Design and implementation of a testbed for data distribution management

Data Distribution Management (DDM) is a core part of High Level Architecture standard, as its goal is to optimize the resources used by simulation environments to exchange data. It has to filter and match the set of information generated during a simulation, so that each federate, that is a simulation entity, only receives the information it needs. It is important that this is done quickly and to the best in order to get better performances and avoiding the transmission of irrelevant data, otherwise network resources may saturate quickly. The main topic of this thesis is the implementation of a super partes DDM testbed. It evaluates the goodness of DDM approaches, of all kinds. In fact it supports both region and grid based approaches, and it may support other different methods still unknown too. It uses three factors to rank them: execution time, memory and distance from the optimal solution. A prearranged set of instances is already available, but we also allow the creation of instances with user-provided parameters. This is how this thesis is structured. We start introducing what DDM and HLA are and what do they do in details. Then in the first chapter we describe the state of the art, providing an overview of the most well known resolution approaches and the pseudocode of the most interesting ones. The third chapter describes how the testbed we implemented is structured. In the fourth chapter we expose and compare the results we got from the execution of four approaches we have implemented. The result of the work described in this thesis can be downloaded on sourceforge using the following link: https://sourceforge.net/projects/ddmtestbed/. It is licensed under the GNU General Public License version 3.0 (GPLv3).

Groundwater recharge estimation in a data sparse arid catchment of westbank. Stima della ricarica delle falde acquifere in bacini aridi e carenti di osservazioni idrometriche: il Darga in Cisgiordania.

Il seguente elaborato è frutto del lavoro di ricerca, della durata di cinque mesi, svolto presso il Department of Catchment Hydrology del centro di ricerca UFZ (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung) con sede in Halle an der Saale, Germania. L’obiettivo della Tesi è la stima della ricarica della falda acquifera in un bacino idrografico sprovvisto di serie di osservazioni idrometriche di lunghezza significativa e caratterizzato da clima arido. Il lavoro di Tesi è stato svolto utilizzando un modello afflussi-deflussi concettualmente basato e spazialmente distribuito. La modellistica idrologica in regioni aride è un tema a cui la comunità scientifica sta dedicando numerosi sforzi di ricerca, presentando infatti ancora numerosi problemi aperti dal punto di vista tecnico-scientifico, ed è di primaria importanza per il sostentamento delle popolazioni che vi abitano. Le condizioni climatiche in queste regioni fanno sì che la falda acquifera superficiale sia la principale fonte di approvvigionamento; una stima affidabile della sua ricarica, nel tempo e nello spazio, permette un corretta gestione delle risorse idriche, senza la quale il fabbisogno idrico di queste popolazioni non potrebbe essere soddisfatto. L’area oggetto di studio è il bacino idrografico Darga, una striscia di terra di circa 74 km2, situata in Cisgiordania, la cui sezione di chiusura si trova a circa 4 kilometri dalla costa del Mar Morto, mentre lo spartiacque a monte, ubicato a Nord-ovest, dista circa 3 kilometri dalla città di Gerusalemme.

Modeling, characterization and microalgal cultivation in an airlift panel photobioreactors.

Microalgae cultures are attracting great attentions in many industrial applications. However, one of the technical challenges is to cut down the capital and operational costs of microalgae production systems, with special difficulty in reactor design and scale-up. The thesis work open with an overview on the microalgae cultures as a possible answer to solve some of the upcoming planet issues and their applications in several fields. After the work offers a general outline on the state of the art of microalgae culture systems, taking a special look to the enclosed photobioreactors (PBRs). The overall objective of this study is to advance the knowledge of PBRs design and lead to innovative large scale processes of microalgae cultivation. An airlift flat panel photobioreactor was designed, modeled and experimentally characterized. The gas holdup, liquid flow velocity and oxygen mass transfer of the reactor were experimentally determined and mathematically modeled, and the performance of the reactor was tested by cultivation of microalgae. The model predicted data correlated well with experimental data, and the high concentration of suspension cell culture could be achieved with controlled conditions. The reactor was inoculated with the algal strain Scenedesmus obliquus sp. first and with Chlorella sp. later and sparged with air. The reactor was operated in batch mode and daily monitored for pH, temperature, and biomass concentration and activity. The productivity of the novel device was determined, suggesting the proposed design can be effectively and economically used in carbon dioxide mitigation technologies and in the production of algal biomass for biofuel and other bioproducts. Those research results favored the possibility of scaling the reactor up into industrial scales based on the models employed, and the potential advantages and disadvantages were discussed for this novel industrial design.

