Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time: Adattamento di un algoritmo di apprendimento automatico per la caratterizzazione e la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche

La tesi da me svolta durante questi ultimi sei mesi è stata sviluppata presso i laboratori di ricerca di IMA S.p.a.. IMA (Industria Macchine Automatiche) è una azienda italiana che naque nel 1961 a Bologna ed oggi riveste il ruolo di leader mondiale nella produzione di macchine automatiche per il packaging di medicinali. Vorrei subito mettere in luce che in tale contesto applicativo l’utilizzo di algoritmi di data-mining risulta essere ostico a causa dei due ambienti in cui mi trovo. Il primo è quello delle macchine automatiche che operano con sistemi in tempo reale dato che non presentano a pieno le risorse di cui necessitano tali algoritmi. Il secondo è relativo alla produzione di farmaci in quanto vige una normativa internazionale molto restrittiva che impone il tracciamento di tutti gli eventi trascorsi durante l’impacchettamento ma che non permette la visione al mondo esterno di questi dati sensibili. Emerge immediatamente l’interesse nell’utilizzo di tali informazioni che potrebbero far affiorare degli eventi riconducibili a un problema della macchina o a un qualche tipo di errore al fine di migliorare l’efficacia e l’efficienza dei prodotti IMA. Lo sforzo maggiore per riuscire ad ideare una strategia applicativa è stata nella comprensione ed interpretazione dei messaggi relativi agli aspetti software. Essendo i dati molti, chiusi, e le macchine con scarse risorse per poter applicare a dovere gli algoritmi di data mining ho provveduto ad adottare diversi approcci in diversi contesti applicativi: • Sistema di identificazione automatica di errore al fine di aumentare di diminuire i tempi di correzione di essi. • Modifica di un algoritmo di letteratura per la caratterizzazione della macchina. La trattazione è così strutturata: • Capitolo 1: descrive la macchina automatica IMA Adapta della quale ci sono stati forniti i vari file di log. Essendo lei l’oggetto di analisi per questo lavoro verranno anche riportati quali sono i flussi di informazioni che essa genera. • Capitolo 2: verranno riportati degli screenshoot dei dati in mio possesso al fine di, tramite un’analisi esplorativa, interpretarli e produrre una formulazione di idee/proposte applicabili agli algoritmi di Machine Learning noti in letteratura. • Capitolo 3 (identificazione di errore): in questo capitolo vengono riportati i contesti applicativi da me progettati al fine di implementare una infrastruttura che possa soddisfare il requisito, titolo di questo capitolo. • Capitolo 4 (caratterizzazione della macchina): definirò l’algoritmo utilizzato, FP-Growth, e mostrerò le modifiche effettuate al fine di poterlo impiegare all’interno di macchine automatiche rispettando i limiti stringenti di: tempo di cpu, memoria, operazioni di I/O e soprattutto la non possibilità di aver a disposizione l’intero dataset ma solamente delle sottoporzioni. Inoltre verranno generati dei DataSet per il testing di dell’algoritmo FP-Growth modificato.

Caratterizzazione sperimentale dell'ossido di stronzio per l'assorbimento del diossido di carbonio da correnti gassose ad alta temperatura e considerazioni sulla sua applicazione industriale in processi CCS

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.

Impiego di terre decoloranti esauste per la realizzazione di miscele bituminose di usura drenanti e fonoassorbenti

