Synthetic data generation for the assessment of antimicrobial resistance through machine learning

As a consequence of the diffusion of next generation sequencing techniques, metagenomics databases have become one of the most promising repositories of information about features and behavior of microorganisms. One of the subjects that can be studied from those data are bacteria populations. Next generation sequencing techniques allow to study the bacteria population within an environment by sampling genetic material directly from it, without the needing of culturing a similar population in vitro and observing its behavior. As a drawback, it is quite complex to extract information from those data and usually there is more than one way to do that; AMR is no exception. In this study we will discuss how the quantified AMR, which regards the genotype of the bacteria, can be related to the bacteria phenotype and its actual level of resistance against the specific substance. In order to have a quantitative information about bacteria genotype, we will evaluate the resistome from the read libraries, aligning them against CARD database. With those data, we will test various machine learning algorithms for predicting the bacteria phenotype. The samples that we exploit should resemble those that could be obtained from a natural context, but are actually produced by a read libraries simulation tool. In this way we are able to design the populations with bacteria of known genotype, so that we can relay on a secure ground truth for training and testing our algorithms.

Robotic Manipulation of DLOs for Wiring Harness Assembly: a Machine Learning Approach

In recent times, a significant research effort has been focused on how deformable linear objects (DLOs) can be manipulated for real world applications such as assembly of wiring harnesses for the automotive and aerospace sector. This represents an open topic because of the difficulties in modelling accurately the behaviour of these objects and simulate a task involving their manipulation, considering a variety of different scenarios. These problems have led to the development of data-driven techniques in which machine learning techniques are exploited to obtain reliable solutions. However, this approach makes the solution difficult to be extended, since the learning must be replicated almost from scratch as the scenario changes. It follows that some model-based methodology must be introduced to generalize the results and reduce the training effort accordingly. The objective of this thesis is to develop a solution for the DLOs manipulation to assemble a wiring harness for the automotive sector based on adaptation of a base trajectory set by means of reinforcement learning methods. The idea is to create a trajectory planning software capable of solving the proposed task, reducing where possible the learning time, which is done in real time, but at the same time presenting suitable performance and reliability. The solution has been implemented on a collaborative 7-DOFs Panda robot at the Laboratory of Automation and Robotics of the University of Bologna. Experimental results are reported showing how the robot is capable of optimizing the manipulation of the DLOs gaining experience along the task repetition, but showing at the same time a high success rate from the very beginning of the learning phase.

Identificazione di caratteristiche rilevanti in capi di abbigliamento mediante deep-learning

Il mondo della moda è in continua e costante evoluzione, non solo dal punto di vista sociale, ma anche da quello tecnologico. Nel corso del presente elaborato si è studiata la possibilità di riconoscere e segmentare abiti presenti in una immagine utilizzando reti neurali profonde e approcci moderni. Sono state, quindi, analizzate reti quali FasterRCNN, MaskRCNN, YOLOv5, FashionPedia e Match-RCNN. In seguito si è approfondito l’addestramento delle reti neurali profonde in scenari di alta parallelizzazione e su macchine dotate di molteplici GPU al fine di ridurre i tempi di addestramento. Inoltre si è sperimentata la possibilità di creare una rete per prevedere se un determinato abito possa avere successo in futuro analizzando semplicemente dati passati e una immagine del vestito in questione. Necessaria per tali compiti è stata, inoltre, una approfondita analisi dei dataset esistenti nel mondo della moda e dei metodi per utilizzarli per l’addestramento. Il presente elaborato è stato svolto nell’ambito del progetto FA.RE.TRA. per il quale l'Università di Bologna svolge un compito di consulenza per lo studio di fattibilità su reti neurali in grado di svolgere i compiti menzionati.

LIFE4Pollinators app: gamification, citizen science e machine learning per la classificazione e monitoraggio degli insetti impollinatori

Il tema della biodiversità sta assumendo sempre più importanza negli ultimi decenni a causa delle condizioni di rischio, dovute alle attività umane, a cui l'intero mondo naturale è costantemente sottoposto. In questo contesto diventa sempre più importante l'educazione ambientale per aumentare la consapevolezza delle persone e per far si che ognuno possa adottare i dovuti accorgimenti nel rispetto e nella preservazione della natura. Questo progetto nasce con l'obiettivo di approfondire il tema della sensibilizzazione, attraverso lo sviluppo di una applicazione nativa android in grado di classificare gli insetti impollinatori e che, grazie all'integrazione di elementi di gamification, sia in grado di motivare l'utente ad approfondire le proprie conoscenze. Il progetto di tesi è suddiviso in tre capitoli: il primo descrive i concetti di biodiversità, gamification e citizen science su cui si basa l'elaborato; il secondo capitolo rappresenta la fase di progettazione per strutturare il database, le interfacce grafiche e per capire le tecnologie migliore da utilizzare; infine il terzo capitolo mostra l'implementazione completa del progetto, descrivendone nel dettaglio le funzionalità.

