Towards a Smart Campus Digital Twin: Promoting Awareness and Sustainability Through Wayfinding and Real-Time Environmental Data

The newly inaugurated Navile District of the University of Bologna is a complex created along the Navile canal, that now houses various teaching and research activities for the disciplines of Chemistry, Industrial Chemistry, Pharmacy, Biotechnology and Astronomy. A Building Information Modeling system (BIM) gives staff of the Navile campus several ways to monitor buildings in the complex throughout their life cycle, one of which is the ability to access real-time environmental data such as room temperature, humidity, air composition, and more, thereby simplifying operations like finding faults and optimizing environmental resource usage. But smart features at Navile are not only available to the staff: AlmaMap Navile is a web application, whose development is documented in this thesis, that powers the public touch kiosks available throughout the campus, offering maps of the district and indications on how to reach buildings and spaces. Even if these two systems, BIM and AlmaMap, don't seem to have many similarities, they share the common intent of promoting awareness for informed decision making in the campus, and they do it while relying on web standards for communication. This opens up interesting possibilities, and is the idea behind AlmaMap Navile 2.0, an app that interfaces with the BIM system and combines real-time sensor data with a comfort calculation algorithm, giving users the ability not just to ask for directions to a space, but also to see its comfort level in advance and, should they want to, check environmental measurements coming from each sensor in a granular manner. The end result is a first step towards building a smart campus Digital Twin, that can support all the people who are part of the campus life in their daily activities, improving their efficiency and satisfaction, giving them the ability to make informed decisions, and promoting awareness and sustainability.

From point cloud to HBIM: an integrated workflow for 3D reconstruction of heritage building with model accuracy evaluation

Modern society is now facing significant difficulties in attempting to preserve its architectural heritage. Numerous challenges arise consequently when it comes to documentation, preservation and restoration. Fortunately, new perspectives on architectural heritage are emerging owing to the rapid development of digitalization. Therefore, this presents new challenges for architects, restorers and specialists. Additionally, this has changed the way they approach the study of existing heritage, changing from conventional 2D drawings in response to the increasing requirement for 3D representations. Recently, Building Information Modelling for historic buildings (HBIM) has escalated as an emerging trend to interconnect geometrical and informational data. Currently, the latest 3D geomatics techniques based on 3D laser scanners with enhanced photogrammetry along with the continuous improvement in the BIM industry allow for an enhanced 3D digital reconstruction of historical and existing buildings. This research study aimed to develop an integrated workflow for the 3D digital reconstruction of heritage buildings starting from a point cloud. The Pieve of San Michele in Acerboli’s Church in Santarcangelo Di Romagna (6th century) served as the test bed. The point cloud was utilized as an essential referential to model the BIM geometry using Autodesk Revit® 2022. To validate the accuracy of the model, Deviation Analysis Method was employed using CloudCompare software to determine the degree of deviation between the HBIM model and the point cloud. The acquired findings showed a very promising outcome in the average distance between the HBIM model and the point cloud. The conducted approach in this study demonstrated the viability of producing a precise BIM geometry from point clouds.

HBIM methodology for structural preservation of historical buildings: the semantic modeling of the San Felice sul Panaro fortress

Building Information Modelling is changing the design and construction field ever since it entered the market. It took just some time to show its capabilities, it takes some time to be mastered before it could be used expressing all its best features. Since it was conceived to be adopted from the earliest stage of design to get the maximum from the decisional project, it still struggles to adapt to existing buildings. In fact, there is a branch of this methodology that is dedicated to what has been already made that is called Historic BIM or HBIM. This study aims to make clear what are BIM and HBIM, both from a theoretical point of view and in practice, applying from scratch the state of the art to a case study. It had been chosen the fortress of San Felice sul Panaro, a marvellous building with a thousand years of history in its bricks, that suffered violent earthquakes, but it is still standing. By means of this example, it will be shown which are the limits that could be encountered when applying BIM methodology to existing heritage, moreover will be pointed out all the new features that a simple 2D design could not achieve.

