Modelli PLI per la pianificazione di attività di satelliti

Questo lavoro è incentrato sulla pianificazione delle acquizioni e scaricamento del satellite PLATiNO. Le operazioni permesse a questo satellite sono vincolate da varie attività tra cui acquisizioni, manovre e scaricamento di dati. L'obiettivo finale è quello di soddisfare più richieste possibili massimizzando le operazioni del satellite senza però violare i vincoli imposti. A questo scopo, è stato sviluppato un modello in formulazione MILP per una versione rilassata del problema. In questa Tesi vengono innanzitutto trattati i principali argomenti di programmazione lineare e intera in modo da poter affrontare il modello matematico inerente al problema di downlink di PLATiNO. Successivamente viene descritto nel dettaglio il problema da modellizzare, con particolare attenzione alla strategia di downlink, che costituisce l'aspetto più problematico nella costruzione del modello. Si opta, infatti, per una formulazione mista rilassando i vincoli inerenti allo scaricamento dei dati. Infine, vengono valutate le prestazioni del modello rilassato confrontandolo con la sua versione esatta.

Approfondimento della modellazione parametrica per la valutazione delle capriate lignee. Analisi degli spostamenti e degli stati deformativi della copertura della Cattedrale di San Pietro a Bologna.

La presente tesi si posiziona all’interno di un percorso di ricerca avviato riguardante lo studio delle coperture lignee di vari edifici storici. Gli obiettivi del lavoro consistono nel fornire un quadro generale sullo stato dell’arte della modellazione parametrica per la diagnosi di strutture lignee storiche, completare e approfondire lo studio delle capriate della Cattedrale di S.Pietro a Bologna ed effettuare un confronto sia in termini quantitativi che di velocità esecutiva con metodologia e risultati degli studi precedenti. Il metodo proposto,è stato perfezionato grazie ai feedback ottenuti in corso d’opera a seguito della sua applicazione a nuovi casi studio.L’intento principale è quello di consentire maggior automatizzazione e parametrizzazione del metodo per conferire alle procedure di modellazione un carattere generalizzato e rapidamente replicabile.Sono state ottimizzate le fasi di editing della nuvola di punti e di vettorializzazione delle sezioni degli elementi strutturali.Al fine di approfondire la conoscenza di queste strutture,si è acquisito il rilievo 3D completo del sottotetto dell’edificio con laser scanner.Il primo output consiste quindi in una nuvola di punti dalla quale sono state estrapolate le singole capriate;da queste è possibile estrarre le sezioni delle aste afferenti ai nodi,poi vettorializzate tramite software di modellazione parametrica:sono stati utilizzati algoritmi,programmati e testati nei precedenti studi,che generano 3 modelli per ogni capriata:il modello di rilievo, il modello proiettato e quello “ideale o teorico”.Comparando i modelli e la nuvola di punti di rilievo è possibile analizzare spostamenti e deformazioni delle capriate,ottenere informazioni sul loro comportamento puntale e trarre considerazioni sullo“stato di salute”globale del sottotetto.I dati raccolti permettono di acquisire una maggiore consapevolezza sulle capriate oggetto di indagine e potrebbero essere utilizzati per progettare eventuali interventi di recupero.

Valutazione del rischio ed analisi di affidabilità della modellazione numerica del comportamento espansivo di terreni argillosi

Il lavoro di tesi presentato ha come obiettivo la valutazione delle potenzialità del metodo di risk assessment per la stima dei rischi nel campo della progettazione geotecnica. In particolare, è stata approfondita l’applicazione dei metodi di trattamento dell’incertezza alla modellazione numerica di terreni caratterizzati da alcune tipologie di argille, il cui comportamento, al variare del grado di saturazione, può oscillare tra ritiro e rigonfiamento, provocando dissesti alle strutture sovrastanti. Ai modelli numerici creati sono stati associati dei modelli probabilistici sui quali sono state eseguite delle analisi di affidabilità associate a parametri del terreno opportunamente scelti in funzione dell’influenza sul meccanismo espansivo del suolo. È stata scelta come soglia, e dunque come stato limite, per il calcolo della probabilità di fallimento, il movimento massimo caratteristico del terreno ottenuto applicando il metodo di Mitchell per i due fenomeni. Questo metodo è adottato nelle Australian Standards, uno dei riferimenti scientifici più rilevanti per la progettazione su suoli espansivi, nonché normativa vigente in Australia, territorio ricco di argille attive. Le analisi hanno permesso di condurre alcune riflessioni circa la conservatività dei termini da normativa, fondati su approcci di carattere puramente deterministico, mostrando come a piccole variazioni plausibili degli input nel modello numerico, si possano ottenere variazioni discutibili nei risultati, illustrando così i vantaggi che comporta il trattamento dell’incertezza sui dati.

