Assimilazione dati di precipitazione in un modello meteorologico ad alta risoluzione (MOLOCH): sviluppo ed applicazione alla previsione di eventi intensi in Liguria

L'Italia è spesso sede di eventi d'intensa precipitazione, frequentemente associati ad alluvioni con conseguente perdita di vite umane e gravi danni economici. È quindi di fondamentale importanza poter prevedere questi eventi con un adeguato anticipo. Allo stato attuale, i modelli meteorologici non permettono sempre di raggiungere tale obbiettivo e, di conseguenza, è in atto un'intensa attività di ricerca al fine di di renderne più accurata la previsione, sia attraverso il miglioramento dei modelli stessi, sia sviluppando l'assimilazione dati, la quale riduce l'incertezza della condizione iniziale da cui parte la previsione. All'interno di questo contesto, la tesi si prefigge l'obiettivo di studiare gli effetti dell'assimilazione di dati di precipitazione, effettuata mediante uno schema di nudging, nel modello non idrostatico MOLOCH. Al fine di ottimizzare lo schema e di valutarne l'impatto, sono stati simulati tutti gli eventi di maltempo di ottobre e novembre del 2014 che hanno interessato la Liguria, area frequentemente soggetta ad alluvioni. Dalla sistematica verifica dei risultati, effettuata sia qualitativamente che mediante numerosi metodi statistici (tra cui la tecnica SAL basata sull'individuazione dei nuclei di precipitazione), si riscontra un generale miglioramento della previsione della precipitazione anche se limitato alle prime ore dopo la fine del periodo di assimilazione. L'impatto dello schema di nudging varia a seconda dell'evento e, in particolare, si osserva una certa correlazione tra il miglioramento ottenuto e la tipologia di evento, come descritto dalla teoria dell'equilibrio convettivo e come riportato in alcuni studi analoghi recentemente comparsi in letteratura. La ricaduta del miglioramento della previsione meteorologica è stata valutata anche in termini di impatti al suolo accoppiando il modello meteorologico con il modello idrologico utilizzato dal Centro Funzionale della Regione Liguria, con risultati abbastanza positivi.

Risorse idriche sotterranee del continente africano: disponibilità e prospettive di gestione

L’acqua è uno dei principali fattori per la crescita socio-economica e lo sviluppo del continente africano. Il continente africano dispone di ingenti risorse idriche, ma le complessità naturali caratteristiche di alcune regioni del continente e la frequente assenza di una corretta pianificazione della loro gestione ne riduce ad oggi il potenziale in maniera significativa. L’utilizzo delle risorse idriche in Africa è destinato ad incrementare sensibilmente nel corso dei prossimi decenni, come risultato della crescita demografica e dei fabbisogni nell’agricoltura. Le risorse idriche sotterranee giocano un importante ruolo in tale scenario in quanto molti paesi africani caratterizzati da scarsità d’acqua dispongono di sostanziali riserve idriche sotterranee e l’accesso a tali risorse, ancorché limitate, è largamente diffuso nel continente. Si stima che il totale delle risorse idriche sotterranee sia di 0,66 milioni di km cubi. Le risorse sotterranee sono largamente distribuite: i maggiori volumi sono localizzati nei larghi acquiferi sedimentari nelle regioni del nord Africa. Per molti paesi africani pozzi appropriatamente ubicati sono in grado di sostenere le comunità con l’estrazione manuale mediante pompe con una portata di 0,1-0,3 l/s. Grandi impianti di produzione da acquifero (>5 l/s), che siano adatti per lo sviluppo urbano o produzioni agricole intensive, non sono ancora diffusi e sono limitati ad aree particolari. La disponibilità ed accessibilità delle acque sotterranee in gran parte dell’Africa è favorevole ad uno sviluppo rurale piuttosto che urbano. Il maggiore fattore limitante per una gestione sostenibile delle risorse sotterranee è dato dalla necessità di identificare se le acque sotterranee sono rinnovabili (ed in quale misura) o meno, al fine di programmare le corrette politiche gestionali nel tempo.