La continua e crescente esigenza da parte dei gestori delle reti stradali ed autostradali di contenere i costi di gestione e manutenzione, ha da tempo impegnato l'industria delle pavimentazioni nell'individuazione di metodi innovativi, in grado di aumentare la redditività dei budget predisposti per il ripristino della sede stradale. Il presente lavoro di tesi si propone di approfondire tale argomento e in particolare di indagare l’impiego di terre decoloranti esauste all'interno di miscele bituminose drenanti per strati di usura. Il riutilizzo di queste terre porterebbe a risparmiare risorse naturali come il filler calcareo e diminuire i volumi che vengono smaltiti in discarica. È stato osservato che il filler bentonitico digestato può essere utilizzato nel confezionamento di miscele bituminose per strati di usura drenanti e fonoassorbenti con prestazioni simili o addirittura superiori alle equivalenti con filler calcareo tradizionale. Le prove condotte non hanno evidenziato nessun deterioramento delle caratteristiche meccaniche. Si ricorda che sono necessari studi circa il drenaggio del legante e il comportamento a fatica delle miscele bituminose in relazione alle fasi di esercizio dei materiali. Sulla base delle considerazioni elaborate si può affermare che nel caso in esame l'impiego del filler bentonitico digestato consente di risparmiare una risorsa naturale come il filler calcareo, a parità di inerti e legante nella miscela. Inoltre, si ha un vantaggio dal punto di vista economico, poiché meno volumi di questo materiale vengono smaltiti in discarica.

Industrializzazione di una famiglia di componenti meccanici secondo i principi dell'industria 4.0

Il progetto di tesi tratta l'industrializzazione di una famiglia di componenti meccanici con gli obiettivi di riduzione del lead time e dei costi di produzione ed un miglioramento della qualità costruttiva. Per fare ciò è stato definito un nuovo ciclo di fabbricazione che riunisse tutte le operazioni di asportazione di truciolo in un unico centro di lavoro di fresatura. Sono state definite, progettate e messe in atto tutte le fasi del processo produttivo utilizzando i moderni software CAD-CAM-CNC. Al termine sono stati elaborati i risultati ottenuti svolgendo anche una analisi economica per valutare il risparmio percentuale annuo sul costo di produzione. Infine è stato fatto un confronto fra il vecchio ed il nuovo processo produttivo realizzato secondo i principi dell'Industria 4.0 ed i relativi vantaggi che esso permette di ottenere.

Un algoritmo di rotazione di immagini per la decorazione digitale ceramica

L'attività di tesi è stata svolta presso la divisione System Ceramics della società System Group S.p.A. di Fiorano Modenese (MO) che si occupa dello sviluppo di soluzioni per l'industria ceramica, tra cui la decorazione delle piastrelle. Tipicamente nelle industrie ceramiche la movimentazione dei pezzi è effettuata tramite nastro trasportatore e durante il trasporto i pezzi possono subire leggeri movimenti. Se il pezzo non viene allineato alla stampante prima della fase di decorazione la stampa risulta disallineata e vi possono essere alcune zone non stampate lungo i bordi del pezzo. Perciò prima di procedere con la decorazione è fondamentale correggere il disallineamento. La soluzione più comune è installare delle guide all'ingresso del sistema di decorazione. Oltre a non consentire un’alta precisione, questa soluzione si dimostra inadatta nel caso la decorazione venga applicata in fasi successive da stampanti diverse. Il reparto di ricerca e sviluppo di System Ceramics ha quindi ideato una soluzione diversa e innovativa seguendo l'approccio inverso: allineare la grafica via software a ogni pezzo in base alla sua disposizione, invece che intervenire fisicamente modificandone la posizione. Il nuovo processo di stampa basato sull'allineamento software della grafica consiste nel ricavare inizialmente la disposizione di ogni piastrella utilizzando un sistema di visione artificiale posizionato sul nastro prima della stampante. Successivamente la grafica viene elaborata in base alla disposizione del pezzo ed applicata una volta che il pezzo arriva presso la zona di stampa. L'attività di tesi si è focalizzata sulla fase di rotazione della grafica ed è consistita nello studio e nell’ottimizzazione del prototipo di applicazione esistente al fine di ridurne i tempi di esecuzione. Il prototipo infatti, sebbene funzionante, ha un tempo di esecuzione così elevato da risultare incompatibile con la velocità di produzione adottata dalle industrie ceramiche.

