Machine Learning in Applicazione alla Prevenzione del Morbo di Alzheimer

Il morbo di Alzheimer è ancora una malattia incurabile. Negli ultimi anni l'aumento progressivo dell'aspettativa di vita ha contribuito a un'insorgenza maggiore di questa patologia, specialmente negli stati con l'età media più alta, tra cui l'Italia. La prevenzione risulta una delle poche vie con cui è possibile arginarne lo sviluppo, ed in questo testo vengono analizzate le potenzialità di alcune tecniche di Machine Learning atte alla creazione di modelli di supporto diagnostico per Alzheimer. Dopo un'opportuna introduzione al morbo di Alzheimer ed al funzionamento generale del Machine Learning, vengono presentate e approfondite due delle tecniche più promettenti per la diagnosi di patologie neurologiche, ovvero la Support Vector Machine (macchina a supporto vettoriale, SVM) e la Convolutional Neural Network (rete neurale convoluzionale, CNN), con annessi risultati, punti di forza e principali debolezze. La conclusione verterà sul possibile futuro delle intelligenze artificiali, con particolare attenzione all'ambito sanitario, e verranno discusse le principali difficoltà nelle quali queste incombono prima di essere commercializzate, insieme a plausibili soluzioni.

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.

Tecniche parallele di machine learning applicate a container

L’obiettivo di questa tesi `e l’estensione della conoscenza di un argomento già ampliamente conosciuto e ricercato. Questo lavoro focalizza la propria attenzione su una nicchia dell’ampio mondo della virtualizzazione, del machine learning e delle tecniche di apprendimento parallelo. Nella prima parte verranno spiegati alcuni concetti teorici chiave per la virtualizzazione, ponendo una maggior attenzione verso argomenti di maggior importanza per questo lavoro. La seconda parte si propone di illustrare, in modo teorico, le tecniche usate nelle fasi di training di reti neurali. La terza parte, attraverso una parte progettuale, analizza le diverse tecniche individuate applicandole ad un ambiente containerizzato.

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.

Quality and Aspect based Argument Generation

Natural Language Processing has always been one of the most popular topics in Artificial Intelligence. Argument-related research in NLP, such as argument detection, argument mining and argument generation, has been popular, especially in recent years. In our daily lives, we use arguments to express ourselves. The quality of arguments heavily impacts the effectiveness of our communications with others. In professional fields, such as legislation and academic areas, arguments of good quality play an even more critical role. Therefore, argument generation with good quality is a challenging research task that is also of great importance in NLP. The aim of this work is to investigate the automatic generation of arguments with good quality, according to the given topic, stance and aspect (control codes). To achieve this goal, a module based on BERT [17] which could judge an argument's quality is constructed. This module is used to assess the quality of the generated arguments. Another module based on GPT-2 [19] is implemented to generate arguments. Stances and aspects are also used as guidance when generating arguments. After combining all these models and techniques, the ranks of the generated arguments could be acquired to evaluate the final performance. This dissertation describes the architecture and experimental setup, analyzes the results of our experimentation, and discusses future directions.

Sviluppo di Retrieval-based Chatbot per l'Italiano con Transformer

L’Intelligenza Artificiale negli ultimi anni sta plasmando il futuro dell’umanità in quasi tutti i settori. È già il motore principale di diverse tecnologie emergenti come i big data, la robotica e l’IoT e continuerà ad agire come innovatore tecnologico nel futuro prossimo. Le recenti scoperte e migliorie sia nel campo dell’hardware che in quello matematico hanno migliorato l’efficienza e ridotto i tempi di esecuzione dei software. È in questo contesto che sta evolvendo anche il Natural Language Processing (NLP), un ramo dell’Intelligenza Artificiale che studia il modo in cui fornire ai computer l'abilità di comprendere un testo scritto o parlato allo stesso modo in cui lo farebbe un essere umano. Le ambiguità che distinguono la lingua naturale dalle altre rendono ardui gli studi in questo settore. Molti dei recenti sviluppi algoritmici su NLP si basano su tecnologie inventate decenni fa. La ricerca in questo settore è quindi in continua evoluzione. Questa tesi si pone l'obiettivo di sviluppare la logica di una chatbot help-desk per un'azienda privata. Lo scopo è, sottoposta una domanda da parte di un utente, restituire la risposta associata presente in una collezione domande-risposte. Il problema che questa tesi affronta è sviluppare un modello di NLP in grado di comprendere il significato semantico delle domande in input, poiché esse possono essere formulate in molteplici modi, preservando il contenuto semantico a discapito della sintassi. A causa delle ridotte dimensioni del dataset italiano proprietario su cui testare il modello chatbot, sono state eseguite molteplici sperimentazioni su un ulteriore dataset italiano con task affine. Attraverso diversi approcci di addestramento, tra cui apprendimento metrico, sono state raggiunte alte accuratezze sulle più comuni metriche di valutazione, confermando le capacità del modello proposto e sviluppato.