Toxicity evaluation of TiO2 Nanoparticles embedded in consumer products

Lo studio è orientato alla determinazione dei rischi tossici posti dalle nanoparticelle di diossido di titanio rilasciate in ambiente marino. L’organismo modello utilizzato per questo studio è la diatomea Thalassiosira pseudonana, la quale è stata scelta per la sua semplicità biologica unita alla fondamentale rilevanza nella catena alimentare e nell’ecosistema marino. Oltre alle nanoparticelle prodotte industrialmente, questo studio ha lo scopo di determinare e confrontare la tossicità delle nanoparticelle utilizzate in alcuni prodotti di cura personale (in particolare crema solare e dentifricio), estraendole direttamente da essi. I nostri risultati mostrano una notevole ridondanza nel legame tra la natura (il tipo) delle nanoparticelle e l’inibizione della normale crescita delle diatomee, che supera la correlazione con tutti gli altri parametri monitorati (concentrazione di nanoparticelle, tempo di esposizione, pH, carica superficiale e dimensione delle particelle stesse), sebbene gli altri parametri risultino direttamente legati agli effetti inibitori. Tali risultati suggeriscono un’intensificazione della ricerca nell’ambito delle nanotecnologie, orientata allo sviluppo di nanomateriali “sostenibili”, ovvero dei quali sono note le potenzialità di impiego, ma anche gli aspetti negativi, che possono di conseguenza essere monitorati con maggiore consapevolezza.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Progetto e sviluppo di una libreria tuProlog per l’interfacciamento di sensori in contesti di pervasive computing

Il termine pervasive computing incarna l’idea di andare oltre il paradigma dei personal computers: è l’idea che qualsiasi device possa essere tecnologizzato ed interconnesso con un network distribuito, costituendo un nuovo modello di interazione uomo-macchina. All’interno di questo paradigma gioca un ruolo fondamentale il concetto di context-awareness, che fa riferimento all’idea che i computer possano raccogliere dati dall’ambiente circostante e reagire in maniera intelligente e proattiva basandosi su di essi. Un sistema siffatto necessita da un lato di una infrastruttura per la raccolta dei dati dall’ambiente, dall'altro di un supporto per la componente intelligente e reattiva. In tale scenario, questa tesi ha l'obiettivo di progettare e realizzare una libreria per l'interfacciamento di un sistema distribuito di sensori Java-based con l’interprete tuProlog, un sistema Prolog leggero e configurabile, scritto anch'esso in Java ma disponibile per una pluralità di piattaforme, in modo da porre le basi per la costruzione di sistemi context-aware in questo ambiente.

Sviluppo di un sistema per allocazione e scheduling di applicazioni periodiche

In questa tesi, viene illustrato un metodo risolutivo al problema dell’allocazione e schedulazione, su risorse eterogenee con capacità unaria rinnovabile e cumulativa non rinnovabile, di applicazioni multitask periodiche, con periodi in relazione armonica, strutturate in attività indipendenti o sottoposte a vincoli di precedenza e con durate dipendenti dalla specifica risorsa di allocazione. L’obiettivo è quello di fornire un’implementazione del modello in grado di gestire l’allocazione e la schedulazione di istanze (i.e. insieme di applicazioni) variabili, caratterizzate da una serie di parametri. La struttura implementativa, realizzata secondo la Logic-based Benders decomposition, prevede la suddivisione del problema in due moduli. Il primo in grado di generare un’allocazione e realizzato con tecniche di programmazione lineare intera mista, il secondo con lo scopo di controllare l’ammissibilità di tale allocazione attraverso una schedulazione ottima e realizzato mediante tecniche di programmazione a vincoli. Il meccanismo di comunicazione tra i due moduli avviene mediante vincoli lineari, denominati tagli di Benders, che vengono aggiunti dopo ogni iterazione del sistema. L’efficacia del modello sarà valutata confrontando i risultati ottenuti attraverso una serie di test, con i valori forniti da un metodo di allocazione e schedulazione alternativo.