La certificazione di prodotto nell'industria delle piastrelle di ceramica

La tesi da me realizzata si può riassumere in due fasi: lo studio delle normative Europee che regolamentano la produzione di piastrelle di ceramica; le verifiche del rispetto di tali normative in laboratorio (Centro Ceramico Bologna) sulle piastrelle di ceramica che richiedevano la certificazione di qualità. Ho avuto la possibilità di collaborare con il Centro Ceramico di Bologna per osservare da vicino le procedure effettuate per testare le piastrelle di ceramica. Lo studio della certificazione di quailtà ha richiesto un approfondimento sul concetto della qualità, del processo di qualità e dei fattori che influenzano la progettazione dei prodotti (normative ed esigenze del consumatore).

Progettazione ed esercizio di un impianto sperimentale per il trasporto pneumatico in fase densa dell'atomizzato di barbottina

L’elaborato è strutturato in sei capitoli ed ha come obiettivo principale quello di descrivere un impianto pilota per il trasporto pneumatico dell’atomizzato di barbottina e di riportare i risultati delle analisi sperimentali, condotte per la caratterizzazione del trasporto dello stesso, necessarie per la futura progettazione di un impianto in scala industriale. Nel primo capitolo verrà presentata l’industria ceramica italiana e le fasi per la produzione delle piastrelle, con particolare attenzione al tema del trasporto di materiale tra i vari reparti produttivi. Nel capitolo due, poi, si analizzeranno le problematiche collegate ai tradizionali sistemi di movimentazione di materiale sfuso, facendo un confronto tra quelli più usati e quello pneumatico. Quest’ultimo rappresenta un’alternativa ai sistemi di trasporto classici, i quali pur assicurando elevati volumi di movimentazione, non salvaguardano l’integrità del materiale trasportato. Lo sgretolamento del materiale, oltre a rendere quest’ultimo inutilizzabile per la produzione delle piastrelle, è responsabile dell’emissione nell'ambiente di lavoro di silice cristallina libera. Al contrario, il trasporto pneumatico, del quale si riporta una descrizione nel capitolo tre e quattro, garantisce il minimo rischio di formazione di polveri fini, grazie al totale confinamento del materiale all'interno di una conduttura. Nel capitolo cinque verranno esposti i risultati delle analisi sperimentali effettuate sull'impianto: verranno illustrate le prove di trasporto condotte e, a valle di ognuna di queste, l’attenzione si focalizzerà sulla granulometria del materiale processato, paragonando la stessa a quella del materiale vergine di riferimento. Infine, nel sesto capitolo, si riporteranno i risultati delle simulazioni effettuate sul software TPSimWin, basato su calcolo agli elementi finiti. Tali simulazioni sono necessarie per determinare le principali caratteristiche del materiale da trasportare.

Routex: un Router Multitecnologia per Internet of Things

L'Internet of Things (IoT) è oggetto di grande interesse per la ricerca e per l'industria. Le numerose tecnologie che sono state sviluppate rendono possibile la creazione di nuovi e utili servizi, ma introducono problemi legati alla reciproca incompatibilità. Nell'elaborato si analizza nel dettaglio questa situazione e si descrive l'implementazione di un sistema che ha come obiettivo la realizzazione di una rete composta da dispositivi che fanno uso di tecnologie differenti. Il progetto usa un Raspberry Pi come router, il cui scopo è quello di gestire le differenze fra gli standard di comunicazione utilizzati. Le tecnologie wireless supportate sono: WiFi, Bluetooth, ZigBee, nRF24L01 e moduli radio 433MHz. Sulla rete cosi formata è inoltre possibile lo sviluppo di applicazioni IoT, grazie alle logiche di funzionamento messe a disposizione dal sistema.

