Valutazione delle prestazioni di reti ad accesso multiplo basate su visible light communication

Nella società odierna, le telecomunicazioni costituiscono un’esigenza fondamentale della vita quotidiana. Difatti, il mercato della ICT (Information and Communications Technology) è in costante espansione, e viene accompagnato da un rapido sviluppo di nuove tecnologie. In particolare, si assiste a un sempre più rilevante ruolo svolto dalle comunicazioni ottiche, ovvero sfruttanti la luce: in questo contesto, il quale comprende diversi rami ingegneristici, si stanno progressivamente affermando nuove forme di comunicazione basate sulla luce visibile, la cosiddetta Visible Light Communication (VLC). Con questa Tesi ci si propone di implementare con Simulink e stateflow di Matlab il livello MAC (Medium Access Control), basato sullo standard IEEE 802.15.7 per le VLC e valutarne le prestazioni. Prescinde da questa Tesi la parte di implementazione su scheda stessa che è lasciata per sviluppi futuri. Nel capitolo uno si introducono le VLC e si discutono i principali scenari attuali dove possono diffondersi. Nel capitolo 2, si mostrano le principali linee guida afferenti agli standard che sono risultate necessarie per sviluppare lo strato MAC. Nei capitoli 3 e 4 si mostra come il layer sviluppato possa essere utilizzato in due principali situazioni: nel capitolo 3 è descritta la realizzazione di una comunicazione punto-punto, ovvero con un trasmettitore e un ricevitore; nel capitolo 4 è descritta l’implementazione di una rete di nodi, ambito in cui il livello MAC risulta indispensabile. Per ognuna delle situazioni si illustrano scelte e caratteristiche dei sistemi simulati e i risultati ottenuti, cercando di coprire diverse eventualità che intercorrono, più in generale, nella gestione e implementazione di sistemi di telecomunicazione wireless.

Analisi di criteri di gestione di reti complesse di distribuzione dell'energia

La tesi è il risultato di uno studio condotto sulle reti distribuzione dell’energia termica, elettrica e frigorifera; queste reti possono essere sviluppate per aumentare la diffusione della microgenerazione e generazione diffusa con l’obiettivo di renderle autonome elettricamente, termicamente e in alcuni casi indipendenti dal punto di vista del combustibile sfruttando possibilmente cogeneratori integrati e sistemi a fonte rinnovabile. In particolare la tesi si sofferma sull’analisi di criteri di gestione di una rete di teleriscaldamento esistente in modo da ridurne al minimo le dispersioni di energia termica in ambiente e gli scambi di energia elettrica con la rete nazionale. Lo sviluppo della tesi è stato suddiviso sostanzialmente in tre parti: la prima riguarda la caratterizzazione del comportamento di una rete di teleriscaldamento reale nel comprensorio urbano di Corticella a Bologna con determinati sistemi di produzione dell’energia elettrica e termica in centrale; nella seconda parte vengono analizzati nuovi sistemi in centrale di produzione e presso le utenze; infine la terza parte riguarda l’analisi economica ed energetica di tutte le soluzioni di gestione esaminate. Quindi ogni configurazione, data da nuovi sistemi di produzione delle fonti energetiche richieste e di gestione della rete, viene prima analizzata in riferimento a tre tipologie di scambio termico presso le utenze e poi valutata in termini di consumo di combustibile e di scambi di energia elettrica con la rete nazionale attraverso il costo di acquisto del gas naturale, il costo d’acquisto dell’energia elettrica dalla rete e il prezzo di vendita dell’energia elettrica alla rete. Sebbene le utenze vengano considerate sempre in assetto passivo all’interno di alcune configurazioni viene sfruttata la delocalizzazione della produzione di energia termica e la gestione della rete a bassa temperatura per ridurre il più possibile l’impatto ambientale della centrale e della rete di teleriscaldamento.