Valutazione della risposta agli sversamenti di olio in mare tramite il software ROC - Response Options Calculator

L’aumento crescente della domanda di idrocarburi a livello mondiale ha determinato un progressivo aumento dell’estrazione “offshore” e del trasporto via mare di petrolio. In questo contesto non sono da escludersi incidenti e conseguenti sversamenti di olio in mare. Sversato sulla superficie del mare, l’olio, subisce una serie di trasformazioni chimico-fisiche che prendono il nome di “processi di weathering”. In base alla quantità di prodotto rilasciato, i rilasci di olio possono portare ad ingenti danni ambientali, minando la sopravvivenza degli ecosistemi contaminati dall’olio. La condizione di rilevante criticità ambientale prodotta da uno sversamento accidentale di olio richiede la preparazione di precisi piani di intervento. Tipicamente le azioni intraprese hanno lo scopo di attuare la riduzione della massa di olio galleggiante e di evitare lo spiaggiamento dell’olio. Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito della modellazione matematica degli sversamenti superficiali di olio in mare, al fine di quantificare l’influenza delle diverse azioni di emergenza sull’olio sversato. Lo scopo della tesi è quello di testare un software denominato ROC - Response Options Calculator, per simulare i fenomeni di weathering degli sversamenti di olio in presenza di azioni di emergenza di diversa tipologia. Il lavoro di tesi è suddiviso come segue: il capitolo 1 ha un ruolo introduttivo; nel capitolo 2 è descritto in dettaglio il software ROC; nel capitolo 3 è presentata l’applicazione del codice ad un caso di studio rappresentato da una piattaforma “offshore”, per la quale sono considerati 3 differenti scenari di rilascio accidentale sulla superficie del mare, a ciascuno dei quali corrisponde una diversa risposta all’emergenza ed un diverso insieme di risorse; nello stesso capitolo è inoltre presentata l’applicazione di un’equazione per la progettazione della risposta meccanica ad uno dei rilasci del caso di studio; il capitolo 4 riporta alcune considerazioni conclusive.

Integratori esponenziali del primo ordine per problemi differenziali semi-lineari

Gli integratori esponenziali costituiscono un'ampia classe di metodi numerici per la risoluzione di equazioni differenziali ordinarie. I primi esempi risalgono a ottanta anni fa e vennero introdotti per la prima volta da Certaine e Pope, ma non hanno avuto un ruolo importante nelle applicazioni per molto tempo, in quanto fanno uso esplicito dell'esponenziale di matrice o di funzioni di matrici di grandi dimensioni. Originariamente, tali metodi vennero sviluppati per problemi stiff e successivamente vennero applicati a equazioni differenziali alle derivate parziali; l'applicazione degli integratori esponenziali a problemi di notevole rilevanza diede inizio a un rigoroso approfondimento teorico e alla costruzione di nuove classi, ad esempio con ordine di convergenza maggiore. I primi modelli di integratori esponenziali sfruttano la linearizzazione del problema e fanno uso della matrice Jacobiana. In generale, tale matrice non ha una struttura particolare e varia continuamente nel tempo, pertanto le tecniche standard per la valutazione dell'esponenziale non sono molto efficienti dal punto di vista computazionale. In questa tesi, studiamo inizialmente l'esponenziale di matrice e il Metodo di Scaling and Squaring per approssimarlo. In seguito, introduciamo alcuni metodi numerici a un passo per la risoluzione di Problemi di Cauchy; infine studiamo il Metodo di Rosenbrock - Eulero che fa uso degli integratori esponenziali per risolvere problemi differenziali con dato iniziale, ne analizziamo convergenza e stabilità e lo applichiamo all'equazione differenziale alle derivate parziali di Allen - Cahn.

