Integrazione di Digital Twins e Mixed Reality: Un Caso di Studio

Questa tesi ha come proposito esplorare le architetture che integrano i Digital Twins in applicazioni di Mixed Reality. L’obiettivo cardine è quello di mostrare una possibile realizzazione di un sistema di questo tipo. Per raggiungere l’obiettivo posto si è scelto di progettare un sistema che sia realizzabile come soluzione in un contesto reale. La tesi è strutturata in modo tale da offrire al lettore una presentazione generale delle tecnologie utilizzate mantenendole ben distinte. Successivamente viene analizzata la possibilità di unire queste tecnologie presentando quindi delle possibili implementazioni. Come Caso di Studio si è scelto di realizzare un’applicazione a supporto dei medici che offrisse, durante un’operazione chirurgica, la possibilità di visualizzare il monitor dei parametri vitali tramite ologramma. L’architettura presentata viene suddivisa in tre sottosistemi indipendenti in base alla tecnologia presa di riferimento. Le macro sezioni presentate sono: Physical Asset, Digital Twins e Hologram. Questi sottosistemi vengono analizzati uno per volta e successivamente viene realizzata l’architettura inerente. Terminata la realizzazione del sistema, vengono presentate al lettore delle alternative architetturali con annesse le possibili implementazioni.

Sviluppo e validazione di un algoritmo di Vehicle Routing per un caso di logistica distributiva in collaborazione con Toyota Material Handling Italia

L’elaborato descrive le fasi di progettazione, programmazione e validazione di un programma sviluppato in ambiente Java per il Vehicle Routing Problem. L’algoritmo implementato è di tipo euristico costruttivo primal e presenta funzionalità specifiche per la gestione di un elevato numero di vincoli e l’applicazione a casistiche reali. La validazione è stata effettuata su una base dati reale e in confronto a dataset di cui è nota la soluzione ottima. Il programma è stato progettato per risultare flessibile alle richieste dell’utente e utilizzabile per valutazioni economiche in ambito consulenziale.

Metodo innovativo per la misura delle scariche parziali sullo statore di un veicolo ibrido

L’affidabilità e la diagnostica sono tematiche che hanno sempre ricoperto un ruolo di fondamentale importanza in ambito elettrico. Il frenetico sviluppo che sta vivendo il settore della trazione elettrica dovuto alle restrizioni introdotte dall’UE sulle emissioni di CO2 ha ulteriormente incrementato la necessità di avere componenti sempre più performanti e affidabili. Questa tesi si concentra su una delle problematiche che interessano un motore elettrico: le scariche parziali. L’obiettivo di questo progetto è proporre un metodo innovativo per la rilevazione di scariche parziali che sfrutta le emissioni elettromagnetiche prodotte dalle scariche stesse. La novità rispetto ai tradizionali metodi è la possibilità di eseguire misure anche mentre il motore è in funzione. Il caso di riferimento è quello di un banco motore ma il metodo proposto, se correttamente validato potrà essere impiegato a bordo veicolo in un contesto di normale funzionamento. I principali dispositivi che compongono il sistema di misura presentato sono: un’antenna log-periodica con banda di lavoro 500MHz a 3GHz, un rilevatore di picco LTC5564 adatto per lavorare a radio frequenze ed un oscilloscopio USB. L’antenna rileva le onde elettromagnetiche prodotte dalle scariche parziali. Il rilevatore di picco, dispositivo la cui uscita è proporzionale all’ampiezza del segnale d’ingresso, fornisce un segnale con spettro in frequenza ridotto rispetto all’originale. L’ oscilloscopio digitale (Picoscope), più economico rispetto ai tradizionali oscilloscopi, consente infine l’acquisizione dei segnali. Le principali “tappe” dello sviluppo del nuovo sistema sono state: la caratterizzazione delle onde elettromagnetiche emesse dalle scariche parziali; il miglioramento del rapporto segnale/rumore; la programmazione di un’interfaccia utente.

