Robotic patrolling: analisi di strategie e applicazione ad uno scenario

Introduzione alle strategie di robotic patrolling e analisi delle stesse. Applicazione ad uno scenario di una strategia e realizzazione di un robot patroller.

Sviluppo di algoritmi di grid data clustering basati su metodi statistici

Lo scopo del clustering è quindi quello di individuare strutture nei dati significative, ed è proprio dalla seguente definizione che è iniziata questa attività di tesi , fornendo un approccio innovativo ed inesplorato al cluster, ovvero non ricercando la relazione ma ragionando su cosa non lo sia. Osservando un insieme di dati ,cosa rappresenta la non relazione? Una domanda difficile da porsi , che ha intrinsecamente la sua risposta, ovvero l’indipendenza di ogni singolo dato da tutti gli altri. La ricerca quindi dell’indipendenza tra i dati ha portato il nostro pensiero all’approccio statistico ai dati , in quanto essa è ben descritta e dimostrata in statistica. Ogni punto in un dataset, per essere considerato “privo di collegamenti/relazioni” , significa che la stessa probabilità di essere presente in ogni elemento spaziale dell’intero dataset. Matematicamente parlando , ogni punto P in uno spazio S ha la stessa probabilità di cadere in una regione R ; il che vuol dire che tale punto può CASUALMENTE essere all’interno di una qualsiasi regione del dataset. Da questa assunzione inizia il lavoro di tesi, diviso in più parti. Il secondo capitolo analizza lo stato dell’arte del clustering, raffrontato alla crescente problematica della mole di dati, che con l’avvento della diffusione della rete ha visto incrementare esponenzialmente la grandezza delle basi di conoscenza sia in termini di attributi (dimensioni) che in termini di quantità di dati (Big Data). Il terzo capitolo richiama i concetti teorico-statistici utilizzati dagli algoritimi statistici implementati. Nel quarto capitolo vi sono i dettagli relativi all’implementazione degli algoritmi , ove sono descritte le varie fasi di investigazione ,le motivazioni sulle scelte architetturali e le considerazioni che hanno portato all’esclusione di una delle 3 versioni implementate. Nel quinto capitolo gli algoritmi 2 e 3 sono confrontati con alcuni algoritmi presenti in letteratura, per dimostrare le potenzialità e le problematiche dell’algoritmo sviluppato , tali test sono a livello qualitativo , in quanto l’obbiettivo del lavoro di tesi è dimostrare come un approccio statistico può rivelarsi un’arma vincente e non quello di fornire un nuovo algoritmo utilizzabile nelle varie problematiche di clustering. Nel sesto capitolo saranno tratte le conclusioni sul lavoro svolto e saranno elencati i possibili interventi futuri dai quali la ricerca appena iniziata del clustering statistico potrebbe crescere.

Mathematical models for cellular aggregation: the chemotactic instability and clustering formation

In this thesis we present a mathematical formulation of the interaction between microorganisms such as bacteria or amoebae and chemicals, often produced by the organisms themselves. This interaction is called chemotaxis and leads to cellular aggregation. We derive some models to describe chemotaxis. The first is the pioneristic Keller-Segel parabolic-parabolic model and it is derived by two different frameworks: a macroscopic perspective and a microscopic perspective, in which we start with a stochastic differential equation and we perform a mean-field approximation. This parabolic model may be generalized by the introduction of a degenerate diffusion parameter, which depends on the density itself via a power law. Then we derive a model for chemotaxis based on Cattaneo's law of heat propagation with finite speed, which is a hyperbolic model. The last model proposed here is a hydrodynamic model, which takes into account the inertia of the system by a friction force. In the limit of strong friction, the model reduces to the parabolic model, whereas in the limit of weak friction, we recover a hyperbolic model. Finally, we analyze the instability condition, which is the condition that leads to aggregation, and we describe the different kinds of aggregates we may obtain: the parabolic models lead to clusters or peaks whereas the hyperbolic models lead to the formation of network patterns or filaments. Moreover, we discuss the analogy between bacterial colonies and self gravitating systems by comparing the chemotactic collapse and the gravitational collapse (Jeans instability).