Analisi dei profili di tensione e dei flussi di potenza in diversi tipi di reti di distribuzione in media e bassa tensione mediante il software OpenDSS

La teoria secondo la quale vi sia una forte interconnessione tra cambiamento climatico ed emissioni di gas serra è via via più radicata all’interno della comunità scientifica internazionale. La certezza che la richiesta di energia a livello mondiale non possa che aumentare, unita con le preoccupazioni causate dal cambiamento climatico ha indirizzato parte dei cosiddetti paesi “sviluppati” verso politiche volte all’efficienza energetica e alla produzione di energia attraverso fonti rinnovabili. In seguito a queste decisioni il sistema elettrico nazionale si trova in una fase di rapido cambiamento; in particolare le maggiori problematiche, legate alla rete di distribuzione, sono originate da un fenomeno di diffusione su larga scala della generazione distribuita. In questo contesto, nel presente lavoro di tesi, ci si serve del software openDSS per osservare gli ammodernamenti che la rete ha subito e subirà in futuro. In primo luogo viene trattata una rete, prettamente passiva, in bassa tensione che vuole essere lo specchio di ciò che era la rete prima della diffusione della generazione distribuita. Vengono evidenziati in particolare i profili delle tensioni lungo la rete di distribuzione e le potenze circolanti in rete. Viene successivamente studiata la prima rete con l’aggiunta di generatori, volti a simulare il comportamento di pannelli fotovoltaici, evidenziando alcune le problematiche causate dalla GD su una rete non adatta a sopportarla. Infine viene mostrato come la presenza di alcuni accumulatori (modellizzati per simulare il comportamento di veicoli elettrici) possa migliorare le condizioni della rete. L’obiettivo non è quello di condurre delle simulazioni di reti realmente esistenti e di studiare diversi modelli di sviluppo per esse, bensì quello di creare una rete di prova all’interno del software al fine di analizzare qualitativamente come la rete sia mutata e come possibili scenari potrebbero modificarla in futuro.

Gestione automatica di namespace di rete privati in ambienti linux

Sempre più sono i servizi offerti oggigiorno sul cloud. L’isolamento dei vari utenti diviene una componente fondamentale se si vuole proteggere la privacy e la confidenzialità dei dati dei clienti. Mantenere una struttura che offre questo genere di servizi però è estremamente complesso ed oneroso. Si vuole mostrare come sia possibile evitare la creazione di centinaia di migliaia di macchine virtuali, quando potrebbe bastare creare una macchina virtuale per tipo di servizio offerto, e far accedere ogni cliente che necessita di quel servizio semplicemente isolandolo con linux namespace, in maniera automatica.

Progettazione di un sistema per la modellazione di melodie musicali come reti complesse: conversione da formato MIDI a MusicXML

Il progetto realizzato consiste in uno strumento software in grado di effettuare una conversione di file, dal formato MIDI al formato MusicXML. Il tool è il proseguimento di un’attività basata sull'analisi di reti complesse e sullo sviluppo di strumenti per la modellazione di spartiti musicali. Melodie, assoli ed in generale tracce musicali sono rappresentabili come reti complesse, in cui i nodi identificano le note del brano e gli archi mostrano le sequenze con cui queste vengono suonate. Utilizzando la teoria delle reti è possibile estrarre alcune metriche principali che caratterizzano il brano in questione. Per la generazione della rete si è fatto uso di spartiti musicali descritti tramite lo standard MusicXML. File in questo formato sono difficilmente reperibili, per cui lo strumento realizzato si propone di effettuare una conversione da formato MIDI a formato MusicXML, con l’obiettivo di ottenere un database più esteso. Attraverso il tool sono stati convertiti brani di diverso genere, le cui reti relative sono state poi analizzate applicandovi le metriche principali ed effettuando le dovute valutazioni.