Dimostrazione di un modello analitico per la stima della produttività in una cella Seru-Seisan multiprodotto

A partire dal 1992, nell’industria elettronica giapponese, ha iniziato a diffondersi il sistema produttivo Seru Seisan: “Seru” in giapponese significa “organismo cellulare” e difatti questa modalità di produzione si basa sulla lavorazione di prodotti all’interno di celle. Esse sono formate da brevi tratti di nastro trasportatore, a seguito dello smantellamento di lunghe linee di assemblaggio, in cui lavorano un numero limitato di operatori multi-skilled. All’interno di un Seru possono essere lavorate più tipologie di prodotto ed ogni prodotto lavorato viene completato all’interno della cella stessa. Questo sistema produttivo a bassa automazione si rivela particolarmente adatto per operazioni di assemblaggio e consente di fronteggiare la dinamicità del mercato caratterizzata da elevata varietà e bassi volumi: il layout di un Seru, infatti, può essere riconfigurato rapidamente e richiede bassi investimenti in attrezzatura. In questo elaborato vengono presentati i Seru Seisan, descrivendone le principali caratteristiche e configurazioni unitamente alla loro origine. Dal momento che molti tentativi di applicazione di tale sistema produttivo risultano infruttuosi, soprattutto al di fuori del Giappone, viene proposto un quadro generale per l’implementazione e un algoritmo euristico per risolvere il problema di formazione e assegnazione degli operatori alle celle, minimizzando il costo totale di cross-training e bilanciando il carico di lavoro. Infine, viene presentato il lavoro di ricerca del presente elaborato che ha l’obiettivo di dimostrare il modello analitico che sta alla base del funzionamento di un Seru Divisionale, arrivando a stimare la produttività di una produzione multiprodotto. La formula a cui si giunge viene testata in due casi numerici reali, mostrando come alla progressiva diminuzione del numero di operatori all’interno di una cella, si ottenga un aumento della produttività della cella stessa.

Analisi ed efficientamento di un impianto tecnologico di lavorazione a freddo delle lamiere per la produzione di elettrodomestici in serie: il caso Electrolux S.p.A.

L'elaborato di tesi prende in esame il processo di produzione della linea “Pordenone”, in funzione nello stabilimento forlivese, di Electrolux S.P.A., azienda leader mondiale nella produzione di elettrodomestici e apparecchiature per l'uso domestico. Ragione del presente studio è l’acquisizione dell’opportuna comprensione del funzionamento dell’impianto al fine di individuare le inefficienze, le causali di fermata per la pianificazione della produzione o per gli interventi di manutenzione correttiva dei guasti, in modo da poter suggerire azioni di miglioramento. Per monitorare il processo di produzione è stato applicato all'oggetto di indagine lo studio del diagramma di Pareto, che ha permesso di evidenziare le principali causali all'origine della riduzione di produttività. Oltre a suggerire ipotesi di azioni di miglioramento, si è sottolineata l'importanza del coinvolgimento motivazionale degli operatori nelle procedure di lavoro, e l'opportunità di una maggiore implementazione del sistema informatico. Ragioni di carattere economico o di sicurezza dell'operatore, non hanno permesso di accogliere alcuni suggerimenti proposti, mentre sono state apportate migliorie nella produzione attraverso la riduzione delle fermate di lavoro. Nell'attuale clima di incertezza produttiva e di calo di domanda da parte di alcuni mercati, non è facile elaborare strategie di produzione innovative, tali da garantire la qualità del prodotto offerto e i risultati economici attesi, nel rispetto autentico dell'ambiente della collettività. Tuttavia, si ritiene che le informazioni generate da un adeguato monitoraggio del sistema offrano la possibilità di guardare avanti verso i progressi, piuttosto che concentrare la propria attenzione sulle opportunità mancate, e che le stesse informazioni possano trasformare l'agire dalla reattività (azione dopo il fatto) alla proattività (agire in anticipo) per migliorare efficacemente il processo di produzione.