Implementation of network entropy algorithms on hpc machines, with application to high-dimensional experimental data

Network Theory is a prolific and lively field, especially when it approaches Biology. New concepts from this theory find application in areas where extensive datasets are already available for analysis, without the need to invest money to collect them. The only tools that are necessary to accomplish an analysis are easily accessible: a computing machine and a good algorithm. As these two tools progress, thanks to technology advancement and human efforts, wider and wider datasets can be analysed. The aim of this paper is twofold. Firstly, to provide an overview of one of these concepts, which originates at the meeting point between Network Theory and Statistical Mechanics: the entropy of a network ensemble. This quantity has been described from different angles in the literature. Our approach tries to be a synthesis of the different points of view. The second part of the work is devoted to presenting a parallel algorithm that can evaluate this quantity over an extensive dataset. Eventually, the algorithm will also be used to analyse high-throughput data coming from biology.

Gestione e diffusione di un codice open source

In questa tesi verranno chiariti i concetti di open source e software libero e alcune nozioni utili a comprenderli. Verranno poi spiegate brevemente le licenze GPLv3 AGPLv3 e LGPLv3. Infine verrà spiegato come applicare la licenza GPLv3 al proprio programma, e verranno forniti alcuni consigli su come diffonderlo nel web.

Possibili soluzioni per garantire qos nelle comunicazioni inter-data centers in ambienti cloud computing.

Nel presente lavoro, partendo dalla definizione di alcuni punti chiavi del concetto di cloud computing, si è insistito molto sulle problematiche relative alle performance degli ambenti cloud, e alle diverse proposte attualmente presenti sul mercato con i relativi limiti. Dopo averle illustrate in modo dettagliato, le diverse proposte sono state tra loro messe a confronto al fine di evidenziare, per ciascuna di essa, tanto gli aspetti positivi quanto i punti di criticità.

Ecological modelling for next generation sequencing data

Le tecniche di next generation sequencing costituiscono un potente strumento per diverse applicazioni, soprattutto da quando i loro costi sono iniziati a calare e la qualità dei loro dati a migliorare. Una delle applicazioni del sequencing è certamente la metagenomica, ovvero l'analisi di microorganismi entro un dato ambiente, come per esempio quello dell'intestino. In quest'ambito il sequencing ha permesso di campionare specie batteriche a cui non si riusciva ad accedere con le tradizionali tecniche di coltura. Lo studio delle popolazioni batteriche intestinali è molto importante in quanto queste risultano alterate come effetto ma anche causa di numerose malattie, come quelle metaboliche (obesità, diabete di tipo 2, etc.). In questo lavoro siamo partiti da dati di next generation sequencing del microbiota intestinale di 5 animali (16S rRNA sequencing) [Jeraldo et al.]. Abbiamo applicato algoritmi ottimizzati (UCLUST) per clusterizzare le sequenze generate in OTU (Operational Taxonomic Units), che corrispondono a cluster di specie batteriche ad un determinato livello tassonomico. Abbiamo poi applicato la teoria ecologica a master equation sviluppata da [Volkov et al.] per descrivere la distribuzione dell'abbondanza relativa delle specie (RSA) per i nostri campioni. La RSA è uno strumento ormai validato per lo studio della biodiversità dei sistemi ecologici e mostra una transizione da un andamento a logserie ad uno a lognormale passando da piccole comunità locali isolate a più grandi metacomunità costituite da più comunità locali che possono in qualche modo interagire. Abbiamo mostrato come le OTU di popolazioni batteriche intestinali costituiscono un sistema ecologico che segue queste stesse regole se ottenuto usando diverse soglie di similarità nella procedura di clustering. Ci aspettiamo quindi che questo risultato possa essere sfruttato per la comprensione della dinamica delle popolazioni batteriche e quindi di come queste variano in presenza di particolari malattie.