Classificazione di Radiografie Toraciche per la Diagnosi del COVID-19 con Reti Convoluzionali e Vision Transformer

Negli ultimi due anni, per via della pandemia generata dal virus Covid19, la vita in ogni angolo del nostro pianeta è drasticamente cambiata. Ad oggi, nel mondo, sono oltre duecentoventi milioni le persone che hanno contratto questo virus e sono quasi cinque milioni le persone decedute. In alcuni periodi si è arrivati ad avere anche un milione di nuovi contagiati al giorno e mediamente, negli ultimi sei mesi, questo dato è stato di più di mezzo milione al giorno. Gli ospedali, soprattutto nei paesi meno sviluppati, hanno subito un grande stress e molte volte hanno avuto una carenza di risorse per fronteggiare questa grave pandemia. Per questo motivo ogni ricerca in questo campo diventa estremamente importante, soprattutto quelle che, con l'ausilio dell'intelligenza artificiale, riescono a dare supporto ai medici. Queste tecnologie una volta sviluppate e approvate possono essere diffuse a costi molto bassi e accessibili a tutti. In questo elaborato sono stati sperimentati e valutati due diversi approcci alla diagnosi del Covid-19 a partire dalle radiografie toraciche dei pazienti: il primo metodo si basa sul transfer learning di una rete convoluzionale inizialmente pensata per la classificazione di immagini. Il secondo approccio utilizza i Vision Transformer (ViT), un'architettura ampiamente diffusa nel campo del Natural Language Processing adattata ai task di Visione Artificiale. La prima soluzione ha ottenuto un’accuratezza di 0.85 mentre la seconda di 0.92, questi risultati, soprattutto il secondo, sono molto incoraggianti soprattutto vista la minima quantità di dati di training necessaria.

End-to-end Deep Metric Learning con Vision-Language Model per il Fashion Image Captioning

L'image captioning è un task di machine learning che consiste nella generazione di una didascalia, o caption, che descriva le caratteristiche di un'immagine data in input. Questo può essere applicato, ad esempio, per descrivere in dettaglio i prodotti in vendita su un sito di e-commerce, migliorando l'accessibilità del sito web e permettendo un acquisto più consapevole ai clienti con difficoltà visive. La generazione di descrizioni accurate per gli articoli di moda online è importante non solo per migliorare le esperienze di acquisto dei clienti, ma anche per aumentare le vendite online. Oltre alla necessità di presentare correttamente gli attributi degli articoli, infatti, descrivere i propri prodotti con il giusto linguaggio può contribuire a catturare l'attenzione dei clienti. In questa tesi, ci poniamo l'obiettivo di sviluppare un sistema in grado di generare una caption che descriva in modo dettagliato l'immagine di un prodotto dell'industria della moda dato in input, sia esso un capo di vestiario o un qualche tipo di accessorio. A questo proposito, negli ultimi anni molti studi hanno proposto soluzioni basate su reti convoluzionali e LSTM. In questo progetto proponiamo invece un'architettura encoder-decoder, che utilizza il modello Vision Transformer per la codifica delle immagini e GPT-2 per la generazione dei testi. Studiamo inoltre come tecniche di deep metric learning applicate in end-to-end durante l'addestramento influenzino le metriche e la qualità delle caption generate dal nostro modello.

Reti neurali "physics-informed" per modelli epidemiologici

La malattia COVID-19 associata alla sindrome respiratoria acuta grave da coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha rappresentato una grave minaccia per la salute pubblica e l’economia globale sin dalla sua scoperta in Cina, nel dicembre del 2019. Gli studiosi hanno effettuato numerosi studi ed in particolar modo l’applicazione di modelli epidemiologici costruiti a partire dai dati raccolti, ha permesso la previsione di diversi scenari sullo sviluppo della malattia, nel breve-medio termine. Gli obiettivi di questa tesi ruotano attorno a tre aspetti: i dati disponibili sulla malattia COVID-19, i modelli matematici compartimentali, con particolare riguardo al modello SEIJDHR che include le vaccinazioni, e l’utilizzo di reti neurali ”physics-informed” (PINNs), un nuovo approccio basato sul deep learning che mette insieme i primi due aspetti. I tre aspetti sono stati dapprima approfonditi singolarmente nei primi tre capitoli di questo lavoro e si sono poi applicate le PINNs al modello SEIJDHR. Infine, nel quarto capitolo vengono riportati frammenti rilevanti dei codici Python utilizzati e i risultati numerici ottenuti. In particolare vengono mostrati i grafici sulle previsioni nel breve-medio termine, ottenuti dando in input dati sul numero di positivi, ospedalizzati e deceduti giornalieri prima riguardanti la città di New York e poi l’Italia. Inoltre, nell’indagine della parte predittiva riguardante i dati italiani, si è individuato un punto critico legato alla funzione che modella la percentuale di ricoveri; sono stati quindi eseguiti numerosi esperimenti per il controllo di tali previsioni.