Utilizzo del Software OpenStack per la realizzazione di Piattaforme "Cloud"

Il Cloud computing è probabilmente l'argomento attualmente più dibattuto nel mondo dell'Information and Communication Technology (ICT). La diffusione di questo nuovo modo di concepire l'erogazione di servizi IT, è l'evoluzione di una serie di tecnologie che stanno rivoluzionando le modalit à in cui le organizzazioni costruiscono le proprie infrastrutture informatiche. I vantaggi che derivano dall'utilizzo di infrastrutture di Cloud Computing sono ad esempio un maggiore controllo sui servizi, sulla struttura dei costi e sugli asset impiegati. I costi sono proporzionati all'eettivo uso dei servizi (pay-per-use), evitando dunque gli sprechi e rendendo più efficiente il sistema di sourcing. Diverse aziende hanno già cominciato a provare alcuni servizi cloud e molte altre stanno valutando l'inizio di un simile percorso. La prima organizzazione a fornire una piattaforma di cloud computing fu Amazon, grazie al suo Elastic Computer Cloud (EC2). Nel luglio del 2010 nasce OpenStack, un progetto open-source creato dalla fusione dei codici realizzati dall'agenzia governativa della Nasa[10] e dell'azienda statunitense di hosting Rackspace. Il software realizzato svolge le stesse funzioni di quello di Amazon, a differenza di questo, però, è stato rilasciato con licenza Apache, quindi nessuna restrizione di utilizzo e di implementazione. Oggi il progetto Openstack vanta di numerose aziende partner come Dell, HP, IBM, Cisco, e Microsoft. L'obiettivo del presente elaborato è quello di comprendere ed analizzare il funzionamento del software OpenStack. Il fine principale è quello di familiarizzare con i diversi componenti di cui è costituito e di concepire come essi interagiscono fra loro, per poter costruire infrastrutture cloud del tipo Infrastructure as a service (IaaS). Il lettore si troverà di fronte all'esposizione degli argomenti organizzati nei seguenti capitoli. Nel primo capitolo si introduce la definizione di cloud computing, trattandone le principali caratteristiche, si descrivono poi, i diversi modelli di servizio e di distribuzione, delineando vantaggi e svantaggi che ne derivano. Nel secondo capitolo due si parla di una delle tecnologie impiegate per la realizzazione di infrastrutture di cloud computing, la virtualizzazione. Vengono trattate le varie forme e tipologie di virtualizzazione. Nel terzo capitolo si analizza e descrive in dettaglio il funzionamento del progetto OpenStack. Per ogni componente del software, viene illustrata l'architettura, corredata di schemi, ed il relativo meccanismo. Il quarto capitolo rappresenta la parte relativa all'installazione del software e alla configurazione dello stesso. Inoltre si espongono alcuni test effettuati sulla macchina in cui è stato installato il software. Infine nel quinto capitolo si trattano le conclusioni con le considerazioni sugli obiettivi raggiunti e sulle caratteristiche del software preso in esame.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Tecniche Cloud Avanzate per Adaptive Hadoop Load Balancing tramite Sahara

Ogni giorno vengono generati grandi moli di dati attraverso sorgenti diverse. Questi dati, chiamati Big Data, sono attualmente oggetto di forte interesse nel settore IT (Information Technology). I processi digitalizzati, le interazioni sui social media, i sensori ed i sistemi mobili, che utilizziamo quotidianamente, sono solo un piccolo sottoinsieme di tutte le fonti che contribuiscono alla produzione di questi dati. Per poter analizzare ed estrarre informazioni da questi grandi volumi di dati, tante sono le tecnologie che sono state sviluppate. Molte di queste sfruttano approcci distribuiti e paralleli. Una delle tecnologie che ha avuto maggior successo nel processamento dei Big Data, e Apache Hadoop. Il Cloud Computing, in particolare le soluzioni che seguono il modello IaaS (Infrastructure as a Service), forniscono un valido strumento all'approvvigionamento di risorse in maniera semplice e veloce. Per questo motivo, in questa proposta, viene utilizzato OpenStack come piattaforma IaaS. Grazie all'integrazione delle tecnologie OpenStack e Hadoop, attraverso Sahara, si riesce a sfruttare le potenzialita offerte da un ambiente cloud per migliorare le prestazioni dell'elaborazione distribuita e parallela. Lo scopo di questo lavoro e ottenere una miglior distribuzione delle risorse utilizzate nel sistema cloud con obiettivi di load balancing. Per raggiungere questi obiettivi, si sono rese necessarie modifiche sia al framework Hadoop che al progetto Sahara.