Modelli matematici nella crescita e nel trattamento dei tumori

Questa tesi tratta di alcuni semplici modelli matematici, formulati in termini di equazioni differenziali ordinarie, riguardanti la crescita dei tumori e possibili trattamenti per contrastarla. Nel primo capitolo viene data un'introduzione sulla stabilità dei punti di equilibrio di sistemi di equazioni differenziali ordinarie, mentre nel secondo capitolo vengono affrontati e confrontati tre modelli ad una equazione: il modello esponenziale, il modello logistico e il modello di Gompertz. Si introducono poi due modelli a due equazioni differenziali: uno riguardante l'angiogenesi a due compartimenti e l'altro riguardante un modello lineare-quadratico applicato alla radiobiologia. Viene fatto poi un accenno ad un modello con equazioni alle derivate parziali. Infine, nell'ultimo capitolo, viene introdotto un modello a tre equazioni differenziali ordinarie a tre compartimenti in cui viene studiata l'interazione tra tre popolazioni di cellule: cellule immunitarie effettrici, cellule ospiti e cellule tumorali.

Valutazione sperimentale di approcci di TinyML per problemi di classificazione: un caso di studio con Arduino Nano 33 BLE

Il TinyMachineLearning (TinyML) è un campo di ricerca nato recentemente che si inserisce nel contesto dell’Internet delle cose (IoT). Mentre l’idea tradizionale dell’IoT era che i dati venissero inviati da un dispositivo locale a delle infrastrutture cloud per l’elaborazione, il paradigma TinyML d’altra parte, propone di integrare meccanismi basati sul Machine Learning direttamente all’interno di piccoli oggetti alimentati da microcontrollori (MCU ). Ciò apre la strada allo sviluppo di nuove applicazioni e servizi che non richiedono quindi l’onnipresente supporto di elaborazione dal cloud, che, come comporta nella maggior parte dei casi, consumi elevati di energia e rischi legati alla sicurezza dei dati e alla privacy. In questo lavoro sono stati svolti diversi esperimenti cercando di identificare le sfide e le opportunità correlate al TinyML. Nello specifico, vengono valutate e analizzate le prestazioni di alcuni algoritmi di ML integrati in una scheda Arduino Nano 33 BLE Sense, attraverso un framework TinyML. Queste valutazioni sono state effettuate conducendo cinque diversi macro esperimenti, ovvero riconoscimento di Colori, di Frequenze, di Vibrazioni, di Parole chiave e di Gesti. In ogni esperimento, oltre a valutare le metriche relative alla bontà dei classificatori, sono stati analizzati l’occupazione di memoria e il tasso di inferenza (tempo di predizione). I dati utilizzati per addestrare i classificatori sono stati raccolti direttamente con i sensori di Arduino Nano. I risultati mostrano che il TinyML può essere assolutamente utilizzato per discriminare correttamente tra diverse gamme di suoni, colori, modelli di vibrazioni, parole chiave e gesti aprendo la strada allo sviluppo di nuove promettenti applicazioni sostenibili.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.

Sviluppo e valutazione di un modello GT-Power di un motore sovralimentato ad accensione comandata e iniezione diretta alimentato ad idrogeno

Negli ultimi decenni sempre più attenzione è stata posta sugli effetti derivanti dalla produzione dell'energia. In particolare, emissioni di specie inquinanti e gas serra sono state oggetto di continue limitazioni al fine di raggiungere soluzioni energetiche sempre meno climalteranti. Ciò ha evidenziato la necessità di sviluppare nuove soluzioni inerenti alla mobilità sostenibile. Tra le possibili soluzioni, l'utilizzo di idrogeno rappresenta una delle più promettenti grazie alle proprietà chimiche che lo contraddistinguono. L'impiego di tale elemento come combustibile in un tradizionale motore a combustione interna propriamente convertito garantirebbe la possibilità di una transizione energetica progressiva grazie all'utilizzo di una tecnologia già ampiamente consolidata e avanzata. Questo lavoro si concentra sullo sviluppo di un modello 1D di un motore a combustione interna alimentato ad idrogeno per studiarne le potenzialità. Al fine di ottenere dati attendibili, si è sviluppato e validato un modello su un motore noto di cui i dati in benzina erano disponibili. Successivamente, tale modello è stato convertito all'utilizzo di idrogeno. Completata la conversione sono state svolte svariate prove al variare dei principali parametri motoristici quali: lambda, anticipo d'accensione, giri, carico. Il modello sviluppato ha mostrato risultati comparabili con i dati attualmente disponibili in letteratura al variare delle diverse condizioni operative. In particolare, alte efficienze e basse emissioni sono garantite da combustioni magre, tuttavia alti carichi non possono essere raggiunti per limiti derivanti dal gruppo di sovralimentazione. Sono stati ottenuti promettenti risultati che incoraggiano uno sviluppo avanzato del modello, con l’obbiettivo futuro di effettuare esperimenti con l’idrogeno su un motore reale.