Ottimizzazione di un Data Warehouse con Google Cloud Platform

I dati sono una risorsa di valore inestimabile per tutte le organizzazioni. Queste informazioni vanno da una parte gestite tramite i classici sistemi operazionali, dall’altra parte analizzate per ottenere approfondimenti che possano guidare le scelte di business. Uno degli strumenti fondamentali a supporto delle scelte di business è il data warehouse. Questo elaborato è il frutto di un percorso di tirocinio svolto con l'azienda Injenia S.r.l. Il focus del percorso era rivolto all'ottimizzazione di un data warehouse che l'azienda vende come modulo aggiuntivo di un software di nome Interacta. Questo data warehouse, Interacta Analytics, ha espresso nel tempo notevoli criticità architetturali e di performance. L’architettura attualmente usata per la creazione e la gestione dei dati all'interno di Interacta Analytics utilizza un approccio batch, pertanto, l’obiettivo cardine dello studio è quello di trovare soluzioni alternative batch che garantiscano un risparmio sia in termini economici che di tempo, esplorando anche la possibilità di una transizione ad un’architettura streaming. Gli strumenti da utilizzare in questa ricerca dovevano inoltre mantenersi in linea con le tecnologie utilizzate per Interacta, ossia i servizi della Google Cloud Platform. Dopo una breve dissertazione sul background teorico di questa area tematica, l'elaborato si concentra sul funzionamento del software principale e sulla struttura logica del modulo di analisi. Infine, si espone il lavoro sperimentale, innanzitutto proponendo un'analisi delle criticità principali del sistema as-is, dopodiché ipotizzando e valutando quattro ipotesi migliorative batch e due streaming. Queste, come viene espresso nelle conclusioni della ricerca, migliorano di molto le performance del sistema di analisi in termini di tempistiche di elaborazione, di costo totale e di semplicità dell'architettura, in particolare grazie all'utilizzo dei servizi serverless con container e FaaS della piattaforma cloud di Google.

Analytic Network Process (ANP) a supporto della scelta della strategia produttiva: sviluppo e test di un approccio decisionale

Di fronte alla concorrenza globale, la sopravvivenza di un'azienda manifatturiera dipende sempre più da come essa può progettare, gestire e strutturare al meglio il proprio sistema di produzione per far fronte alla diversità dei prodotti, per migliorare l'affidabilità di consegna e anche per ridurre i costi. In questo contesto, le aziende manifatturiere utilizzano spesso sistemi di produzione diversi, in base a ciò che richiede il mercato. Molto in generale, i sistemi produttivi possono essere classificati in due categorie principali: make-to-stock (MTS) e make-to-order (MTO), in base alla politica di risposta alla domanda del mercato. Nel nuovo contesto competitivo le aziende si sono trovate a dover produrre costantemente prodotti specifici e di alta qualità con costi unitari bassi e livelli di servizio elevati (ossia, tempi di consegna brevi). È chiaro, dunque, che una delle principali decisioni strategiche da prendere da parte delle aziende sia quella relativa alla ripartizione dei prodotti in MTS/MTO, ovvero quale prodotto o famiglia di prodotti può essere fabbricato per essere stoccato a magazzino (MTS), quale può essere prodotto su ordinazione (MTO) e quale dovrebbe essere fabbricato in base alla politica di produzione ibrida MTS/MTO. Gli ultimi anni hanno mostrato una serie di cambiamenti nella politica di produzione delle aziende, che si stanno gradualmente spostando sempre più verso la modalità̀ di produzione ibrida MTS/MTO. In particolare, questo elaborato si concentrerà sul delayed product differentiation (DPD), una particolare strategia produttiva ibrida, e ne verrà proposto un modello decisionale basato sul funzionamento dell’Analytic Network Process (ANP) implementato attraverso il software Superdecisions.