Reti Generative Avversarie nel contesto di servizi di rete sociale: un caso di studio

L’intelligenza artificiale è senza dubbio uno degli argomenti attualmente più in voga nel mondo dell’informatica, sempre in costante evoluzione ed espansione in nuovi settori. In questa elaborato progettuale viene combinato l’argomento sopracitato con il mondo dei social network, che ormai sono parte integrante della quotidianità di tutti. Viene infatti analizzato lo stato dell’arte attuale delle reti neurali, in particolare delle reti generative avversarie, e vengono esaminate le principali tipologie di social network. Su questa base, infatti, verrà realizzato un sistema di rete sociale completo nel quale una GAN sarà proprio la protagonista, sfruttando le più interessanti tecnologie attualmente disponibili. Il sistema sarà disponibile sia come applicativo per dispositivi mobile che come sito web e introdurrà elementi di gamification per aumentare l’interazione con l’utente.

Studio di fattibilità di un sensore autoalimentato per misure di corrente nelle reti filoviarie

Negli ultimi anni vi è stato un aumento della sensibilità in merito alle tematiche ambientali e questo ha riguardato anche il settore della mobilità, spingendo sempre più verso l’elettrificazione dei trasporti. Una delle possibilità per elettrificare i trasporti sono le reti filoviarie. Di quelle già esistenti, però, la maggior parte è stata realizzata nel secolo scorso. Inoltre, non vengono effettuate misure per valutare quale sia lo stato del carico sulla rete. In questa tesi si è valutata la fattibilità di realizzazione di un sensore non intrusivo per la misura delle correnti sulle filovie di reti esistenti, al fine di poter ottenere i dati relativi ai flussi di potenza e permettere quindi, in futuro, una migliore gestione della rete. Per effettuare la misura di corrente in modo non invasivo si è pensato di utilizzare un sensore di campo magnetico stazionario. Per valutare l’intensità del campo magnetico, al fine di scegliere il sensore che si confacesse alle caratteristiche dell’applicazione, si è proceduto a sviluppare diversi modelli per rappresentare i conduttori della filovia. Da queste simulazioni è stato inoltre possibile valutare quale fosse la posizione più idonea al collocamento del sensore. Per l’alimentazione del sensore, si sono valutate più possibilità che permettessero di non ricorrere ad un cablaggio ausiliario, tra cui l’utilizzo di un pannello fotovoltaico eventualmente accoppiato ad una batteria. Per la trasmissione dei dati, sono stati valutati più protocolli e dispositivi di comunicazione per trovare quello che meglio combinasse le necessità di trasmissione su distanze medio-lunghe e la necessità di minimizzare i consumi energetici. Infine, sono state effettuate prove sperimentali per validare l'affidabilità delle misure, ovvero verificare che fosse realmente possibile stimare il valore delle correnti nei conduttori della filovia partendo da una misura di campo magnetico, e se i consumi energetici stimati fossero in linea con quelli reali.

Threat Hunting: analisi e sperimentazione di metodologie di ricerca di vulnerabilità