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.

prism: rinfrangere distribuzioni di probabilità in riassunti astrattivi mediante strategie di decoding

Negli ultimi quattro anni la summarization astrattiva è stata protagonista di una evoluzione senza precedenti dettata da nuovi language model neurali, architetture transformer-based, elevati spazi dimensionali, ampi dataset e innovativi task di pre-training. In questo contesto, le strategie di decoding convertono le distribuzioni di probabilità predette da un modello in un testo artificiale, il quale viene composto in modo auto regressivo. Nonostante il loro cruciale impatto sulla qualità dei riassunti inferiti, il ruolo delle strategie di decoding è frequentemente trascurato e sottovalutato. Di fronte all'elevato numero di tecniche e iperparametri, i ricercatori necessitano di operare scelte consapevoli per ottenere risultati più affini agli obiettivi di generazione. Questa tesi propone il primo studio altamente comprensivo sull'efficacia ed efficienza delle strategie di decoding in task di short, long e multi-document abstractive summarization. Diversamente dalle pubblicazioni disponibili in letteratura, la valutazione quantitativa comprende 5 metriche automatiche, analisi temporali e carbon footprint. I risultati ottenuti dimostrano come non vi sia una strategia di decoding dominante, ma come ciascuna possieda delle caratteristiche adatte a task e dataset specifici. I contributi proposti hanno l'obiettivo di neutralizzare il gap di conoscenza attuale e stimolare lo sviluppo di nuove tecniche di decoding.

Sviluppo di un sistema di climatizzazione automatico distribuito con l'utilizzo di tecniche di machine learning

Nella sede dell’azienda ospitante Alexide, si è ravvisata la mancanza di un sistema di controllo automatico da remoto dell’intero impianto di climatizzazione HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) utilizzato, e la soluzione migliore è risultata quella di attuare un processo di trasformazione della struttura in uno smart building. Ho quindi eseguito questa procedura di trasformazione digitale progettando e sviluppando un sistema distribuito in grado di gestire una serie di dati provenienti in tempo reale da sensori ambientali. L’architettura del sistema progettato è stata sviluppata in C# su ambiente dotNET, dove sono stati collezionati i dati necessari per il funzionamento del modello di predizione. Nella fattispecie sono stati utilizzati i dati provenienti dall’HVAC, da un sensore di temperatura interna dell'edificio e dal fotovoltaico installato nella struttura. La comunicazione tra il sistema distribuito e l’entità dell’HVAC avviene mediante il canale di comunicazione ModBus, mentre per quanto riguarda i dati della temperatura interna e del fotovoltaico questi vengono collezionati da sensori che inviano le informazioni sfruttando un canale di comunicazione che utilizza il protocollo MQTT, e lo stesso viene utilizzato come principale metodo di comunicazione all’interno del sistema, appoggiandosi ad un broker di messaggistica con modello publish/subscribe. L'automatizzazione del sistema è dovuta anche all'utilizzo di un modello di predizione con lo scopo di predire in maniera quanto più accurata possibile la temperatura interna all'edificio delle ore future. Per quanto riguarda il modello di predizione da me implementato e integrato nel sistema la scelta è stata quella di ispirarmi ad un modello ideato da Google nel 2014 ovvero il Sequence to Sequence. Il modello sviluppato si struttura come un encoder-decoder che utilizza le RNN, in particolare le reti LSTM.

Rappresentazione semantica delle informazioni in ambito storico e giuridico

Rappresentazione della conoscenza in banca di dati testuali non strutturati in lingua Italiana.

Named Entity Extraction: la piattaforma Gate/Annie

In questo lavoro si introducono i concetti di base di Natural Language Processing, soffermandosi su Information Extraction e analizzandone gli ambiti applicativi, le attività principali e la differenza rispetto a Information Retrieval. Successivamente si analizza il processo di Named Entity Recognition, focalizzando l’attenzione sulle principali problematiche di annotazione di testi e sui metodi per la valutazione della qualità dell’estrazione di entità. Infine si fornisce una panoramica della piattaforma software open-source di language processing GATE/ANNIE, descrivendone l’architettura e i suoi componenti principali, con approfondimenti sugli strumenti che GATE offre per l'approccio rule-based a Named Entity Recognition.

Un’applicazione di elaborazione del linguaggio naturale per il gioco di "Indovina chi?" su robot umanoide

