Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Analisi di tecniche per l'estrazione di informazioni da documenti testuali e non strutturati

Obiettivo di questa tesi dal titolo “Analisi di tecniche per l’estrazione di informazioni da documenti testuali e non strutturati” è quello di mostrare tecniche e metodologie informatiche che permettano di ricavare informazioni e conoscenza da dati in formato testuale. Gli argomenti trattati includono l'analisi di software per l'estrazione di informazioni, il web semantico, l'importanza dei dati e in particolare i Big Data, Open Data e Linked Data. Si parlerà inoltre di data mining e text mining.

Function Point e Real Time Software: caso di studio reale

La tesi si pone come obiettivo quello di analizzare dal punto di vista funzionale il software embedded real - time installato su di una applicazione industriale, utilizzando la prima release per calibrare il sistema in modo da poter stimare il numero di linee di codice necessarie per lo sviluppo delle versioni successive. Durante questo studio sono stati applicati i metodi indicati dall'ingegneria del software per contare le linee di codice sorgente dell'applicativo e stimarne i function point, analizzando ed individuando le problematiche relative all'utilizzo di tali strumenti su software di tipo real - time.

Software dispositivo medico: Analisi del rischio e integrazione nelle reti-it

In questa tesi faremo prima una panoramica sui dispositivi medici e, in particolare, andremo ad approfondire l’aspetto del software come dispositivo medico; successivamente andremo ad analizzare il sistema, definito “nuovo approccio”, che regolamenta l’immissione in commercio dei dispositivi medici all’interno del mercato europeo per andare poi ad analizzare la parte sulla gestione del rischio che è fondamentale per raggiungere la conformità soprattutto quando si tratta di dispositivi medici. Nel secondo capitolo, andremo poi ad analizzare il report tecnico IEC 80002-1 del 2009 che fornisce una guida, destinata al software, per l’applicazione dei requisiti contenuti nella normativa CEI UNI EN ISO 14971:2007. Nel terzo capitolo, visto il sempre maggior numero di dispositivi medici dotati di interfaccia di rete andremo ad analizzare il report tecnico IEC 80001 del 2009 per la gestione dei rischi delle reti IT medicali che incorporano tali dispositivi rivolto alle aziende ospedaliere.

Realtà aumentata per dispositivi android: lo stato dell'arte

Obiettivo di questa tesi è quello di illustrare il mondo della realtà aumentata (AR) ed in particolare delle tecnologie software disponibili per lo sviluppo di applicazioni su dispositivi Android. Si partirà dal darne una definizione e riassumerne i principali fatti storici, all'illustrarne i vari hardware disponibili sul mercato e le tecnologie software per sviluppare progetti. Non verranno tralasciati utilizzi e settori di ricerca, e si presenterà poi il sistema operativo Android. Dopo uno sguardo alla sua architettura e alle sue caratteristiche, nonché al linguaggio di programmazione Java, cardine per lo sviluppo in questo sistema, si presenteranno alcune API dell'SDK nativo che si rivelano utili per lo sviluppo di applicazioni per la realtà aumentata. Infine, verrà presentato un approfondimento sull'SDK Metaio.

Approccio metodologico per la valutazione del rischio dovuto agli sversamenti accidentali di petrolio in mare