Il modello di oscillatore armonico come caso di studio per mostrare il ruolo della matematica nella fisica: anchor equations ed epistemic games come strumenti di analisi di libri di testo e tutorial

Nel modo in cui oggigiorno viene intrapresa la ricerca, l’interdisciplinarità assume una posizione di sempre maggior rilievo in pressoché ogni ambito del sapere. Questo è particolarmente evidente nel campo delle discipline STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria, Matematica), considerando che i problemi a cui esse fanno fronte (si pensi agli studi sul cambiamento climatico o agli avanzamenti nel campo dell’intelligenza artificiale) richiedono la collaborazione ed integrazione di discipline diverse. Anche nella ricerca educativa, l’interdisciplinarità ha acquisito negli ultimi anni una notevole rilevanza ed è stata oggetto di riflessioni teoriche e di valutazioni sulle pratiche didattiche. Nell’ampio contesto di questo dibattito, questa tesi si focalizza sull’analisi dell’interdisciplinarità tra fisica e matematica, ma ancora più nel dettaglio sul ruolo che la matematica ha nei modelli fisici. L’aspetto che si vuole sottolineare è l’esigenza di superare una concezione banale e semplicistica, sebbene diffusa, per la quale la matematica avrebbe una funzione strumentale rispetto alla fisica, a favore invece di una riflessione che metta in luce il ruolo strutturale della formalizzazione matematica per l’avanzamento della conoscenza in fisica. Per fare ciò, si prende in esame il caso di studio dell’oscillatore armonico attraverso due lenti diverse che mettono in luce altrettanti temi. La prima, quella dell’anchor equation, aiuterà a cogliere gli aspetti fondamentali del ruolo strutturale della matematica nella modellizzazione dell’oscillatore armonico. La seconda, quella degli epistemic games, verrà utilizzata per indagare materiale didattico, libri di testo e tutorial, per comprendere come diverse tipologie di risorse possano condurre gli studenti ad intendere in modi diversi la relazione di interdisciplinarità tra fisica e matematica in questo contesto.

Traveling waves nei modelli di reazione e diffusione. Il modello di Tuckwell-Miura per la Cortical Spreading Depression

In questa tesi viene discusso il ruolo delle equazioni di diffusione e reazione e delle loro soluzioni di tipo traveling waves in alcuni modelli matematici per le scienze biomediche. Prima di tutto, viene analizzata l’equazione di Fisher-Kolmogorov-Petrovskii-Piskunov, che costituisce il prototipo di pdes di diffusione e reazione ad una specie. In seguito, si determinano condizioni per la nascita di instabilità di Turing nei modelli a due specie interagenti. La nostra attenzione si rivolge poi ai sistemi di diffusione e reazione con termini sorgente degeneri e caratterizzati dal possedere una famiglia di stati di equilibrio che dipende in modo continuo da un insieme di parametri. Si studiano gli effetti che una perturbazione ampia e fortemente localizzata di una delle popolazioni ha sulle soluzioni di tali sistemi e si ricavano condizioni affinché si generino traveling waves. Da ultimo, come applicazione degli studi effettuati, si analizza il modello di Tuckwell-Miura per la cortical spreading depression, un fenomeno in cui un’onda di depolarizzazione si propaga nelle cellule nervose della corteccia cerebrale.