La tesi è stata incentrata sul gioco «Indovina chi?» per l’identificazione da parte del robot Nao di un personaggio tramite la sua descrizione. In particolare la descrizione avviene tramite domande e risposte L’obiettivo della tesi è la progettazione di un sistema in grado di capire ed elaborare dei dati comunicati usando un sottoinsieme del linguaggio naturale, estrapolarne le informazioni chiave e ottenere un riscontro con informazioni date in precedenza. Si è quindi programmato il robot Nao in modo che sia in grado di giocare una partita di «Indovina chi?» contro un umano comunicando tramite il linguaggio naturale. Sono state implementate regole di estrazione e categorizzazione per la comprensione del testo utilizzando Cogito, una tecnologia brevettata dall'azienda Expert System. In questo modo il robot è in grado di capire le risposte e rispondere alle domande formulate dall'umano mediante il linguaggio naturale. Per il riconoscimento vocale è stata utilizzata l'API di Google e PyAudio per l'utilizzo del microfono. Il programma è stato implementato in Python e i dati dei personaggi sono memorizzati in un database che viene interrogato e modificato dal robot. L'algoritmo del gioco si basa su calcoli probabilistici di vittoria del robot e sulla scelta delle domande da proporre in base alle risposte precedentemente ricevute dall'umano. Le regole semantiche realizzate danno la possibilità al giocatore di formulare frasi utilizzando il linguaggio naturale, inoltre il robot è in grado di distinguere le informazioni che riguardano il personaggio da indovinare senza farsi ingannare. La percentuale di vittoria del robot ottenuta giocando 20 partite è stata del 50%. Il data base è stato sviluppato in modo da poter realizzare un identikit completo di una persona, oltre a quello dei personaggi del gioco. È quindi possibile ampliare il progetto per altri scopi, oltre a quello del gioco, nel campo dell'identificazione.

SmartPantry - La dispensa intelligente

SmartPantry `e un applicazione per Android che si pone come obiettivo quello di rendere semplice e pratica la gestione virtuale delle dispense degli utenti. Oltre a questo implementa un recommender system dedicato al suggerimento di ricette adatte ai prodotti contenuti nella dispensa, per farlo l’algoritmo si avvale della distanza di Damerau-Levenshtein per eseguire Natural Language Processing in modo tale da interpretare gli ingredienti delle dispense degli utenti e poterli mappare ad una collezione di ingredienti mantenuti in un database remoto. All’interno di questo elaborato andremo ad analizzare i dettagli di progetta�zione ed implementativi di SmartPantry e degli algoritmi che la sostengono ponendo particolare attenzione agli aspetti qualitativi degli algoritmi di NLP e raccomandazione raccogliendo dati sufficienti a trarre conclusioni oggettive sulla precisione ed efficacia dei suddetti. Nell’ultimo capitolo vedremo come nonostante la presenza di margini di miglioramento, come versione 1.0, gli algoritmi abbiano restituito dei risultati pi`u che discreti

CartBot: un’applicazione di chat bot mobile per l’e-grocery

Sempre più negli ultimi anni si interagisce con i chatbot, software che simulano una conversazione con un essere umano utilizzando il linguaggio naturale. L’elaborato di tesi mira ad uno studio più approfondito della tematica, a partire da come tale tecnologia si è evoluta nel corso degli anni. Si procede analizzando le principali applicazioni dei bot, soffermandosi anche sui cambiamenti apportati dalla pandemia di Covid-19, ed evidenziando le principali ragioni che portano aziende e singoli al loro utilizzo. Inoltre, vengono descritti i diversi tipi di bot esistenti e viene analizzato il Natural Language Processing, ramo dell’Intelligenza Artificiale che mira alla comprensione del linguaggio naturale. Nei capitoli successivi viene descritto il progetto CartBot, un’applicazione di chat mobile per l’e-grocery, implementata come un chatbot che guida il cliente all’acquisto della spesa online. Vengono descritte le tecnologie utilizzate, con particolare riferimento al software di Google Dialogflow, che permette di sviluppare bot; inoltre viene analizzata come è stata effettuata la progettazione, sia lato front-end che back-end, allegando il flowchart, un diagramma di flusso realizzato per definire la sequenza di azioni e passaggi richiesti dal bot per effettuare l’acquisto. Infine, sono descritte le varie sottosezioni di CartBot, che riguardano la visualizzazione dei prodotti e il completamento dell’ordine, allegando screenshot dell’interfaccia finale ottenuta e inserendo il codice di alcune funzioni rilevanti.

Sviluppo di Metodi di Soft Labeling per la Multi-Document Summarization in Ambito Legale

In questo elaborato viene trattata l’analisi del problema di soft labeling applicato alla multi-document summarization, in particolare vengono testate varie tecniche per estrarre frasi rilevanti dai documenti presi in dettaglio, al fine di fornire al modello di summarization quelle di maggior rilievo e più informative per il riassunto da generare. Questo problema nasce per far fronte ai limiti che presentano i modelli di summarization attualmente a disposizione, che possono processare un numero limitato di frasi; sorge quindi la necessità di filtrare le informazioni più rilevanti quando il lavoro si applica a documenti lunghi. Al fine di scandire la metrica di importanza, vengono presi come riferimento metodi sintattici, semantici e basati su rappresentazione a grafi AMR. Il dataset preso come riferimento è Multi-LexSum, che include tre granularità di summarization di testi legali. L’analisi in questione si compone quindi della fase di estrazione delle frasi dai documenti, della misurazione delle metriche stabilite e del passaggio al modello stato dell’arte PRIMERA per l’elaborazione del riassunto. Il testo ottenuto viene poi confrontato con il riassunto target già fornito, considerato come ottimale; lavorando in queste condizioni l’obiettivo è di definire soglie ottimali di upper-bound per l’accuratezza delle metriche, che potrebbero ampliare il lavoro ad analisi più dettagliate qualora queste superino lo stato dell’arte attuale.