Il trasporto del petrolio via mare tramite navi petroliere è molto utilizzato per congiungere i paesi produttori con quelli consumatori. Durante il trasporto possono avvenire rilasci accidentali di petrolio in mare, con contaminazione anche estesa dell’ambiente marino. La stima del rischio di contaminazione ambientale imputabile alle attività di trasporto via mare è fondamentale al fine di ridurre il rischio stesso. Per prevedere il destino degli sversamenti di olio in mare, sono stati sviluppati diversi software che simulano lo spostamento della chiazza di olio rilasciato e le trasformazioni chimico-fisiche cui essa è soggetta, dette fenomeni di oil weathering. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di individuare un software per la simulazione del destino dei rilasci di olio in mare idoneo ad essere utilizzato nell’ambito di una innovativa metodologia di valutazione del rischio per l’ambiente marino. A tal fine sono stati studiati e confrontati, sia da un punto di vista teorico sia tramite l’applicazione a casi di studio, i software GNOME, ADIOS e OSCAR; dal confronto è emerso che GNOME e ADIOS contengono modelli semplificati per simulare i fenomeni di oil weathering subiti da una chiazza di olio formatasi a seguito di un rilascio. Rispetto ai software GNOME e ADIOS, OSCAR è molto più complesso e articolato; richiede numerosi dati in ingresso, ma fornisce in uscita una descrizione dello scenario più aderente alla realtà. Un’importante peculiarità di OSCAR, che lo rende estremamente vantaggioso nell’ambito di una metodologia di valutazione del rischio, consiste nel fatto che esso dispone di una modalità di funzionamento stocastica. Per validare l’utilizzo di OSCAR nell’ambito di una metodologia di valutazione del rischio, se ne è effettuata l’applicazione ad un caso di studio, ovvero alla rotta da Suez a Porto Marghera. Si è pertanto osservato che il rischio derivante da un rilascio di olio in mare è dipendente dal punto in cui questo rilascio avviene. È dunque possibile concludere che il software OSCAR è uno strumento valido nell’analisi del rischio ambientale derivante da sversamenti di olio in mare. Il lavoro di tesi è strutturato come descritto nel seguito. Il Capitolo 1 è introduttivo e, dopo aver descritto la problematica legata agli sversamenti di idrocarburi in mare, elenca e spiega i fenomeni di oil weathering. Il Capitolo 2 è incentrato sulle caratteristiche e sul confronto dei software dell’ente americano NOAA, ossia ADIOS e GNOME. Il Capitolo 3 si occupa della descrizione del software OSCAR dell’ente norvegese SINTEF. Il Capitolo 4 riporta la metodologia seguita per il calcolo del rischio di contaminazione del mare, ripresa da una metodologia per il calcolo del rischio già consolidata nell’industria di processo relativa all’uomo. Il Capitolo 5 introduce il caso di studio, ovvero l’applicazione della metodologia alla rotta da Suez a Marghera. Il Capitolo 6 riporta alcune considerazioni conclusive.

Progettazione di un applicativo di supporto al monitoraggio di team situati

Lo scopo della tesi e quello di giungere alla realizzazione di un prototipo, che si basi su tecnologie specifiche quali GPS, Android e Bluetooth, per l'infrastruttura di un sistema che può essere visto come l'unione di tre macro parti distinte, centrale di controllo, dispositivo mobile e pulsossimetro. Concentrandosi in particolare sugli ultimi due componenti citati e realizzando un sistema di comunicazione che si basa su un Web Service ispirato al modello REST, si giungerà, attraverso un attento processo logico dettato dai canoni dell'ingegneria del software, al prototipo finale. Il prototipo che sarà realizzato rappresenterà oltre che un primo sistema funzionante e operativo, un punto di partenza per estensioni future, con lo scopo di perfezionare le funzionalità già esistenti o di fornirne di aggiuntive.

Sviluppo di un modulo di acquisizione dati ad elevato throughput da amplificatori per elettrofisiologia

Lo scopo dell'elaborato di tesi è la progettazione e lo sviluppo di alcuni moduli di un software per la lettura ad elevato throughput di dati da particolari dispositivi per elettrofisiologia sviluppati dall'azienda Elements s.r.l. Elements produce amplificatori ad alta precisione per elettrofisiologia, in grado di misurare correnti a bassa intensità prodotte dai canali ionici. Dato il grande sviluppo che l'azienda sta avendo, e vista la previsione di introdurre sul mercato nuovi dispositivi con precisione e funzionalità sempre migliori, Elements ha espresso l'esigenza di un sistema software che fosse in grado di supportare al meglio i dispositivi già prodotti, e, soprattutto, prevedere il supporto dei nuovi, con prestazioni molto migliori del software già sviluppato da loro per la lettura dei dati. Il software richiesto deve fornire una interfaccia grafica che, comunicando con il dispositivo tramite USB per leggere dati da questo, provvede a mostrarli a schermo e permette di registrarli ed effettuare basilari operazioni di analisi. In questa tesi verranno esposte analisi, progettazione e sviluppo dei moduli di software che si interfacciano direttamente con il dispositivo, quindi dei moduli di rilevamento, connessione, acquisizione ed elaborazione dati.

Progettazione e sviluppo di un ecosistema per la gestione di studi dentistici

La tesi, come da titolo, progettazione e sviluppo di un ecosistema per la gestione di studi dentistici, tratta propriamente di un insieme di programmi software per gestire al meglio uno studio dentistico. Uno dei due software dell'ecosistema, consente al medico dentista di effettuare una gestione dei pazienti e dei relativi trattamenti svolti all'interno dello studio dentistico dal personale medico. I dati sono conseguentemente salvati all'interno di un database centrale. Il secondo software, più nello specifico un sito web, consente ai pazienti, mediante username e password, di accedere all'area riservata e monitorare i propri dati personali ed i trattamenti effettuati dal personale medico all'interno dello studio. Il software in uso nello studio del dentista consente quindi sia lettura che scrittura dei dati sul database. Il sito consente solamente la lettura dei dati stessi.