Ricerca di un diluente reattivo alternativo allo stirene in resine uretano-acrilato per la fabbricazione di materiali compositi

In questo elaborato è presentato uno studio che riguarda lo sviluppo di nuovi materiali compositi fibro-rinforzati a matrice uretano-acrilato termoindurente. Lo studio è basato sulla ricerca di un diluente reattivo alternativo a stirene e vinil toluene, attualmente utilizzati in industria, in grado di migliorare l’aspetto di sicurezza e pericolosità legato alla manipolazione e all’utilizzo dei diluenti, mantenendo o migliorando le proprietà finali della resina. I diluenti selezionati sono circa 30, in base a indicazioni di pericolo EH&S, proprietà chimico fisiche, funzionalità e odore. Sono stati caratterizzati sia i diluenti reattivi puri che i rispettivi formulati uretano acrilato formati da resina addizionata di diluente reattivo. Le proprietà studiate sono state: reattività e comportamento reologico (viscosità e gel time), temperatura di transizione vetrosa (Tg), assorbimento d’acqua, ritiro volumetrico e proprietà meccaniche di resistenza a flessione (3-point bending) e impatto (Charpy). Sulla base dei risultati di screening, sono stati selezionati i diluenti reattivi più performanti e sono stati utilizzati per creare materiali compositi a matrice uretan acrilato rinforzati con fibra di vetro unidirezionale, ottenuti con tecnica di infusione sotto vuoto. Infine sono state caratterizzate le proprietà dei materiali compositi per valutarne la resistenza a flessione, a trazione, all’impatto, l’interlaminar shear strenght (ILSS) e l’assorbimento d’acqua.

End-to-end Deep Metric Learning con Vision-Language Model per il Fashion Image Captioning

L'image captioning è un task di machine learning che consiste nella generazione di una didascalia, o caption, che descriva le caratteristiche di un'immagine data in input. Questo può essere applicato, ad esempio, per descrivere in dettaglio i prodotti in vendita su un sito di e-commerce, migliorando l'accessibilità del sito web e permettendo un acquisto più consapevole ai clienti con difficoltà visive. La generazione di descrizioni accurate per gli articoli di moda online è importante non solo per migliorare le esperienze di acquisto dei clienti, ma anche per aumentare le vendite online. Oltre alla necessità di presentare correttamente gli attributi degli articoli, infatti, descrivere i propri prodotti con il giusto linguaggio può contribuire a catturare l'attenzione dei clienti. In questa tesi, ci poniamo l'obiettivo di sviluppare un sistema in grado di generare una caption che descriva in modo dettagliato l'immagine di un prodotto dell'industria della moda dato in input, sia esso un capo di vestiario o un qualche tipo di accessorio. A questo proposito, negli ultimi anni molti studi hanno proposto soluzioni basate su reti convoluzionali e LSTM. In questo progetto proponiamo invece un'architettura encoder-decoder, che utilizza il modello Vision Transformer per la codifica delle immagini e GPT-2 per la generazione dei testi. Studiamo inoltre come tecniche di deep metric learning applicate in end-to-end durante l'addestramento influenzino le metriche e la qualità delle caption generate dal nostro modello.

Strategie produttive e di marketing nell'industria cinematografica e televisiva: i casi di Mr. Robot e No Time to Die

La tesi si occupa di delineare una panoramica sul sistema dell'industria dei media e in particolare delle tendenze contemporanee produttive e di marketing volte ad attirare il maggior numero di consumatori. Si prende in esame il prodotto cinematografico dal punto di vista economico e di marketing delineandone i diversi processi: dal marketing mix alle tecniche di segmentazione, targeting e posizionamento fino alle diverse componenti del prodotto stesso che influenzano le scelte dei fruitori. Quest'ultimi esprimono esigenze diverse ed è per questo che è importante che si conosca la domanda a cui rivolgersi e saper comunicare nel modo più adeguato possibile. Nella contemporaneità lo spettatore è sempre più attivo e coinvolto poiché con la sovrabbondanza di offerta si cerca di produrre contenuti più complessi, serializzati e high concept proprio con l'obiettivo di attrarre. Nell'era della convergenza, come definita da Henry Jenkins, si parla di prosumer, ovvero di soggetti che partecipano attivamente al consumo dei prodotti producendo a loro volta contenuti. A queste dinamiche, il marketing contemporaneo risponde a sua volta con forme esperienziali e a forme virali che possano attirare l'attenzione. Analizzo a tal proposito la campagna marketing della serie tv Mr. Robot in quanto si inserisce all'interno della complessità produttiva e della transmedialità e il caso cinematografico della campagna di No Time to Die, l'ultimo film del franchise di 007, in era pandemica.