Progetto di un tagliaerba zero turn elettrico

L’obiettivo di questa trattazione è quello di illustrare il processo di realizzazione di una nuova macchina tagliaerba. L’azienda ospitante, Grillo S.p.A., ha permesso di prendere parte attivamente alla realizzazione di un loro nuovo prodotto. Il trattorino tagliaerba in questione appartiene alla tipologia “Zero-Turn” (raggio di sterzata zero) ed è completamente elettrico. Poiché la macchina è già prodotta dalla concorrenza da circa cinque anni, l’obiettivo aziendale è quello di realizzare un articolo robusto e adatto alle esigenze di semi-professionisti, con un prezzo accattivante in modo da accaparrarsi una parte di mercato ancora scoperta. Proprio per differenziarsi, l’idea è di fornire accessori utili all’utente, ancora non presenti su macchine concorrenti. A tal fine, è stato progettato un frustino tagliabordi, installabile come optional nel macchinario, adatto a compensare la problematica insita nei tagliaerba con piatto di taglio centrale che hanno difficoltà nel consentire di contornare alberi, piante e cordoli. Il prodotto consente altresì di tagliare piccole rive o fossi, grazie all’inclinazione regolabile. Sempre nell’ottica della realizzazione di un prodotto innovativo e competitivo, si è deciso di progettare un layout diverso dagli articoli della concorrenza, caratterizzato dalla presenza di un solo motore che aziona le due lame mediante una cinghia di trasmissione.

Sviluppo di un modello Simulink per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria

Obiettivo di questo progetto di tesi è la realizzazione di un modello per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria: l’elettrificazione in ambito automotive richiede un approfondito studio delle problematiche termiche allo scopo di incrementare l’efficienza del veicolo, le performance e la vita della batteria. In particolare, l’oggetto di ricerca consiste nella modellazione di una pompa di calore. Partendo dalla definizione dei requisiti e degli obiettivi del sistema di gestione termica, ogni componente della pompa di calore viene analizzato modellato e connesso all’intero sistema. La modellazione è stata affrontata mediante l’utilizzo dell’ambiente MATLAB/Simulink. Il primo passo è stato avanzato nell’analisi del ciclo termodinamico ideale, analizzando il comportamento di vari fluidi frigorigeni, la funzionalità dei singoli componenti e l’interazione di quest’ultimi al variare delle condizioni di funzionamento, principalmente potenze scambiate, pressioni, temperature e portata massica di refrigerante. Il principale lavoro di simulazione è legato alla realizzazione di un modello configurabile dell’intero apparato di gestione termica della batteria per un veicolo elettrico. Per mezzo dello studio delle relazioni termodinamiche dei componenti principali del ciclo frigorifero sono state valutate tutte le grandezze che variano durante le trasformazioni che compie il fluido refrigerante all’interno del ciclo frigorifero. L’attività di validazione del modello implementato è stata svolta mediante il confronto tra le condizioni del fluido refrigerante determinate mediante le relazioni termodinamiche e quelle ottenute valutando le trasformazioni sui diagrammi di stato dei fluidi frigorigeni trattati. Il modello implementato è da ritenersi primordiale nel contesto legato alla modellazione e controllo dei sistemi di gestione termica per i sistemi propulsivi dei veicoli elettrici a batteria.

Analisi di un metodo per la discriminazione delle particelle neutre nell'ambito dell'esperimento FOOT