Exploiting the clustering of cosmic voids as a novel cosmological probe

The investigations of the large-scale structure of our Universe provide us with extremely powerful tools to shed light on some of the open issues of the currently accepted Standard Cosmological Model. Until recently, constraining the cosmological parameters from cosmic voids was almost infeasible, because the amount of data in void catalogues was not enough to ensure statistically relevant samples. The increasingly wide and deep fields in present and upcoming surveys have made the cosmic voids become promising probes, despite the fact that we are not yet provided with a unique and generally accepted definition for them. In this Thesis we address the two-point statistics of cosmic voids, in the very first attempt to model its features with cosmological purposes. To this end, we implement an improved version of the void power spectrum presented by Chan et al. (2014). We have been able to build up an exceptionally robust method to tackle with the void clustering statistics, by proposing a functional form that is entirely based on first principles. We extract our data from a suite of high-resolution N-body simulations both in the LCDM and alternative modified gravity scenarios. To accurately compare the data to the theory, we calibrate the model by accounting for a free parameter in the void radius that enters the theory of void exclusion. We then constrain the cosmological parameters by means of a Bayesian analysis. As far as the modified gravity effects are limited, our model is a reliable method to constrain the main LCDM parameters. By contrast, it cannot be used to model the void clustering in the presence of stronger modification of gravity. In future works, we will further develop our analysis on the void clustering statistics, by testing our model on large and high-resolution simulations and on real data, also addressing the void clustering in the halo distribution. Finally, we also plan to combine these constraints with those of other cosmological probes.

Trasferimento di Token Inter-Blockchain: attacchi e soluzioni in uno scenario di Blockchain locali.

La disponibilità di connessioni a internet poco costose ed affidabili rappresenta un lusso in molti paesi in via di sviluppo e in zone rurali di nazioni sviluppate. L’utilizzo di nuove tecnologie come le blockchain risulta quindi difficile in queste aree, per quanto esse trarrebbero certamente beneficio dalla disponibilità di sistemi di pagamento digitali, decentralizzati e tolleranti ai guasti; inoltre l’uso delle blockchain in zone rurali potrebbe rendere l’abitabilità di tali aree maggiormente appetibile. Una possibile soluzione è costituita dalle blockchain locali, ossia catene a servizio di una ristretta area geografica in cui è disponibile solamente una rete locale, da cui potrebbero ricevere vantaggio sia paesi in via di sviluppo, sia scenari industriali dove si necessiti di blockchain il cui accesso debba avvenire solamente dall’interno dell’intranet aziendale. L’utilità delle blockchain locali risulterebbe tuttavia limitata qualora questi sistemi rimanessero totalmente isolati dal mondo esterno. Utilizzando tecnologie che permettono l’interoperabilità tra blockchain è però possibile interconnettere questi sistemi, rendendo possibile il trasferimento di asset tra diverse chain. Le particolarità degli scenari ipotizzati lasciano però spazio ad alcune vulnerabilità, che, se sfruttate, possono condurre ad attacchi ai danni degli utenti e dell’economia delle blockchain locali. Per risolvere le problematiche individuate, sono stati quindi discussi ed implementati una serie di requisiti per la messa in sicurezza del sistema.

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

Analisi di log files prodotti dal sistema StoRM usato dall’esperimento ATLAS attraverso algoritmi di clustering

L'esperimento ATLAS, come gli altri esperimenti che operano al Large Hadron Collider, produce Petabytes di dati ogni anno, che devono poi essere archiviati ed elaborati. Inoltre gli esperimenti si sono proposti di rendere accessibili questi dati in tutto il mondo. In risposta a questi bisogni è stato progettato il Worldwide LHC Computing Grid che combina la potenza di calcolo e le capacità di archiviazione di più di 170 siti sparsi in tutto il mondo. Nella maggior parte dei siti del WLCG sono state sviluppate tecnologie per la gestione dello storage, che si occupano anche della gestione delle richieste da parte degli utenti e del trasferimento dei dati. Questi sistemi registrano le proprie attività in logfiles, ricchi di informazioni utili agli operatori per individuare un problema in caso di malfunzionamento del sistema. In previsione di un maggiore flusso di dati nei prossimi anni si sta lavorando per rendere questi siti ancora più affidabili e uno dei possibili modi per farlo è lo sviluppo di un sistema in grado di analizzare i file di log autonomamente e individuare le anomalie che preannunciano un malfunzionamento. Per arrivare a realizzare questo sistema si deve prima individuare il metodo più adatto per l'analisi dei file di log. In questa tesi viene studiato un approccio al problema che utilizza l'intelligenza artificiale per analizzare i logfiles, più nello specifico viene studiato l'approccio che utilizza dell'algoritmo di clustering K-means.