Progetto e sviluppo di un automa per la gestione ed il controllo di sistemi a pilotaggio remoto

L’attenzione di questa tesi si pone sulla progettazione e lo sviluppo di un automa per il controllo di sistemi a pilotaggio remoto. Punto di partenza dell'intero progetto è stata l'analisi del quadrirotore programmato ed utilizzato dai ricercatori del progetto SHERPA. Le funzionalità evidenziate dall'analisi sono state poi elaborate secondo l'approccio con Attuatore Generalizzato ed implementate in Codesys. Questo software si compone di una parte di controllo, una di simulazione ed una o più interfacce grafiche dedicate all'interazione con l'utente. L'utilizzo di Codesys ha permesso di implementare un automa modulare e riusabile, base di partenza per i futuri progetti di automi aerei. L'automa realizzato consente infine di simulare il comportamento di un generico sistema a pilotaggio remoto e di osservarne la sequenza logica con cui le azioni vengono eseguite.

Progettazione e Sviluppo di un Sistema di Proactive Alerting all'interno di una piattaforma di Big Data Analytics

Il lavoro presentato in questo elaborato tratterà lo sviluppo di un sistema di alerting che consenta di monitorare proattivamente una o più sorgenti dati aziendali, segnalando le eventuali condizioni di irregolarità rilevate; questo verrà incluso all'interno di sistemi già esistenti dedicati all'analisi dei dati e alla pianificazione, ovvero i cosiddetti Decision Support Systems. Un sistema di supporto alle decisioni è in grado di fornire chiare informazioni per tutta la gestione dell'impresa, misurandone le performance e fornendo proiezioni sugli andamenti futuri. Questi sistemi vengono catalogati all'interno del più ampio ambito della Business Intelligence, che sottintende l'insieme di metodologie in grado di trasformare i dati di business in informazioni utili al processo decisionale. L'intero lavoro di tesi è stato svolto durante un periodo di tirocinio svolto presso Iconsulting S.p.A., IT System Integrator bolognese specializzato principalmente nello sviluppo di progetti di Business Intelligence, Enterprise Data Warehouse e Corporate Performance Management. Il software che verrà illustrato in questo elaborato è stato realizzato per essere collocato all'interno di un contesto più ampio, per rispondere ai requisiti di un cliente multinazionale leader nel settore della telefonia mobile e fissa.

Sviluppo di un'applicazione per lo scheduling di processi periodici con vincoli temporali

In questo elaborato ,sono descritte le fasi di realizzazione del software di simulazione di scheduling di processi periodici per sistemi operativi real-time, realizzato per questa tesi.