L'adroterapia è una delle tecniche utilizzate ad oggi per trattare i tumori ed è basata sull'utilizzo di fasci di particelle cariche, come protoni e ioni carbonio, accelerati sulla zona da trattare. A differenza dei fotoni, utilizzati in radioterapia, le particelle cariche permettono un rilascio di energia più mirato, danneggiando il DNA delle cellule tumorali fino ad impedirne la duplicazione, senza intaccare i tessuti sani circostanti. Per sfruttare al meglio questa tecnica è necessario conoscere a fondo i processi di frammentazione nucleare che possono avere luogo durante il trattamento, sui quali si hanno ancora insufficienti dati sperimentali, in particolare a proposito della frammentazione del bersaglio. L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) nasce proprio per poter misurare le sezioni d'urto differenziali dei processi di frammentazione nucleare alle tipiche energie dell'adroterapia, dai 60 MeV/u ai 400 MeV/u. Allo stato attuale l'esperimento è dotato di un apparato per la rivelazione di frammenti carichi pesanti e uno per quelli leggeri, mentre non ha un sistema di rivelazione per le particelle neutre. Si sta quindi valutando la possibilità di aggiungere rivelatori di neutroni, per esempio gli scintillatori liquidi BC-501A, i quali permettono di discriminare fotoni da neutroni grazie alla diversa forma del segnale prodotto (Pulse Shape Discrimination). Per studiare le prestazioni di questi rivelatori, essi si stanno attualmente testando alla facility n_TOF del CERN con diverse sorgenti di particelle. In questo lavoro di tesi mi sono occupata di analizzare i segnali raccolti da due BC-501A con una sorgente AmBe di raggi γ e neutroni, con schermo in piombo, e con una sorgente 88Y di soli raggi γ, evidenziando le buone capacità di questi rivelatori di identificare correttamente neutroni e fotoni.

L'approccio Multi-stakeholder per la progettazione di servizi abilitati da tecnologia in sanità: il caso dell'Ospedale Maggiore di Parma

Alcuni cambiamenti demografici, come l’aumento dell’età media della popolazione, stanno spingendo il mondo sanitario ad innovarsi. In questo contesto, emergono i servizi abilitati da tecnologia che assicurano alcuni vantaggi essenziali per raggiungere un’assistenza sanitaria centrata sulle persone. Per progettare soluzioni tecnologiche innovative che stiano al passo con i cambiamenti, viene proposto l’approccio del service design. In particolare si presenta la CeHRes Roadmap che, attraverso sei steps iterativi, guida il team di progettazione dall’analisi del contesto alla realizzazione di una soluzione che soddisfi i bisogni degli stakeholder. Le prime tre fasi di tale metodologia sono state applicate ad un caso studio reale, quello dell’Ospedale Maggiore di Parma. In particolare, si è progettata una soluzione che rende più efficiente la presa in carico dei pazienti che necessitano di una visita specialistica urgente. Lo strumento di analisi preponderante sono state le interviste agli stakeholder dalle quali sono stati raccolti dati qualitativi grezzi. Dall’analisi e rielaborazione di questi ultimi, sono stati estrapolati i bisogni degli attori chiave in ottica di una visione orientata alle persone. Successivamente si è proposto il pretotipo di una soluzione che, a seguito di test con gli utilizzatori, è stato modificato sulla base dei loro feedback. Il prodotto finale del progetto è un pretotipo finale che rispetta tutti i requisiti emersi nel corso dell’intero processo di progettazione. Tuttavia, la CeHRes Roadmap, si concentra solo sulle relazioni diadiche tra stakeholder. Per questo il lavoro è stato approfondito in ottica multi-stakeholder con l’applicazione del Service Design For Value Network, una metodologia che pone l’accento sulle relazioni molti-a-molti. L’elaborato si conclude con la definizione degli steps futuri da percorrere per la realizzazione del pretotipo proposto, portando a termine la CeHRes Roadmap.

Studio di ossidi misti Ti/Zr/O per la valorizzazione catalitica di furfurale a GVL in un reattore continuo in fase liquida