Meta-learning for informed model searches in Automated Machine Learning

Day by day, machine learning is changing our lives in ways we could not have imagined just 5 years ago. ML expertise is more and more requested and needed, though just a limited number of ML engineers are available on the job market, and their knowledge is always limited by an inherent characteristic of theirs: they are humans. This thesis explores the possibilities offered by meta-learning, a new field in ML that takes learning a level higher: models are trained on other models' training data, starting from features of the dataset they were trained on, inference times, obtained performances, to try to understand the relationship between a good model and the way it was obtained. The so-called metamodel was trained on data collected by OpenML, the largest ML metadata platform that's publicly available today. Datasets were analyzed to obtain meta-features that describe them, which were then tied to model performances in a regression task. The obtained metamodel predicts the expected performances of a given model type (e.g., a random forest) on a given ML task (e.g., classification on the UCI census dataset). This research was then integrated into a custom-made AutoML framework, to show how meta-learning is not an end in itself, but it can be used to further progress our ML research. Encoding ML engineering expertise in a model allows better, faster, and more impactful ML applications across the whole world, while reducing the cost that is inevitably tied to human engineers.

Methods for monitoring Machine Learning models

The following thesis aims to investigate the issues concerning the maintenance of a Machine Learning model over time, both about the versioning of the model itself and the data on which it is trained and about data monitoring tools and their distribution. The themes of Data Drift and Concept Drift were then explored and the performance of some of the most popular techniques in the field of Anomaly detection, such as VAE, PCA, and Monte Carlo Dropout, were evaluated.

ICE Emissions Estimation through Machine-learning techniques to support real-world R&D experiments

The emissions estimation, both during homologation and standard driving, is one of the new challenges that automotive industries have to face. The new European and American regulation will allow a lower and lower quantity of Carbon Monoxide emission and will require that all the vehicles have to be able to monitor their own pollutants production. Since numerical models are too computationally expensive and approximated, new solutions based on Machine Learning are replacing standard techniques. In this project we considered a real V12 Internal Combustion Engine to propose a novel approach pushing Random Forests to generate meaningful prediction also in extreme cases (extrapolation, very high frequency peaks, noisy instrumentation etc.). The present work proposes also a data preprocessing pipeline for strongly unbalanced datasets and a reinterpretation of the regression problem as a classification problem in a logarithmic quantized domain. Results have been evaluated for two different models representing a pure interpolation scenario (more standard) and an extrapolation scenario, to test the out of bounds robustness of the model. The employed metrics take into account different aspects which can affect the homologation procedure, so the final analysis will focus on combining all the specific performances together to obtain the overall conclusions.

Implementazione di un sistema di traduzione automatica: un caso di studio per la traduzione italiano-cinese

Il lavoro di tesi presentato è nato da una collaborazione con il Politecnico di Macao, i referenti sono: Prof. Rita Tse, Prof. Marcus Im e Prof. Su-Kit Tang. L'obiettivo consiste nella creazione di un modello di traduzione automatica italiano-cinese e nell'osservarne il comportamento, al fine di determinare se sia o meno possibile l'impresa. Il trattato approfondisce l'argomento noto come Neural Language Processing (NLP), rientrando dunque nell'ambito delle traduzioni automatiche. Sono servizi che, attraverso l'ausilio dell'intelligenza artificiale sono in grado di elaborare il linguaggio naturale, per poi interpretarlo e tradurlo. NLP è una branca dell'informatica che unisce: computer science, intelligenza artificiale e studio di lingue. Dal punto di vista della ricerca, le più grandi sfide in questo ambito coinvolgono: il riconoscimento vocale (speech-recognition), comprensione del testo (natural-language understanding) e infine la generazione automatica di testo (natural-language generation). Lo stato dell'arte attuale è stato definito dall'articolo "Attention is all you need" \cite{vaswani2017attention}, presentato nel 2017 a partire da una collaborazione di ricercatori della Cornell University.\\ I modelli di traduzione automatica più noti ed utilizzati al momento sono i Neural Machine Translators (NMT), ovvero modelli che attraverso le reti neurali artificiali profonde, sono in grado effettuare traduzioni o predizioni. La qualità delle traduzioni è particolarmente buona, tanto da arrivare quasi a raggiungere la qualità di una traduzione umana. Il lavoro infatti si concentrerà largamente sullo studio e utilizzo di NMT, allo scopo di proporre un modello funzionale e che sia in grado di performare al meglio nelle traduzioni da italiano a cinese e viceversa.