Analisi comparativa di soluzioni per la post-elaborazione di dati sperimentali

Durante l’esecuzione di prove al banco su motori a combustione interna vengono acquisiti dati contenenti le caratteristiche del motore testato al regime di funzionamento scelto, sotto l’azione di alcuni o numerosi parametri variabili in base ai risultati che si vogliono ottenere dalla prova stessa ed in determinate condizioni ambientali. Per questo motivo è di fondamentale importanza disporre di uno strumento che consenta una rapida, ma allo stesso tempo precisa e quanto più possibile completa visualizzazione ed elaborazione di tali dati. A tale scopo con questo elaborato si vogliono valutare diverse soluzioni, in termini di software, per l’analisi di dati sperimentali, con particolare attenzione rivolta agli ambienti NI LabVIEW, The MathWorks MATLAB e NI DIAdem, e ad alcuni strumenti attualmente in uso, cercando sempre il giusto compromesso tra necessità riscontrate in ambito visualizzazione ed analisi dati ed il contenimento dei costi. Vengono, in seguito, esposte le motivazioni che hanno portato alla scelta di DIAdem per implementare le procedure di post-elaborazione dei dati.

Sistemi di Mobile-Health per il monitoraggio e l'assistenza alla gravidanza

Con il termine "Mobile-Health" si intende l’uso di tecnologie mobili in ambito medico-sanitario. Questa tesi si propone di fornire un quadro generale di come i sistemi di Mobile-Health possano aiutare nell'assistenza e nel monitoraggio della gravidanza. Attraverso l'analisi delle ricerche effettuate in questo campo, e lo studio dei sistemi attualmente utilizzati in ambito ospedaliero, si cerca di valutare se effettivamente questo tipo di tecnologie può fornire un contributo significativo nell'assistere le donne incinte. Viene trattato il tema del Self-Management che riguarda appunto l'auto-gestione della propria condizione di salute attraverso l’uso di tecnologie mobili. Vengono introdotti problemi e complicazioni della gravidanza e i corrispettivi trattamenti. Si analizzano studi e ricerche che riguardano dispositivi e software per le donne incinte, compreso il tema delle “app mediche”. Infine, grazie al contributo delle dottoresse Iliana Colonna e Marina Carfagna (coordinatrici ostetriche negli ospedali di Rimini e Cesena), si presenta una panoramica sull’attuale uso di tecnologie nei reparti ospedalieri di ostetricia.

Segmentazione automatica di immagini TC per lo studio della composizione corporea

Segmentare un’immagine significa riconoscere al suo interno elementi con caratteristiche comuni e raggrupparli, distinguendoli dagli elementi che posseggono caratteristiche diverse; si parla di segmentazione automatica quando questo processo è eseguito completamente da un software senza l’intervento umano. Segmentare le immagini TC, molto diffuse in ambito diagnostico, permette di estrarre una grande quantità di dati dall’alto valore prognostico e predittivo della composizione corporea del paziente. Tuttavia, a causa della scarsa diffusione di software per la segmentazione automatica, tutti questi dati non vengono utilizzati. Il presente lavoro di tesi si propone di riportare lo stato dell’arte sulla segmentazione, sia manuale sia automatica, dei tessuti corporei in immagini TC. Vengono spiegati i vantaggi dell’utilizzo di grandezze CT-derived rispetto a molti dei protocolli odierni e vengono esposti gli attuali livelli di accuratezza delle segmentazioni effettuate con metodi automatici. Inoltre, ci si sofferma, cercando di quantificarli, sugli effetti del mezzo di contrasto sulle grandezze CT-derived, poiché questi possono generare errori nella segmentazione automatica dei tessuti. Infine, viene esposto l’approccio 3D alla segmentazione in contrapposizione al metodo single slice, con il primo caratterizzato da un’accuratezza maggiore del secondo. Per accedere alla versione aggiornata e corretta, contattare l'autore ai seguenti indirizzi: simone.chiarella@studio.unibo.it; simonechiarella99@gmail.com