From data to applications in the Internet of Things

Con la crescita in complessità delle infrastrutture IT e la pervasività degli scenari di Internet of Things (IoT) emerge il bisogno di nuovi modelli computazionali basati su entità autonome capaci di portare a termine obiettivi di alto livello interagendo tra loro grazie al supporto di infrastrutture come il Fog Computing, per la vicinanza alle sorgenti dei dati, e del Cloud Computing per offrire servizi analitici complessi di back-end in grado di fornire risultati per milioni di utenti. Questi nuovi scenarii portano a ripensare il modo in cui il software viene progettato e sviluppato in una prospettiva agile. Le attività dei team di sviluppatori (Dev) dovrebbero essere strettamente legate alle attività dei team che supportano il Cloud (Ops) secondo nuove metodologie oggi note come DevOps. Tuttavia, data la mancanza di astrazioni adeguata a livello di linguaggio di programmazione, gli sviluppatori IoT sono spesso indotti a seguire approcci di sviluppo bottom-up che spesso risulta non adeguato ad affrontare la compessità delle applicazione del settore e l'eterogeneità dei compomenti software che le formano. Poichè le applicazioni monolitiche del passato appaiono difficilmente scalabili e gestibili in un ambiente Cloud con molteplici utenti, molti ritengono necessaria l'adozione di un nuovo stile architetturale, in cui un'applicazione dovrebbe essere vista come una composizione di micro-servizi, ciascuno dedicato a uno specifica funzionalità applicativa e ciascuno sotto la responsabilità di un piccolo team di sviluppatori, dall'analisi del problema al deployment e al management. Poichè al momento non si è ancora giunti a una definizione univoca e condivisa dei microservices e di altri concetti che emergono da IoT e dal Cloud, nè tantomento alla definzione di linguaggi sepcializzati per questo settore, la definzione di metamodelli custom associati alla produzione automatica del software di raccordo con le infrastrutture potrebbe aiutare un team di sviluppo ad elevare il livello di astrazione, incapsulando in una software factory aziendale i dettagli implementativi. Grazie a sistemi di produzione del sofware basati sul Model Driven Software Development (MDSD), l'approccio top-down attualmente carente può essere recuperato, permettendo di focalizzare l'attenzione sulla business logic delle applicazioni. Nella tesi viene mostrato un esempio di questo possibile approccio, partendo dall'idea che un'applicazione IoT sia in primo luogo un sistema software distribuito in cui l'interazione tra componenti attivi (modellati come attori) gioca un ruolo fondamentale.

Sviluppo e sperimentazione di un sistema "obstacle detection & collision avoidance" per velivoli multirotori

Il lavoro di tesi svolto riguarda lo sviluppo e la sperimentazione di un primo prototipo di sistema per l’obstacle detection e collision avoidance, capace di identificare un ostacolo e inibire i comandi del pilota in modo da evitare collisioni.

Sviluppo di un simulatore di determinazione d’assetto per un CubeSat operante nel sistema binario Didymos

Questa tesi riguarda l'implementazione e la verifica di alcuni algoritmi di determinazione d'assetto, con l'obiettivo di verificarne le prestazioni e valutarne la possibilità di utilizzo sul ADS del satellite DustCube, operante nel sistema binario Didymos. I filtri si basano sulla combinazione delle misure di diversi sensori, tra i quali star tracker, sensori di Sole, camera a infrarossi e giroscopio. I sensori in questione sono stati modellizzati all'interno di un simulatore implementato in MATLAB/Simulink. L'approccio utilizzato per la determinazione dell'assetto è quelllo di impiegare due differenti filtri: il primo per la calibrazione del giroscopio, il secondo che utilizza i parametri di calibrazione calcolati dal primo per correggere la velocità angolare misurata da giroscopio e determinare l'assetto con un maggiore accuratezza. Le prestazioni dei vari filtri sono state caratterizzate attraverso un'analisi statistica: le simulazioni Monte Carlo. I risultati, nei limiti delle ipotesi fatte, hanno confermato la validità dell'approccio. Per la determinazione effettiva delle prestazioni di questo sistema sull'ADS del DustCube si rimanda ad uno studio di maggior dettaglio.

Progetto e sviluppo di un banco di prova per sistemi di determinazione e controllo d'assetto di CubeSat