La caccia alle minacce è una tecnica in cui si ”cercano” fisicamente i ”rischi”, possibili o esistenti, all’interno dell’infrastruttura IT. La caccia alle minacce è un processo proattivo e iterativo guidato da esseri umani che cercano attività ostili, sospette o dannose che sono sfuggite al rilevamento mediante le attuali tecniche automatizzate attraverso reti, endpoint o set di dati come i file di registro. Un caso possibile può essere quello in cui un threat hunter abbia a disposizione per la caccia solo i registri di log provenienti da fonti diverse e anche da diversi sistemi operativi. Questi file di log potrebbero per esempio essere i dati di 3 giorni di raccolta provenienti da 30 40 macchine Windows o Linux e analizzando solamente essi il cacciatore deve essere in grado di determinare se e quali siano le minacce all’interno di una o più macchine del sistema. Un problema che sorge subito all’occhio è come si possa conciliare dati provenienti da fonti differenti, e soprattutto da sistemi operativi diversi; inoltre, un ulteriore problema può essere il determinare quando un file di log sia effettivamente un segnalatore di una minaccia e non un falso positivo. Di conseguenza è richiesta una visibilità totale della rete, nonché dei dati dei dispositivi. Idealmente, sarebbe necessario uno strumento che consenta di avere una panoramica di tutti questi dati con funzionalità di ricerca in grado di contestualizzare ciò che si vede per ridurre al minimo la quantità di ricerca manuale attraverso i registri non elaborati. In questo elaborato verranno mostrate le attività. di simulazione sia su ambiente Linux che ambiente Windows, in cui si andranno a cercare, attraverso gli strumenti che verranno elencati nei primi capitoli, le varie minacce. Verranno quindi simulati degli scenari di attacchi e ne si farà infine un’analisi su come al meglio rilevarli.

Integrazione di reti neurali con approcci simbolici per problemi di ragionamento deduttivo in linguaggio naturale

Uno degli obiettivi più ambizioni e interessanti dell'informatica, specialmente nel campo dell'intelligenza artificiale, consiste nel raggiungere la capacità di far ragionare un computer in modo simile a come farebbe un essere umano. I più recenti successi nell'ambito delle reti neurali profonde, specialmente nel campo dell'elaborazione del testo in linguaggio naturale, hanno incentivato lo studio di nuove tecniche per affrontare tale problema, a cominciare dal ragionamento deduttivo, la forma più semplice e lineare di ragionamento logico. La domanda fondamentale alla base di questa tesi è infatti la seguente: in che modo una rete neurale basata sull'architettura Transformer può essere impiegata per avanzare lo stato dell'arte nell'ambito del ragionamento deduttivo in linguaggio naturale? Nella prima parte di questo lavoro presento uno studio approfondito di alcune tecnologie recenti che hanno affrontato questo problema con intuizioni vincenti. Da questa analisi emerge come particolarmente efficace l'integrazione delle reti neurali con tecniche simboliche più tradizionali. Nella seconda parte propongo un focus sull'architettura ProofWriter, che ha il pregio di essere relativamente semplice e intuitiva pur presentando prestazioni in linea con quelle dei concorrenti. Questo approfondimento mette in luce la capacità dei modelli T5, con il supporto del framework HuggingFace, di produrre più risposte alternative, tra cui è poi possibile cercare esternamente quella corretta. Nella terza e ultima parte fornisco un prototipo che mostra come si può impiegare tale tecnica per arricchire i sistemi tipo ProofWriter con approcci simbolici basati su nozioni linguistiche, conoscenze specifiche sul dominio applicativo o semplice buonsenso. Ciò che ne risulta è un significativo miglioramento dell'accuratezza rispetto al ProofWriter originale, ma soprattutto la dimostrazione che è possibile sfruttare tale capacità dei modelli T5 per migliorarne le prestazioni.

Reti neurali convoluzionali nell'elaborazione di immagini mammografiche

Il tema centrale di questa tesi è il Machine Learning e la sua applicabilità nella ricostruzione di immagini biomediche, nello specifico di immagini mammarie. Il metodo attualmente più diffuso per la rilevazione del tumore al seno è la Mammografia 2D digitale, ma l’interesse mostrato ultimamente verso la Tomosintesi ha dimostrato una migliore capacità di diagnosi tumorale, anche ai primi stadi. Sebbene le due tecniche combinate siano in grado di rilevare anche la minima lesione, questo comporta una sovraesposizione alle radiazioni. Lo scopo finale, perciò, è quello di fornire un valido strumento di supporto per la caratterizzazione automatica di masse e opacità in immagini di tomosintesi, così da sottoporre il paziente ad un singolo esame radiografico. L'obiettivo è stato dunque ricostruire, tramite reti neurali Convoluzionali, immagini sintetiche di Tomosintesi di qualità superiore e il più possibile vicine a quelle di mammografia 2D. Sono state presentate nel dettaglio le due tecniche di imaging, le problematiche ad esse legate ed un approfondito confronto dosimetrico. Dopo una trattazione teorica dei principi delle CNN, sono state riportate le caratteristiche delle architetture di rete realizzate nella parte progettuale dell’elaborato. Sono stati valutati i comportamenti dei differenti modelli neurali per uno stesso Dataset di immagini di Tomosintesi, individuandone il migliore in termini di prestazioni finali nelle immagini di Test. Dagli studi effettuati è stata provata la possibilità, in un futuro sempre più prossimo, di applicare la Tomosintesi, con l’ausilio delle reti Convoluzionali, come tecnica unica di screening e di rilevazione del tumore al seno.