Structural steel design with BIM technology - interventions on a three buildings block in Deruta (PG)

The aim of this thesis is to use the developments, advantages and applications of "Building Information Modelling" (BIM) with emphasis on the discipline of structural design for steel building located in Perugia. BIM was mainly considered as a new way of planning, constructing and operating buildings or infrastructures. It has been found to offer greater opportunities for increased efficiency, optimization of resources and generally better management throughout the life cycle of a facility. BIM increases the digitalization of processes and offers integrated and collaborative technologies for design, construction and operation. To understand BIM and its benefits, one must consider all phases of a project. Higher initial design costs often lead to lower construction and operation costs. Creating data-rich digital models helps to better predict and coordinate the construction phases and operation of a building. One of the main limitations identified in the implementation of BIM is the lack of knowledge and qualified professionals. Certain disciplines such as structural and mechanical design depend on whether the main contractor, owner, general contractor or architect need to use or apply BIM to their projects. The existence of a supporting or mandatory BIM guideline may then eventually lead to its adoption. To test the potential of the BIM adoption in the steel design process, some models were developed taking advantage of a largely diffuse authoring software (Autodesk Revit), to produce construction drawings and also material schedule that were needed in order to estimate quantities and features of a real steel building. Once the model has been built the whole process has been analyzed and then compared with the traditional design process of steel structure. Many relevant aspect in term of clearness and also in time spent were shown and lead to final conclusions about the benefits from BIM methodology.

Serverless Computing il caso Google Cloud Functions

Il serverless é un paradigma del cloud computing al giorno d’oggi sempre più diffuso; si basa sulla scrittura di funzioni stateless in quanto le attività relative alla loro manutenzione e scalabilità fanno capo al provider dei servizi cloud. Lo sviluppatore deve quindi solamente concentrarsi sulla creazione del prodotto. Questo lavoro si apre con un’analisi del cloud computing introducendo i principali modelli di applicazione, passando dal parlare di servizi cloud, con le varie sottocategorie e i relativi utilizzi per poi arrivare a parlare di serverless. Si é scelto di focalizzarsi sulla piattaforma Google con la suite: Google Cloud Platform. In particolare, si parlerà di Google Cloud Functions, una nuova offerta serverless della compagnia, di recente sviluppo e in continuo aggiornamento. Partiremo dalle prime release, analizzeremo l’ambiente di sviluppo, i casi d’uso, vantaggi, svantaggi, parleremo poi di portabilità e verranno mostrati alcuni esempi del loro utilizzo.

HBIM to Virtual Reality Workflow for Industrial Archaeology Immovable Assets’ Management: A Case Study

As a witness on the industrialization in Bologna, since its first generation was born in the late 1760, the Battiferro lock has been coping with the innovation that the city experienced throughout the centuries, until it has lost its functionality due to the technological development for which Bologna’s canals were gradually covered starting from the 1950s under Giuseppe Dozza ’s administration, as part of the reconstruction, reclamation and urban requalification that was carried out in the aftermath the World War II and which involved the whole city. The interest of the research carried out on this case study was primarily to reintroduce the landmark that is still intact, to what is considered to be the fourth generation of the industrial revolution, namely in the construction field, which is recognized as Construction 4.0, by means of the Historic (or Heritage) Information Modeling HBIM and Virtual Reality (VR) application. A scan-to-BIM approach was followed to create 3D as-built BIM model, as a first step towards the storytelling of the abandoned industrial built asset in VR environment, or as a seed for future applications such as Digital Twins (DT), heritage digital learning, sustainable impact studies, and/or interface with other interfaces such as GIS. Based on the HBIM product, examples of the primary BIM deliverables such as 2D layouts is given, then a workflow to VR is proposed and investigated the reliability of data and the type of users that may benefit of the VR experience, then the potential future development of the model is investigated, with comparison of a relatively similar experience in the UK.

Progettazione e Sviluppo di un Sistema Cloud P2P

La tesi si colloca nell'ambito del Cloud Computing, un modello in grado di abilitare l’accesso in rete in maniera condivisa, pratica e on-demand, di diverse risorse computazionali, come potenza di calcolo o memoria di massa. Questo lavoro ha come scopo la realizzazione di una Cloud privata, per la fornitura di servizi, basata su un’architettura P2P. L’elaborato vuole studiare il caso di un sistema P2P di livello infrastruttura (IaaS) e propone la realizzazione di un prototipo capace di sostenere un insime basilare di API. Verranno utilizzati protocolli di gossip per la costruzione dei servizi fondamentali.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.