Il cambiamento climatico è una delle sfide più ardue che il nostro pianeta abbia mai dovuto affrontare. Negli ultimi anni si sta rendendo sempre più evidente la necessità di un profondo cambiamento ideologico e sociale in ogni campo. La Green Chemistry mira a capeggiare questo cambiamento proponendo dei principi guida in modo da indirizzare la chimica verso tale traguardo. Possibili strumenti attuativi di questa visione sono senza alcun dubbio le bioraffinerie. Raffinerie appunto, nate però per processare materie prime provenienti da fonti rinnovabili, le biomasse. Esistono diversi tipi di biomasse, dalle quali possono essere ricavate differenti molecole piattaforma. La biomassa lignocellulosica, per esempio, viene sfruttata per ottenere perlopiù composti furanici. Tra questi di particolare interesse è la furfurale(FUR), un’aldeide particolarmente reattiva dalla quale possono essere ottenute numerose sostanze chimiche ad alto valore aggiunto. Tra queste si trova il γ-valerolattone(GVL), estere ciclico a cinque atomi di carbonio, promettente prodotto preliminare nella sintesi di combustibili a base biologica e prodotti chimici di base. Il processo che porta dalla FUR al GVL comprende diversi step di reazione, alcuni catalizzati da acidità di Lewis, altri da acidità di Brønsted. Gli step di riduzione possono essere eseguiti mediante una reazione di Catalytic Transfer Hydrogenation (CTH) utilizzando isopropanolo piuttosto che H2 gassoso. La scelta del solvente/riducente assieme all’utilizzo di un sistema catalitico eterogeneo permettono la realizzazione della reazione con un basso impatto ambientale. Per quanto riguarda la scelta del sistema catalitico, particolarmente interessante è la combinazione TiO2-ZrO2. Lo scopo di questa tesi è stato quello di sintetizzare e valutare le performance di sistemi catalitici a base di ossidi misti Ti/Zr/O con diverse composizioni nella conversione della FUR a GVL in un reattore in fase liquida.

Perfezionamento di un Modem basato sulla Modulazione OFDM

Questo elaborato ha lo scopo di provare a migliore un sistema di trasmissione e ricezione basato sulla modulazione OFDM, e andando ad ottimizzare e aggiungere alcuni blocchi allo schema originario. Questo tipo di modulazione prevede l’utilizzo di più sottoportanti, che ci permette di avere un’ottimizzazione dell’efficienza di banda. Per fare ciò ci siamo serviti di due dispositivi accademici molto utili in queste applicazioni, in quanto si possono programmare via software senza dover modificare l’hardware.

Stima della cinematica degli arti superiori per il controllo dell'equilibrio di un soggetto con esoscheletro di arto inferiore

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito degli studi finalizzati al miglioramento delle condizioni di stabilità degli esoscheletri attivi per gli arti inferiori. L’obiettivo principale di questa tesi è la stima in tempo reale dell’orientamento degli arti superiori a partire dalle grandezze in uscita dall’esoscheletro e da un sistema di sensori inerziali indossabili. Il primo capitolo descrive lo stato dell’arte degli esoscheletri per gli arti inferiori seguita da una breve analisi degli studi compiuti dalla ricerca per il controllo dell’equilibrio del sistema uomo-macchina con l’impiego di metodi diversi. Nel secondo capitolo viene presentato il modello biomeccanico uomo-esoscheletro-stampelle, le strategie utilizzate per il controllo dell’equilibrio del sistema, ed i metodi impiegati per la stima dell’orientamento delle braccia del soggetto. Nel terzo capitolo vengono riportati e discussi i risultati dell’applicazione dei metodi di stima della cinematica degli arti superiori che vengono ripresi nelle conclusioni nel quarto capitolo.

Modellazione, controllo e sviluppo sperimentale di un azionamento con convertitore boost integrato per DC fast charge

La presente trattazione propone un metodo innovativo per la fast DC charge, che permette di collegare le colonnine di ricarica a 400 V ai veicoli con batteria ad 800 V. Il collegamento avviene tramite l’azionamento elettrico di propulsione, che deve dunque essere riconfigurato durante la ricarica sotto forma di “integrated boost DC/DC converter”. L'elaborato illustra il modello matematico del sistema, lo schema di controllo in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni. Infine, sono illustrate le prove a banco effettuate sul sistema in esame, la strumentazione utilizzata ed i risultati ottenuti per le configurazioni confrontate. Tuttavia, si dimostra che il metodo di ricarica richiede un’ulteriore induttanza per il collegamento al motore per evitare gli elevati ripple delle correnti di fase ed il conseguente surriscaldamento dei magneti rinvenuto durante le prove sperimentali.