Metodologie di progettazione di impianti fotovoltaici con sistema di accumulo: applicazione su uno scenario reale

Il presente elaborato di tesi si pone come obiettivo lo studio dei criteri di progettazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete con sistema di accumulo. In primo luogo, è stato introdotto il tema dell’energia rinnovabile, in particolare l’energia solare descrivendo e definendone le caratteristiche. In seguito, è stato descritto dettagliatamente l’effetto fotovoltaico e lo stato dell’arte relativo alla tecnologia fotovoltaica e tipologie di impianto. Si procede con lo studio dello scenario reale, la progettazione e il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, effettuata con l’ausilio di PVGIS Tool, SUNNYDESIGN e Microsoft Excel. In questa fase si scelgono i dispositivi principali, quali pannelli, inverter e sistema di accumulo in funzione delle caratteristiche del sito di installazione, che nel nostro caso è uno stabile adibito ad ufficio sito a Bologna in cui è possibile installare un impianto la cui taglia è di 20.8 kWp. In seguito, è presente lo studio della producibilità energetica pari a 30190 kWh/anno, nella quale è definito e calcolato l’autoconsumo dell’impianto tramite fogli di calcolo Excel. Segue l’introduzione alle normative, che definiscono lo stato dell’arte degli impianti fotovoltaici e il collegamento in BT (CEI 0-21, 64-8), e la progettazione elettrica, con l’utilizzo di AutoCAD, dell’impianto elettrico di collegamento in BT alla rete di distribuzione con allacciamento alla rete. Infine, l’elaborato si conclude con l’analisi economica dell’impianto con e senza sistema di accumulo, nella quale viene calcolato, tramite foglio Excel, il PayBackTime pari a 5.08 anni nel primo caso e 4.17 nel secondo, il risparmio energetico cumulativo nei 25 anni di esercizio previsti dell’impianto che è di 447.7 k€ per la prima tipologia di impianto e di 437.45 k€ per la seconda ed in conclusione i flussi di cassa durante lo stesso periodo che sono di 294.93 k€ per l’impianto fotovoltaico con accumulo e di 320.58 k€ per quello senza sistema di accumulo.

Development of a heterogeneous clustering algorithm for particle shower reconstruction in high energy physics using the SYCL abstraction layer

Nei prossimi anni è atteso un aggiornamento sostanziale di LHC, che prevede di aumentare la luminosità integrata di un fattore 10 rispetto a quella attuale. Tale parametro è proporzionale al numero di collisioni per unità di tempo. Per questo, le risorse computazionali necessarie a tutti i livelli della ricostruzione cresceranno notevolmente. Dunque, la collaborazione CMS ha cominciato già da alcuni anni ad esplorare le possibilità offerte dal calcolo eterogeneo, ovvero la pratica di distribuire la computazione tra CPU e altri acceleratori dedicati, come ad esempio schede grafiche (GPU). Una delle difficoltà di questo approccio è la necessità di scrivere, validare e mantenere codice diverso per ogni dispositivo su cui dovrà essere eseguito. Questa tesi presenta la possibilità di usare SYCL per tradurre codice per la ricostruzione di eventi in modo che sia eseguibile ed efficiente su diversi dispositivi senza modifiche sostanziali. SYCL è un livello di astrazione per il calcolo eterogeneo, che rispetta lo standard ISO C++. Questo studio si concentra sul porting di un algoritmo di clustering dei depositi di energia calorimetrici, CLUE, usando oneAPI, l'implementazione SYCL supportata da Intel. Inizialmente, è stato tradotto l'algoritmo nella sua versione standalone, principalmente per prendere familiarità con SYCL e per la comodità di confronto delle performance con le versioni già esistenti. In questo caso, le prestazioni sono molto simili a quelle di codice CUDA nativo, a parità di hardware. Per validare la fisica, l'algoritmo è stato integrato all'interno di una versione ridotta del framework usato da CMS per la ricostruzione. I risultati fisici sono identici alle altre implementazioni mentre, dal punto di vista delle prestazioni computazionali, in alcuni casi, SYCL produce codice più veloce di altri livelli di astrazione adottati da CMS, presentandosi dunque come una possibilità interessante per il futuro del calcolo eterogeneo nella fisica delle alte energie.

Applicazione allo scenario italiano di un modello di costo dinamico per l'ottimizzazione del mix energetico e la gestione della rete elettrica

Nell’attuale contesto energetico di forte instabilità, prezzi e produttività subiscono continue variazioni a causa di fattori politici ed economici. Il sistema elettrico è chiamato a rispondere velocemente ai cambiamenti garantendo continuamente il soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica. Nel presente elaborato viene utilizzato un modello di costo dinamico, estratto dalla letteratura scientifica, con lo scopo di gestire efficientemente i flussi energetici e garantire una programmazione ottimale del mix produttivo. Viene analizzato lo scenario italiano mettendo in relazione produzione, trasmissione e domanda energetica. I dati utilizzati fanno riferimento, quanto più possibile, al contesto attuale. Coerentemente con la situazione reale i risultati ottenuti mettono in risalto le criticità e i punti di forza principali del sistema elettrico italiano delineando i possibili cambiamenti attuabili a medio termine.