Machine Learning in Automatic Tabulation for Constraint Model Reformulation

Combinatorial decision and optimization problems belong to numerous applications, such as logistics and scheduling, and can be solved with various approaches. Boolean Satisfiability and Constraint Programming solvers are some of the most used ones and their performance is significantly influenced by the model chosen to represent a given problem. This has led to the study of model reformulation methods, one of which is tabulation, that consists in rewriting the expression of a constraint in terms of a table constraint. To apply it, one should identify which constraints can help and which can hinder the solving process. So far this has been performed by hand, for example in MiniZinc, or automatically with manually designed heuristics, in Savile Row. Though, it has been shown that the performances of these heuristics differ across problems and solvers, in some cases helping and in others hindering the solving procedure. However, recent works in the field of combinatorial optimization have shown that Machine Learning (ML) can be increasingly useful in the model reformulation steps. This thesis aims to design a ML approach to identify the instances for which Savile Row’s heuristics should be activated. Additionally, it is possible that the heuristics miss some good tabulation opportunities, so we perform an exploratory analysis for the creation of a ML classifier able to predict whether or not a constraint should be tabulated. The results reached towards the first goal show that a random forest classifier leads to an increase in the performances of 4 different solvers. The experimental results in the second task show that a ML approach could improve the performance of a solver for some problem classes.

Machine Learning algorithm on seat comfort level measurement, mapping pressure values with body regions

The comfort level of the seat has a major effect on the usage of a vehicle; thus, car manufacturers have been working on elevating car seat comfort as much as possible. However, still, the testing and evaluation of comfort are done using exhaustive trial and error testing and evaluation of data. In this thesis, we resort to machine learning and Artificial Neural Networks (ANN) to develop a fully automated approach. Even though this approach has its advantages in minimizing time and using a large set of data, it takes away the degree of freedom of the engineer on making decisions. The focus of this study is on filling the gap in a two-step comfort level evaluation which used pressure mapping with body regions to evaluate the average pressure supported by specific body parts and the Self-Assessment Exam (SAE) questions on evaluation of the person’s interest. This study has created a machine learning algorithm that works on giving a degree of freedom to the engineer in making a decision when mapping pressure values with body regions using ANN. The mapping is done with 92% accuracy and with the help of a Graphical User Interface (GUI) that facilitates the process during the testing time of comfort level evaluation of the car seat, which decreases the duration of the test analysis from days to hours.

Modellazione e progettazione di un sistema di tracciabilità blockchain nell’industria agroalimentare: Il caso Moncaro

Industria 4.0 ha coinvolto il settore agroalimentare introducendo nuove strategie di tracciabilità, a favore della sostenibilità e della sicurezza alimentare. L’Organizzazione Internazionale della Vigna e del Vino pone tra gli obiettivi per il 2024 la transizione digitale della filiera, così da avere una tracciabilità trasparente e affidabile. Questo fornisce un vantaggio ai produttori e ai consumatori che dispongono di maggiori informazioni quantitative e qualitative del prodotto. I sistemi di tracciabilità sono integrati nella supply chain aumentandone la resilienza; tuttavia, la maggior parte degli ERP in commercio ricostruiscono la tracciabilità a posteriori: dal codice lotto finale si ricompone tutto il processo. Per monitorare costantemente la filiera ed incrementarne la trasparenza si stanno integrando nuove tecnologie alla tracciabilità, come l’intelligenza artificiale e la blockchain. Obiettivo di questa tesi è la progettazione di un sistema di tracciabilità blockchain. Pertanto, si introduce alla tracciabilità e alla blockchain descrivendo i principali contributi in letteratura che propongono approcci e strategie, evidenziando vantaggi e sfide future. Poi, si presenta il caso Moncaro, cooperativa agricola che ha cantine e vigneti nel territorio marchigiano, analizzando il processo di vinificazione in bianco dal punto di vista del flusso fisico e informativo, rispettivamente tramite BPMN e Relationship chart. Ai fini della modellazione e della scelta dei dati da inserire in tracciabilità, si analizzano le informazioni registrate negli ERP sviluppati da Apra s.p.a., software house, di cui Moncaro fruisce. Quindi, si propone la formulazione di un algoritmo in pseudocodice che permette di collegare sequenzialmente le attività, così, da ottenere la tracciabilità real time e un’architettura che può gestire tutte le informazioni della supply chain. Infine, si è implementato uno scenario produttivo reale, mediante l’architettura di database a grafo di Neo4j AuraDB

Analisi e ottimizzazione termodinamica del sistema di generazione di potenza di un impianto solare a concentrazione ibrido

Impianto solare termodinamico a concentrazione per la produzione di energia elettrica.