The atmospheric stable boundary layer: Data analysis and comparison with similarity theories

The objective of this dissertation is to study the structure and behavior of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in stable conditions. This type of boundary layer is not completely well understood yet, although it is very important for many practical uses, from forecast modeling to atmospheric dispersion of pollutants. We analyzed data from the SABLES98 experiment (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain, 1998), and compared the behaviour of this data using Monin-Obukhov's similarity functions for wind speed and potential temperature. Analyzing the vertical profiles of various variables, in particular the thermal and momentum fluxes, we identified two main contrasting structures describing two different states of the SBL, a traditional and an upside-down boundary layer. We were able to determine the main features of these two states of the boundary layer in terms of vertical profiles of potential temperature and wind speed, turbulent kinetic energy and fluxes, studying the time series and vertical structure of the atmosphere for two separate nights in the dataset, taken as case studies. We also developed an original classification of the SBL, in order to separate the influence of mesoscale phenomena from turbulent behavior, using as parameters the wind speed and the gradient Richardson number. We then compared these two formulations, using the SABLES98 dataset, verifying their validity for different variables (wind speed and potential temperature, and their difference, at different heights) and with different stability parameters (zita or Rg). Despite these two classifications having completely different physical origins, we were able to find some common behavior, in particular under weak stability conditions.

Performance based earthquake engineering: Il metodo P.E.E.R. applicazione su un caso di studio.

L’approccio performance-based nell’Ingegneria sismica è una metodologia di progetto che tiene esplicitamente in conto la performance dell’edificio tra i criteri progettuali. Nell’ambito dei metodi PBEE (Performance-Based Earthquake Engineering) di seconda generazione, quello proposto dal PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center) risulta essere il più diffuso. In esso la performance dell’edificio oggetto di studio viene valutata in termini quantitativi secondo le 3D’s (dollars, deaths, downtime – soldi, decessi, inutilizzo), quantità di notevole interesse per l’utente finale. Il metodo si compone di quattro step, indipendenti tra loro fino alla sintesi finale. Essi sono: l’analisi di pericolosità, l’analisi strutturale, l’analisi di danno, l’analisi delle perdite o di loss. Il risultato finale è la curva di loss, che assegna ad ogni possibile perdita economica conseguente all’evento sismico una probabilità di superamento nell’arco temporale di riferimento. Dopo la presentazione del metodo PEER, si è provveduto ad una sua applicazione su di un caso di studio, nella fattispecie un telaio piano di quattro campate, multipiano, in calcestruzzo armato, costruito secondo le norme del ’92. Per l’analisi di pericolosità si è fatto ricorso alle mappe di pericolosità disponibili sul sito INGV, mentre per l’analisi strutturale si è utilizzato il software open-source OpenSees. Le funzioni di fragilità e quelle di loss sono state sviluppate facendo riferimento alla letteratura scientifica, in particolare il bollettino Fib numero 68 “Probabilistic performance-based seismic design”. In questa sede ci si è concentrati unicamente sulla stima delle perdite economiche, tralasciando le altre due variabili decisionali. Al termine del procedimento si è svolta un’analisi di sensitività per indagare quali parametri influenzino maggiormente la curva di loss. Data la curva di pericolosità, il legame EDP(IM) e la deformazione ultima a collasso risultano essere i più rilevanti sul risultato dell’analisi.

Simulazioni di named data networking per reti veicolari

Le reti veicolari, anche dette VANET, sono da tempo oggetto di studio. Durante il periodo di ricerca svolto presso l'Università della California Los Angeles (UCLA) è stato possibile studiare i protocolli adatti allo scambio di contenuti fra i veicoli secondo il paradigma del Named Data Networking (NDN). Il Named Data Networking rappresenta un nuovo modello di comunicazione per il reperimento dei contenuti all'interno della rete. Nelle VANET ogni veicolo è potenzialmente un fornitore di contenuti, oltre che un richiedente. L'infrastruttura di riferimento posta all'interno del campus universitario permette il reperimento di dati necessario allo studio del problema, non solo da un punto di vista pratico ma anche da un punto di vista teorico. Infatti, data la tipologia dei test e le difficoltà intrinseche che essi comportano, l'attività di simulazione svolge un ruolo importante per lo sviluppo e lo studio del protocollo all'interno delle reti veicolari. L'attività di ricerca svolta si articola nei seguenti aspetti: introduzione al nuovo paradigma di comunicazione: principi del Named Data Networking, funzionamento di NDN, reti veicolari, applicabilità di NDN alle VANET; modelli di mobilità per le reti veicolari: linee guida per la costruzione di un modello di mobilità, situazione attuale dei modelli disponibili, simulatori di rete, strumenti utilizzati e il loro funzionamento; attività di simulazione: pianificazione e implementazione di diverse tipologie di scenari di reti veicolari; analisi dei dati raccolti dalla fase precedente: vengono elaborati i dati raccolti e si cerca di catturarne gli aspetti più significativi. L'obiettivo è quello di condurre uno studio di fattibilità sull'applicazione di NDN alle reti mobili, in particolare alle reti veicolari in ambito urbano. Al momento in cui è iniziata la collaborazione con il gruppo di ricerca del Network Research Lab di UCLA, era da poco stata rilasciata la prima versione di NDN contenente l'estensione pensata per il veicolare, quindi non erano presenti in letteratura studi condotti per questo tipo di scenari. Lo scopo è quello di estrarre informazioni e ricavarne significative indicazioni sulle prestazioni del sistema.