Economia Circolare e Industria 4.0: big data come strumento di sostenibilità nell’industria del fashion

L’argomento di questa tesi nasce dall’idea di unire due temi che stanno assumendo sempre più importanza nei nostri giorni, ovvero l’economia circolare e i big data, e ha come obiettivo quello di fornire dei punti di collegamento tra questi due. In un mondo tecnologico come quello di oggi, che sta trasformando tutto quello che abbiamo tra le nostre mani in digitale, si stanno svolgendo sempre più studi per capire come la sostenibilità possa essere supportata dalle tecnologie emergenti. L’economia circolare costituisce un nuovo paradigma economico in grado di sostituirsi a modelli di crescita incentrati su una visione lineare, puntando ad una riduzione degli sprechi e ad un radicale ripensamento nella concezione dei prodotti e nel loro uso nel tempo. In questa transizione verso un’economia circolare può essere utile considerare di assumere le nuove tecnologie emergenti per semplificare i processi di produzione e attuare politiche più sostenibili, che stanno diventando sempre più apprezzate anche dai consumatori. Il tutto verrà sostenuto dall’utilizzo sempre più significativo dei big data, ovvero di grandi dati ricchi di informazioni che permettono, tramite un’attenta analisi, di sviluppare piani di produzione che seguono il paradigma circolare: questo viene attuato grazie ai nuovi sistemi digitali sempre più innovativi e alle figure specializzate che acquisiscono sempre più conoscenze in questo campo.

Studio di fattibilità di un impianto di trigenerazione a servizio di un'industria ceramica

Creazione di un modello di calcolo che, una volta inseriti i dati di input del sistema, fornisca una serie di output utili a svolgere considerazioni di natura energetica ed economica per eseguire uno studio di fattibilità di una o più tecnologie a servizio di un'utenza industriale o civile. Applicazione di tale modello al fine di eseguire uno studio di fattibilità di un impianto di trigenerazione a servizio di un'industria ceramica, analizzando anche l'eventuale accoppiamento della trigenerazione con il fotovoltaico e l'accumulo. Analisi delle variazioni dei prezzi dell'energia elettrica e del gas sul sistema.

Sviluppo di un pacchetto ROS per il controllo di un cobot addetto alla movimentazione di un pannello di protezione di una macchina automatica

L’Industria 4.0 richiede sempre più tecnologie con un notevole grado di flessibilità, in modo da garantire il più alto livello di integrazione uomo-macchina e macchina- macchina. In quest’ottica, l’avvento della robotica collaborativa, ha agevolato il pro- cesso. I robot collaborativi (cobot) possono essere facilmente installati all’interno del- le linee di assemblaggio/produzione, senza necessità di barriere che vietino l’accesso agli operatori. Tra i tanti compiti a cui possono asservire i cobot, ci sono quelli dedica- ti all’ispezione delle varie macchine (e.g. microfermate di emergenza), in cui di solito, l’apertura del pannello di protezione è affidata ad un cobot montato a bordo di un AGV. È in questo contesto che si inserisce l’elaborato di tesi, volto al controllo in forza di un robot collaborativo per la movimentazione di un pannello di protezione di una mac- china automatica. In particolare, per ragioni logistiche e di ingombro, un simulacro del pannello di protezione è stato realizzato in scala, mentre il controllo real-time del cobot è stato implementato utilizzando ROS (Robot Operating System), piattaforma disponibile in modalità open-source.

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.