‘Data Augmentation’ per reti neurali profonde per la classificazione del segnale EEG

I recenti sviluppi nel campo dell’intelligenza artificiale hanno permesso una più adeguata classificazione del segnale EEG. Negli ultimi anni è stato dimostrato come sia possibile ottenere ottime performance di classificazione impiegando tecniche di Machine Learning (ML) e di Deep Learning (DL), facendo uso, per quest’ultime, di reti neurali convoluzionali (Convolutional Neural Networks, CNN). In particolare, il Deep Learning richiede molti dati di training mentre spesso i dataset per EEG sono limitati ed è difficile quindi raggiungere prestazioni elevate. I metodi di Data Augmentation possono alleviare questo problema. Partendo da dati reali, questa tecnica permette, la creazione di dati artificiali fondamentali per aumentare le dimensioni del dataset di partenza. L’applicazione più comune è quella di utilizzare i Data Augmentation per aumentare le dimensioni del training set, in modo da addestrare il modello/rete neurale su un numero di campioni più esteso, riducendo gli errori di classificazione. Partendo da questa idea, i Data Augmentation sono stati applicati in molteplici campi e in particolare per la classificazione del segnale EEG. In questo elaborato di tesi, inizialmente, vengono descritti metodi di Data Augmentation implementati nel corso degli anni, utilizzabili anche nell’ambito di applicazioni EEG. Successivamente, si presentano alcuni studi specifici che applicano metodi di Data Augmentation per migliorare le presentazioni di classificatori basati su EEG per l’identificazione dello stato sonno/veglia, per il riconoscimento delle emozioni, e per la classificazione di immaginazione motoria.

Deep Learning applicato alla diagnostica dei trasformatori

Il trasformatore è uno degli elementi più importanti di una rete di trasmissione; essendo il tramite fra reti di alta e media tensione, il suo corretto funzionamento garantisce l’alimentazione di tutti i dispositivi e carichi connessi alla linea. Oltre a questo, il trasformatore è anche l’elemento più costoso di tutta la linea elettrica; la sua manutenzione è di vitale importanza per evitare costi elevati per la sostituzione e disagi lungo la linea. Qui entra in gioco il ruolo della diagnostica; attraverso misure periodiche e mirate sul trasformatore è possibile agire tempestivamente ed evitare tutti i fenomeni precedentemente elencati. Nell’elaborato si tratterà l’analisi del trasformatore elettrico trifase durante il suo funzionamento, evidenziando i sottocomponenti e le rispettive criticità; inoltre, verranno mostrate le varie tecniche di diagnostica del trasformatore, in modo tale da poter estrarre un indice legato allo stato di vita, ossia l’Health Index. Ad oggi esistono diverse tecniche di approccio al calcolo dell’Health Index, quella che viene presentata è una tecnica del tutto innovativa, ossia sviluppare una rete neurale artificiale (Artificial Neural Network, ANN) in grado di prevedere lo stato del trasformatore basandosi su misure effettuate sullo stesso. Dunque, verranno presentante le basi per lo sviluppo di una rete neurale, partendo dall’analisi e formattazione dei dati, fino alla fase di ottimizzazione delle prestazioni. Infine, si attraverseranno tutte le fasi intermedie di realizzazione del progetto da cui l’elaborato prende il titolo; osservando l’evoluzione di una rete neurale che si trasforma da un programma scritto in ambiente Python a una applicazione pronta all’uso per gli operatori durante le operazioni di diagnostica.