Mac protocols for linear wireless (sensor) networks

Wireless sensor networks (WSNs) consist of a large number of sensor nodes, characterized by low power constraint, limited transmission range and limited computational capabilities [1][2].The cost of these devices is constantly decreasing, making it possible to use a large number of sensor devices in a wide array of commercial, environmental, military, and healthcare fields. Some of these applications involve placing the sensors evenly spaced on a straight line for example in roads, bridges, tunnels, water catchments and water pipelines, city drainages, oil and gas pipelines etc., making a special class of these networks which we define as a Linear Wireless Network (LWN). In LWNs, data transmission happens hop by hop from the source to the destination, through a route composed of multiple relays. The peculiarity of the topology of LWNs, motivates the design of specialized protocols, taking advantage of the linearity of such networks, in order to increase reliability, communication efficiency, energy savings, network lifetime and to minimize the end-to-end delay [3]. In this thesis a novel contention based Medium Access Control (MAC) protocol called L-CSMA, specifically devised for LWNs is presented. The basic idea of L-CSMA is to assign different priorities to nodes based on their position along the line. The priority is assigned in terms of sensing duration, whereby nodes closer to the destination are assigned shorter sensing time compared to the rest of the nodes and hence higher priority. This mechanism speeds up the transmission of packets which are already in the path, making transmission flow more efficient. Using NS-3 simulator, the performance of L-CSMA in terms of packets success rate, that is, the percentage of packets that reach destination, and throughput are compared with that of IEEE 802.15.4 MAC protocol, de-facto standard for wireless sensor networks. In general, L-CSMA outperforms the IEEE 802.15.4 MAC protocol.

Agent-based simulation for renewable energy incentive design

In this thesis, we propose a novel approach to model the diffusion of residential PV systems. For this purpose, we use an agent-based model where agents are the families living in the area of interest. The case study is the Emilia-Romagna Regional Energy plan, which aims to increase the produc- tion of electricity from renewable energy. So, we study the microdata from the Survey on Household Income and Wealth (SHIW) provided by Bank of Italy in order to obtain the characteristics of families living in Emilia-Romagna. These data have allowed us to artificial generate families and reproduce the socio-economic aspects of the region. The families generated by means of a software are placed on the virtual world by associating them with the buildings. These buildings are acquired by analysing the vector data of regional buildings made available by the region. Each year, the model determines the level of diffusion by simulating the installed capacity. The adoption behaviour is influenced by social interactions, household’s economic situation, the environmental benefits arising from the adoption and the payback period of the investment.

Data dissemination over complex networks through gossip

This thesis offers a practical and theoretical evaluations about gossip-epidemic algorithms, comparing those most common in the literature with new proposed algorithms and analyzing their behavior. Tests have been executed using one hundred graphs that has been randomly generated by Large Unstructured NEtwork Simulator (LUNES), a simulation software provided by Parallel and Distributed Simulation Research Group (PADS), of the Department of Computer Science, Università di Bologna and simulated using Advanced RTI System (ARTÌS), based on the High Level Architecture standard. Literatures algorithms have been analyzed and taken as base for new algorithms.

Modellazione avanzata di un incendio in uno stabilimento industriale secondo i principi della fire safety engineering