Coordination as a Service (CaaS) in the Cloud

Nel primo capitolo si è studiata la nuova tecnologia del Cloud Computing, fornendo una semplice analisi di tutte le caratteristiche principali, gli attori coinvolti e i relativi metodi di distribuzione e servizi offerti. Nel secondo capitolo si è introdotta la nozione di coordination as a service, discutendone le relative astrazioni che compongono l'architettura logica. Successivamente si è preso in considerazione il modello di coordinazione TuCSoN definendo cosa si intende per nodo, agente, centro di tuple e agent coordination context ed è stato analizzato il relativo linguaggio di coordinazione attraverso il quale essi interagiscono. Nel terzo capitolo sono state riviste ed estese le nozioni di TuCSoN, precedentemente acquisite, nell'ambito del Cloud Computing ed è stato fornito un modello astratto ed una possibile architettura di TuCSoN in the Cloud. Sono stati analizzati anche gli aspetti di un possibile servizio di tale genere nello scenario di servizio pay-per-use. Infine nel quarto ed ultimo capitolo si è sviluppato un caso di studio in cui si è implementata un'interfaccia per l'attuale CLI di TuCSoN sottoforma di applet, che è stata poi inserita nel Cloud attraverso la piattaforma PaaS Cloudify.

Coordinazione embodied vs. Disembodied: TuCSon on cloud

Lo scopo della tesi è esplorare il nuovo dualismo tra calcolo situato e calcolo come mero servizio immateriale che si osserva nel rafforzarsi di due paradigmi apparentemente antitetici come Cloud Computing e Pervasive Computing. Si vuole quindi dimostrare che i due paradigmi sono complementari, e possibilmente sviluppare un modello e un approccio metodologico per sistemi distribuiti che sfrutti opportunamente le caratteristiche dei due paradigmi. A tale scopo si utilizzerà come caso di studio il modello TuCSoN con linguaggio ReSpecT, combinando opportunamente Situated ReSpecT con il modello Coordination as a Service (CaaS) espresso da TuCSoN on Cloud.

Pattern e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni cloud: Orleans come caso di studio.

Uno dei temi più discussi ed interessanti nel mondo dell’informatica al giorno d’oggi è sicuramente il Cloud Computing. Nuove organizzazioni che offrono servizi di questo tipo stanno nascendo ovunque e molte aziende oggi desiderano imparare ad utilizzarli, migrando i loro centri di dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ciò sta avvenendo anche grazie alla spinta sempre più forte che stanno imprimendo le grandi compagnie nella comunità informatica: Google, Amazon, Microsoft, Apple e tante altre ancora parlano sempre più frequentemente di Cloud Computing e si stanno a loro volta ristrutturando profondamente per poter offrire servizi Cloud adeguandosi così a questo grande cambiamento che sta avvenendo nel settore dell’informatica. Tuttavia il grande movimento di energie, capitali, investimenti ed interesse che l’avvento del Cloud Computing sta causando non aiuta a comprendere in realtà che cosa esso sia, al punto tale che oggi non ne esiste ancora una definizione univoca e condivisa. La grande pressione inoltre che esso subisce da parte del mondo del mercato fa sì che molte delle sue più peculiari caratteristiche, dal punto di vista dell’ingegneria del software, vengano nascoste e soverchiate da altre sue proprietà, architetturalmente meno importanti, ma con un più grande impatto sul pubblico di potenziali clienti. Lo scopo che mi propongo con questa tesi è quello quindi di cercare di fare chiarezza in quello che è il mondo del Cloud computing, focalizzandomi particolarmente su quelli che sono i design pattern più utilizzati nello sviluppo di applicazioni di tipo cloud e presentando quelle che oggi rappresentano le principali tecnologie che vengono utilizzate sia in ambito professionale, che in ambito di ricerca, per realizzare le applicazioni cloud, concentrandomi in maniera particolare su Microsoft Orleans.

Sicurezza, protezione e integrità nei sistemi cloud: Modelli, metodi e tecnologie

La natura distribuita del Cloud Computing, che comporta un'elevata condivisione delle risorse e una moltitudine di accessi ai sistemi informatici, permette agli intrusi di sfruttare questa tecnologia a scopi malevoli. Per contrastare le intrusioni e gli attacchi ai dati sensibili degli utenti, vengono implementati sistemi di rilevamento delle intrusioni e metodi di difesa in ambiente virtualizzato, allo scopo di garantire una sicurezza globale fondata sia sul concetto di prevenzione, sia su quello di cura: un efficace sistema di sicurezza deve infatti rilevare eventuali intrusioni e pericoli imminenti, fornendo una prima fase difensiva a priori, e, al contempo, evitare fallimenti totali, pur avendo subito danni, e mantenere alta la qualità del servizio, garantendo una seconda fase difensiva, a posteriori. Questa tesi illustra i molteplici metodi di funzionamento degli attacchi distribuiti e dell'hacking malevolo, con particolare riferimento ai pericoli di ultima generazione, e definisce le principali strategie e tecniche atte a garantire sicurezza, protezione e integrità dei dati all'interno di un sistema Cloud.