Analisi di strategie computazionali per il gioco Forza4 generalizzato

L’Intelligenza Artificiale (IA), sin dalla sua introduzione, si è occupata dei giochi, ponendo l’attenzione a quelli detti a informazione perfetta e a somma zero e sequenziali (Tris, Scacchi e Forza4). Dalla Teoria dei Giochi è derivato il modello Minimax, che sfrutta l'albero di gioco per effettuare una ricerca in profondità allo scopo di minimizzare la massima perdita possibile per individuare la mossa migliore da giocare. Tuttavia, il limite di tale algoritmo risiede nel tempo necessario al calcolo (per alberi profondi e di grandi dimensioni) che, in alcuni casi, può essere considerevole. Per mitigare tale problema, è stato introdotta la proposta Alpha-Beta, che attua delle potature sull’albero di gioco grazie l’introduzione di due nuove variabili dette, appunto, alpha e beta. Tale approccio è stato ulteriormente migliorato ricorrendo all’utilizzo del concetto di funzione euristica e introducendo un limite di profondità al quale fermare la ricorsione del modello Alpha-Beta. Tale limite, tuttavia, determina il problema dell’effetto orizzonte, legato al fatto che fermarsi a una profondità intermedia dell’albero può portare l’algoritmo a non vedere delle alcune mosse migliori che possono situarsi nel sotto albero del nodo a cui si ferma la ricerca, appunto l’orizzonte. Ulteriori accorgimenti, come l'algoritmo ad approfondimento iterativo (Iterative Deepening) e il salvataggio degli stati di gioco in una tabella hash, possono ridurre in modo significativo il tempo di calcolo. Partendo da questi studi, sono stati sviluppati degli agenti software per ConnectX, un gioco sviluppato in Java a somma zero e a informazione perfetta come Forza4. Le implementazioni sono state testate su 39 diverse configurazioni di gioco, dimostrando che l'agente PlayerSoft risulta il più ottimale e che l'implementazione della funzione euristica rappresenta un buon compromesso tra complessità di calcolo e risultato atteso.

Un bridge tra sistemi di bordo e di terra per prevenire minacce informatiche alla sicurezza delle infrastrutture critiche dei trasporti ferroviari

Il progetto di tesi nasce dall’interesse e dalla passione verso il mondo della Cybersecurity, che da sempre segna il mio percorso accademico e di vita, ma che durante questo ultimo anno di università ha avuto particolare rilevanza. Il progetto è stato svolto con il supporto e la supervisione del team Railway dell’azienda ALTEN Italia presso la sede di Bologna. Il lavoro di tesi mira allo sviluppo di un componente software che rappresenta un livello aggiuntivo di sicurezza nella comunicazione tra sistemi di bordo e di terra. In particolare, il progetto si pone come obiettivo la creazione di un Bridge, ovvero un componente software indipendente e configurabile che si interfaccia sia con il client che con il server, con lo scopo di garantire autenticità e cifratura dei messaggi scambiati tra le due entità. Inoltre, la potenza del Bridge sta nel fatto che nasce come possibile soluzione ai problemi di sicurezza informatica in ambito ferroviario, ma la sua applicabilità può essere estesa anche ad altri settori in cui sia presente una comunicazione client/server da rendere sicura. Infatti, tale software risulta particolarmente flessibile e adattabile, attraverso l’impostazione a priori di parametri di configurazione, in base al tipo di comunicazione che si desidera implementare tra le due entità. Per questo motivo, si ritiene che la forza del progetto sia la possibilità di fornire una soluzione software per proteggere l’infrastruttura critica dei trasporti ferroviari da eventuali minacce informatiche, ma anche la capacità adattiva del Bridge, in grado di svolgere le sue funzioni di sicurezza in un ampio ventaglio di ambiti di applicazione.

Diagnosi non distruttiva di murature di laterizio: applicazioni di tomografia sonica in laboratorio

