e presenza di risorse idriche che mancano dei requisiti che dovrebbero essere assicurati per la tutela della salute: quotidianamente e sistematicamente il diritto di accesso all’acqua, che nessun individuo dovrebbe vedersi negato, viene violato. Scarsità di acqua e non omogenea distribuzione sulla superficie terrestre sono fattori che concorrono alla crisi della risorsa, cui contribuiscono processsi di natura ambientale (cambiamenti climatici, desertificazione), di natura economica (le sorti dell’industria agroalimentare, la globalizzazione degli scambi, il bisogno crescente di energia), di natura sociale (migrazioni, urbanizzazione, crescita demografica, epidemie), di natura culturale (passaggio dal rurale all’urbano, dall’agricoltura di sussistenza a quella di profitto). Nell’ottica di uno sviluppo sostenibile un aumento indiscriminato dell’offerta non può costituire soluzione al continuo incremento della domanda di acqua. Si rende pertanto necessaria la definizione di politiche e strumenti di cambiamento nei modelli di consumo e nella pianificazione che consentano una riduzione degli squilibri nella distribuzione e nella gestione della risorsa a livello domestico e civile, industriale, agricolo. L’uso efficiente, e quindi sostenibile, dell’acqua è da perseguirsi secondo le modalità: • Risparmio, inteso come minore consumo di acqua all’inizio del ciclo. • Riciclo dell’acqua in circuito chiuso, inteso come riuso dell’acqua di scarico, o uso multiplo dell’acqua. Una idonea utilizzazione dipende da una idonea progettazione, che abbia come finalità: • La destinazione in via prioritaria delle fonti e delle risorse di più elevata qualità agli usi idropotabili, con una graduale sostituzione del consumo per altri usi con risorse di minore pregio. • La regolamentazione dell’uso delle acque sotterranee, mediante la limitazione del ricorso all’impiego di pozzi solo in mancanza di forniture alternative per uso civile, industriale, agricolo. • L’incentivazione ad un uso razionale della risorsa, anche mediante l’attuazione di idonee politiche tariffarie. • L’aumento dell’efficienza delle reti di adduzione e distribuzione, sia civili che irrigue. • La promozione di uso efficiente, riciclo e recupero di acqua nell’industria. • Il miglioramento dell’efficienza ed efficacia delle tecniche di irrigazione. • La promozione del riutilizzo delle acque nei vari settori. • La diffusione nella pratica domestica di apparati e tecnologie progettati per la riduzione degli sprechi e dei consumi di acqua. In ambito agricolo la necessità di un uso parsimonioso della risorsa impone il miglioramento dell’efficienza irrigua, pari appena al 40%. La regione Emilia Romagna a livello locale, Israele a livello internazionale, forniscono ottimi esempi in termini di efficacia dei sistemi di trasporto e di distribuzione, di buona manutenzione delle strutture. Possibili soluzioni verso le quali orientare la ricerca a livello mondiale per arginare la progressiva riduzione delle riserve idriche sono: • Revisione dei costi idrici. • Recupero delle riserve idriche. • Raccolta dell’acqua piovana. • Miglioramento degli impianti di distribuzione idrica. • Scelta di metodi di coltivazione idonei alle caratteristiche locali. • Scelta di colture a basso fabbisogno idrico. • Conservazione della risorsa attraverso un sistema di irrigazione efficiente. • Opere di desalinizzazione. • Trasferimento idrico su vasta scala da un’area all’altra. Si tratta di tecniche la cui attuazione può incrementare la disponibilità media pro capite di acqua, in particolare di coloro i quali non ne posseggono in quantità sufficiente per bere o sono privi di sistemi igienico-sanitari sufficienti.