Progettazione di dettaglio di un banco di prova per testare sistemi ADCS per CubeSat: Alma Test-Bed. Ci si è concentrati sul progetto di un primo nucleo di AlmaTB in grado di testare il controllo di tipo magnetico. Fanno parte di AlmaTB una gabbia di Helmholtz, un air-bearing system, un CubeSat di test, un metrology system. La gabbia di Helmholtz è un apparato costituito da tre coppie di bobine, una per ogni asse spaziale, che serve ad annullare il campo magnetico locale e simulare quello che si troverà in orbita attorno alla Terra. Un software ricava i dati del campo magnetico terrestre da modello IGRF a determinate coordinate e quota e fornisce agli alimentatori del set di bobine l'indicazione della corrente da distribuire. L'air-bearing system è un cuscinetto d'aria generato da un compressore che serve a ricreare le caratteristiche condizioni dell'ambiente spaziale di microgravità e attrito quasi-zero. Il CubeSat di test sarà montato su questo sistema. Il CubeSat di test, nella prima versione di AlmaTB, contiene i sensori e gli attuatori di tipo magnetico per determinare e controllare l'assetto di un nanosatellite. Il magnetometro presente all'interno è utilizzato anche come controllo del funzionamento della gabbia di Helmholtz. Il metrology system traccia i movimenti e l'inclinazione del CubeSat. Questo fornisce il riferimento di assetto vero, in modo da capire se il sistema ADCS lavora correttamente. Una volta che il banco di prova sarà completato e operativo sarà possibile testare algoritmi di determinazione e controllo di assetto che utilizzano diversi dispositivi tra sensori e attuatori disponibili nel mock-up. Su una workstation sono installati i software di controllo ed elaborazione dati. Si è scelto di procedere con un approccio di tipo "chiavi in mano", cioè scegliendo, quando disponibile, sistemi già completi e disponibili sul mercato. La prima versione di AlmaTB nasce dall'importante, vasto lavoro di matching tra i diversi apparati.

Sviluppo di una fascia addominale per angiografia con CO2

La scelta del mezzo di contrasto in angiografia è rilevante e richiede un’attenta valutazione della qualità diagnostica delle immagini e degli effetti collaterali. Essenziale è analizzare il rischio che comporta l’utilizzo dei vari mezzi di contrasto a base di iodio, come ad esempio la nefropatia. Al contrario l’anidride carbonica, riconosciuta come unico agente di contrasto sicuro, sempre più, viene utilizzata in tutti i vasi del corpo al di sotto del diaframma. L'obiettivo principale di questo lavoro, svolto in collaborazione con l’azienda bolognese Angiodroid srl, è quello di realizzare un dispositivo medico in grado migliorare la qualità delle immagini ottenute con CO2 a livello addominale. Infatti, col recente utilizzo della CO2 anche nel distretto addominale si riduce drasticamente l’utilizzo di grandi quantità di iodio, ma, in molti pazienti, il movimento della aria intestinale che ha coefficiente di assorbimento simile all’anidride carbonica, rende l’immagine inefficiente. Il progetto consiste in una fascia addominale composta da tre camere d’aria gonfiabili manualmente, che comprimendo l’addome con pressioni di 120-180 mmHg, spostano l’aria e riducono il movimento intestinale, e quindi gli artefatti. L’uso di questa semplice fascia, migliorando le immagini dei distretti addominale e viscerale, potrebbe permettere una più rapida affermazione dell’angiografia con CO2 anche in procedure come EVAR e PTA iliache. Per individuare la procedura d’utilizzo più adeguata e migliorare il dispositivo secondo le necessità cliniche, la fascia è stata provata in alcune sale angiografiche dell’Emilia Romagna, Lombardia e Campania.

Sviluppo di un sistema di stima dei tempi di percorrenza di itinerari stradali in funzione delle condizioni meteorologiche

Con il concetto di Smart Mobility si intende il nuovo modo di approcciarsi alla mobilità, avendo come obbiettivo quello di soddisfare le esigenze di trasporto di merci e persone nella maniera più efficace e sostenibile possibile. Dall'idea di mobilità intelligente nasce il progetto SMALL con il fine di realizzare un'infrastruttura tale da fornire i servizi fondamentali per la cooperazione tra operatori legati alla Smart Mobility. Questa tesi si colloca nello scenario SMALL, ed ha come obbiettivo la creazione del prototipo di un programma in grado di prevedere il tempo di percorrenza futuro di una strada in base alle condizioni meteorologiche previste.