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea si sviluppa all’interno del progetto di ricerca europeo SmooHs (Smart Monitoring of Historic Structures-Monitoraggio intelligente di edifici e strutture storiche) nell’ambito del 7 Programma Quadro della Commissione Europea. Gli edifici storici sono caratterizzati da elementi architettonici, materiali e soluzioni progettuali uniche e pertanto da valorizzare. Al fine si salvaguardare tali beni storici si richiede una conoscenza approfondita dei processi di deterioramento, legati spesso a fattori ambientali, e una loro rilevazione immediata. Il monitoraggio continuo dei possibili parametri che influenzano i suddetti processi può contribuire significativamente, ma un’applicazione estesa di questa tecnica è finora fallita a causa dei costi elevati di sistemi completi di monitoraggio; per questo sono stati osservati solitamente pochi parametri. L’obiettivo del progetto prevede lo sviluppo di strumenti di monitoraggio e diagnostica competitivi per gli specialisti nel settore che vada al di là del mero accumulo di dati. La normativa, in particolare le Linee Guida per l’applicazione al patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’Ordinanza PCM-3274 del 2005, evidenziano l’importanza di raggiungere un elevato livello di informazione dell’oggetto e del suo comportamento strutturale attraverso un percorso conoscitivo pluriramificato. “Si ha pertanto la necessità di affinare tecniche di analisi ed interpretazione dei manufatti storici mediante fasi conoscitive dal diverso grado di attendibilità, anche in relazione al loro impatto. La conoscenza può infatti essere conseguita con diversi livelli di approfondimento, in funzione dell’accuratezza delle operazioni di rilievo, delle ricerche storiche e delle indagini sperimentali” (Linee guida per l’applicazione all patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’ordinanza PCM-3274, 2005). Per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica dei materiali, la normativa cita “Tecniche diagnostiche non distruttive di tipo indiretto, quali prove soniche ed ultrasoniche, consentono di valutare l’omogeneità dei parametri meccanici nelle diverse parti della costruzione, ma non forniscono stime quantitative attendibili dei loro valori, in quanto essi vengono desunti dalla misura di altre grandezze”. Non viene identificata una procedura univoca di prove non distruttive per ciascuna tipologia edilizia, pertanto ci domandiamo quale sia la procedura più idonea da utilizzare, considerando il tipo di risultato che si vuole ottenere. Si richiedono quindi degli studi di fattibilità di diverse tecniche non distruttive, soprattutto tecniche per immagini che diano un risultato più immediato da comprendere. Per questo scopo è stato impostato un programma di ricerca per valutare l’efficacia di una tecnica non distruttiva, la tomografia sonica, su provini in muratura costruiti nei laboratori del LaRM (Laboratorio di Resistenza dei Materiali del DISTART dell’Università di Bologna), reputando questa la strada da percorrere verso una diagnostica strutturale sempre più dettagliata. I provini in muratura di laterizio PNDE e PNDF, presentano al loro interno dei difetti (in polistirolo espanso) di geometria e posizione nota e diverse tessiture murarie (muratura di laterizio tradizionale e muratura a sacco). Nel capitolo 2 vengono descritte le caratteristiche e le basi teoriche delle prove soniche e di altre tecniche non distruttive, al fine di poterne fare un confronto. La tomografia sonica è definita e sono illustrate le sue peculiarità; vengono inoltre riportati alcuni esempi di applicazioni della stessa su strutture storiche lignee e murarie. Nel capitolo 3 sono presentati i provini oggetto di studio ed introdotto qualche accenno sulla natura delle murature di laterizio. Sono specificati i corsi e le sezioni verticali sui quali viene sperimentata la tomografia; essi hanno precise caratteristiche che permettono di eseguire una sperimentazione mirata all’individuazione di anomalie in una sezione e al riconoscimento di diverse tessiture murarie. Nel capitolo 4 è illustrata la procedura di acquisizione dei dati in laboratorio e di rielaborazione degli stessi nella fase di post-processing. Dopo aver scelto, in base alla risoluzione, la distanza che intercorre tra le stazioni di misura, sono stati progettati i vari percorsi uscenti da ogni stazione trasmittente, andando a definire i ray-paths delle sezioni sia orizzontali che verticali. I software per il calcolo dei tempi di volo (in ambiente LabView) e per l’inversione degli stessi (Geotom) sono presentati e vengono definite le istruzioni per l’utilizzo. Il capitolo 5 assieme al capitolo 6, mostra i risultati ottenuti dall’inversione dei tempi di volo. Per i diversi corsi orizzontali e sezioni verticali sono riportate le mappe di velocità ottenute al variare di diversi parametri di settaggio impostati nel software tomografico. Le immagini tomografiche evidenziano le caratteristiche interne delle sezioni studiate, in base alla risoluzione geometrica della tecnica. Nel capitolo 7 e 8 sono mostrati i risultati delle prove soniche dirette applicate sia sui corsi verticali sia sulle sezioni verticali. Le stazioni di misura considerate sono le stesse utilizzate per la tomografia. Il capitolo 9 riporta il confronto tra le mappe di velocità prodotte dalla tomografia sonica e gli istogrammi delle velocità registrate nelle prove soniche dirette. Si evidenziano le differenze nell’individuazione di difetti tra due metodologie differenti. Infine sono riportate le conclusioni sul lavoro svolto. I limiti e i vantaggi della tecnica tomografica vengono desunti dai risultati ottenuti per varie tipologie di sezioni, a confronto anche con risultati di prove soniche dirette. Ciò ci porta a definire la fattibilità di utilizzo della tomografia sonica nella diagnosi delle strutture in muratura.