Lo sviluppo di un incendio all’interno di depositi di liquidi infiammabili costituisce uno scenario particolarmente critico a causa della rilevanza delle conseguenze che ne possono scaturire. L’incendio causato dalla formazione di grandi pozze sviluppatesi a seguito di forature dei contenitori e il rapido coinvolgimento di tutto lo stoccaggio rappresentano uno scenario di incendio tipico di queste realtà. Si ha quindi la necessità di adottare provvedimenti atti a garantire specifici obiettivi di sicurezza tramite l’introduzione di misure antincendio. La prevenzione incendi, sino al 2007, era basata esclusivamente su norme di tipo prescrittivo, in base alle quali si definivano le misure di sicurezza secondo un criterio qualitativo. Successivamente l’ingegneria antincendio si è sempre più caratterizzata da approcci basati su analisi di tipo prestazionale, in grado di dimostrare il raggiungimento dell’obiettivo di sicurezza sulla base del comportamento reale d’incendio ottenuto mediante un’accurata simulazione del fuoco che ragionevolmente può prodursi nell'attività. La modellazione degli incendi è divenuta possibile grazie allo sviluppo di codici di fluidodinamica computazionale (CFD), in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle fiamme. Il presente studio si inserisce proprio nell’ambito della modellazione CFD degli incendi, eseguita mediante il software Fire Dynamics Simulator (FDS). L’obiettivo dell’elaborato è studiare l’azione dell’impianto di spegnimento a schiuma sullo sviluppo di un incendio di pozza in un deposito di liquidi infiammabili, in termini di riduzione della potenza termica rilasciata dal fuoco, al fine di determinare le temperature massime raggiunte, in corrispondenza delle quali valutare il comportamento di resistenza strutturale degli edifici. Il presente lavoro è articolato in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, vengono richiamati nel Capitolo 2 i principali concetti della chimica e fisica degli incendi. Nel Capitolo 3 vengono esaminate le normative intese ad unificare l’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Il Capitolo 4 fornisce una dettagliata descrizione del software di calcolo, FDS - Fire Dynamics Simulator, adoperato per la modellazione dell’incendio. Nel Capitolo 5 si procede alla progettazione prestazionale che conduce alla determinazione della curva naturale d'incendio in presenza degli impianti di spegnimento automatici. Infine nel Capitolo 6 si riportano le considerazioni conclusive.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Analisi comparativa dei modelli per gli incendi di liquidi infiammabili

I depositi di liquidi infiammabili sono stabilimenti industriali in cui avvengono spesso incendi di grandi dimensioni a causa degli ingenti quantitativi di sostanze infiammabili detenute. Gli incendi tipici dei liquidi infiammabili sono gli incendi di pozza in caso di rilascio del liquido al suolo e gli incendi di serbatoio in caso di ignizione del liquido all’interno del serbatoio stesso. Tali incendi hanno la potenzialità di danneggiare le apparecchiature limitrofe, determinandone il cedimento e dunque l’incremento delle dimensioni dell’incendio e dell’area di danno; tale fenomeno è detto effetto domino. Per la modellazione degli incendi sono disponibili diversi strumenti, divisibili essenzialmente in due categorie: modelli semplici, ovvero basati su correlazioni semi-empiriche e modelli avanzati, costituiti dai codici CFD. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è il confronto tra le diverse tipologie di strumenti disponibili per la modellazione degli incendi di liquidi infiammabili. In particolare sono stati confrontati tra loro il codice FDS (Fire Dynamics Simulator), il metodo del TNO ed il modello per gli incendi di pozza incorporato nel software ALOHA. Il codice FDS è un modello avanzato, mentre il metodo del TNO ed il modello implementato nel software ALOHA sono modelli semplici appartenenti alla famiglia dei Solid Flame Models. La prima parte del presente lavoro di tesi è dedicata all’analisi delle caratteristiche e delle problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili, con specifico riferimento all’analisi storica. Nella seconda parte invece i tre metodi sopra citati sono applicati ad un parco serbatoi di liquidi infiammabili ed è effettuato il confronto dei risultati, anche ai fini di una valutazione preliminare dell’effetto domino. La tesi è articolata in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 vengono richiamati i principali concetti riguardanti gli incendi e vengono analizzate le caratteristiche e le problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili. Il Capitolo 3 è dedicato alla discussione delle caratteristiche degli incendi di pozza, alla presentazione delle tipologie di strumenti a disposizione per la loro modellazione ed alla descrizione di dettaglio dei modelli utilizzati nel presente lavoro di tesi. Il Capitolo 4 contiene la presentazione del caso di studio. Nel Capitolo 5, che costituisce il cuore del lavoro, i modelli descritti sono applicati al caso di studio, con un’approfondita discussione dei risultati e una valutazione preliminare dell’effetto domino. Nel Capitolo 6 infine sono riportate alcune considerazioni conclusive.