Pavement and alignment design of a new rural road in the province of Bologna

This thesis aims to give a general view of pavement types all over the world, by showing the different characteristics of each one and its different life steps starting from construction, passing by maintenance and arriving until recycling phase. The flexible pavement took the main part of this work because it has been used in the last part of this thesis to design a project of a rural road. This project is located in the province of Bologna-Italy (‘Comune di Argelato’, 26 km in the north of Bologna), and has 5677, 81 m of length. A pavement design was made using the program BISAR 3.0 and a fatigue life study was made, also, in order to estimate the number of loads (in terms of heavy vehicles axle) to cause road’s failure . An alignment design was made for this project and a safety study was established in order to check if the available sight distance at curves respects the safety norms or not, by comparing it to the stopping sight distance. Different technical sheets are demonstrated and several cases are discussed in order to clarify the main design principles and underline the main hazardous cases to be avoided especially at intersection. This latter, its type’s choice depends on several factors in order to make the suitable design according to the environmental data. At this part of the road, the safety is a primordial point due to the high accident rate in this zone. For this reason, different safety aspects are discussed especially at roundabouts, signalized intersections, and also some other common intersection types. The design and the safety norms are taken with reference to AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), ACT (Transportation Association of Canada), and also according to Italian norms (Decreto Ministeriale delle Starde).

Sensor Data Fusion e applicazioni

Un trattato che illustra tutto quello che riguarda il Sensor Data Fusion sin dagli strumenti basilari fino alle applicazioni di specializzate

Software per l'analisi di Big Data su più livelli e sua applicazione a tracce di Google

Con l'avanzare della tecnologia, i Big Data hanno assunto un ruolo importante. In questo lavoro è stato implementato, in linguaggio Java, un software volto alla analisi dei Big Data mediante R e Hadoop/MapReduce. Il software è stato utilizzato per analizzare le tracce rilasciate da Google, riguardanti il funzionamento dei suoi data center.

Fog escaping: un'applicazione di mobile data CrowdSourcing per il supporto alla mobilità veicolare

In questa Tesi di laurea, si è affrontato il problema della mobilità veicolare in caso di nebbie. Si è quindi sviluppato un prototipo con architettura Client-Server, che si è soffermato maggiormente sull’analisi dei dati per la creazione di un percorso alternativo. Si è preso in considerazione il sistema operativo mobile di Apple, iOS7 che rappresenta uno dei Sistemi Operativi mobili maggiormente presenti sul mercato oggigiorno e che possiede un buon bacino di utenze. La parte Server è stata sviluppata secondo l’architettura REST; è presente un Server HTTP che riceve richieste e risponde in modo adeguato ai Client tramite lo scambio bidirezionale di dati in formato JSON. Nella parte Server è inclusa la base di dati: un componente molto importante poiché implementa al suo interno, parte della logica di Sistema tramite stored procedure. La parte Client è un’applicazione per dispositivi iPad e iPhone chiamata Fog Escaping; essa è stata sviluppata secondo il pattern MVC (Model- View-Controller). Fog Escaping implementa un algoritmo Greedy di ricerca del percorso alternativo, che può essere utilizzato per diverse tipologie di applicazioni.

Analisi e realizzazione di una piattaforma basate sul Cloud Computing per il trattamento dei Big Data.

L'elaborato introduce i concetti di Big Data, Cloud Computing e le tipologie di paradigmi basati sul calcolo parallelo. Trasformando questi concetti in pratica tramite un caso di studio sui Big Data. Nell'elaborato si spiega l'architettura proposta per l'elaborazione di report in formato pdf. Analaizando in fine i risultati ottenuti.