Consumo energetico dei forni elettrici ad uso domestico: rassegna dei modelli matematici

Un forno è un oggetto costituito da una camera vuota, definita cavità, che espone in maniera controllata i materiali posti al suo interno ad un ambiente caldo. Esistono diversi tipi di forni (a gas, elettrici, a microonde, a legna) e sono utilizzati con diversi scopi a seconda delle dimensioni e di come generano il calore. Il prodotto alimentare viene cotto in forno attraverso la trasmissione di calore per irraggiamento, per convezione o per una combinazione di entrambi. Questo processo di riscaldamento richiede un elevato dispendio di energia, di cui solo il 20-25% è utilizzato per riscaldare il cibo in preparazione. I forni nello specifico sono responsabili di circa il 10-12% dell’impatto ambientale complessivo degli edifici civili, collocandosi tra i peggiori elettrodomestici in termini di efficienza energetica. A ragione di ciò, l’industria dei forni è stimolata a sviluppare tecnologie sempre più efficienti, attraverso la ricerca di un miglior controllo della temperatura interna del forno. Sono state redatte due normative europee, EN 60350 e EN 50304, che stabiliscono procedure di raccolta dati e calcolo dell’efficienza energetica di un forno per guidare i costruttori verso una progettazione a minor impatto energetico, che permetta loro di restare competitivi sul mercato. L’obiettivo del seguente lavoro bibliografico è stato quello di descrivere in maniera dettagliata le normative inerenti la determinazione dell’efficienza energetica dei forni domestici. Inoltre, è stata redatta una rassegna sistematica degli studi scientifici riguardanti la valutazione del consumo energico mediante modelli matematici.

Modelli matematici applicati alle epidemie

Il mio elaborato di tesi è basato sull'analisi generale dei modelli matematici alla base delle epidemie e lo studio dei punti di equilibrio dei sistemi che descrivono tali modelli. Il primo capitolo fornisce una descrizione degli elementi di base per lo studio che verrà poi affrontato nei capitoli successivi; nel capitolo in questione ci si riduce a introdurre nomenclatura, parametri e assunzioni di base. Nei capitoli secondo e terzo vengono esposti due tipi di modelli SIR diversi (epidemico e endemico), modelli alla base dell'epidemiologia che spiegano, sotto determinate ipotesi, il comportamento degli individui all'esplodere di una epidemia e il loro cambiamento di compartimento (suscettibile, infetto o rimosso) nel tempo. Di essi viene costruito il sistema di equazioni differenziali e analizzato il comportamento asintotico, per poi studiare i punti di equilibrio e la loro stabilità. Nel capitolo quarto viene analizzato allo stesso modo il modello SEIR, interessante perché fornisce una visione leggermente più sofisticata e vicina alla realtà, poiché tra i compartimenti possibili si suppone esistere anche un compartimento degli esposti, cioè di coloro che sono stati infettati ma che ancora non sono in grado di trasmettere la malattia. L'appendice finale illustra l'apparato matematico utile allo studio di questi modelli: le Equazioni Differenziali infatti sono uno strumento necessario per la descrizione dei fenomeni naturali e per lo studio della stabilità dei punti di equilibrio.

studio ed ottimizzazione del modello di valutazione del rapporto fra risorse ed obiettivi di consegna in un’azienda leader nel settore del packaging farmaceutico e cosmetico

Il presente elaborato di tesi riguarda uno studio che è stato portato avanti durante il tirocinio curriculare svolto nell’ufficio Engineering di Marchesini Group S.p.A., azienda leader nella produzione di macchine automatiche per il packaging di prodotti farmaceutici e cosmetici. Dopo aver riscontrato alcune criticità nelle modalità con le quali vengono attualmente pianificate e gestite le risorse appartenenti ai team produttivi e con le quali vengono valutati i carichi di lavoro, si sono elaborati dei modelli e degli strumenti che permettono di migliorare ed ottimizzare l’assegnazione delle risorse ai gruppi e di visualizzare in tempo reale la distribuzione dell’impegno di lavoro dei reparti in relazione alla disponibilità in produzione. Le proposte supportano il trend dell’attuale contesto produttivo di garantire un elevato livello di servizio al cliente rispettandone le richieste e i tempi stabiliti. Difatti, un’assegnazione corretta delle risorse in produzione consente di ridurre i ritardi e le inefficienze e, di conseguenza, di migliorare i lead time. In aggiunta, una correlazione chiara e strutturata fra le risorse e gli obiettivi raggiungibili permette di conseguire con maggiore sicurezza i risultati economici stabiliti, evitando di perdere parte del valore potenzialmente collaudabile.

Sviluppo ed implementazione di modelli di danno da alluvione per le colture pluriennali

A fronte delle politiche di gestione e mitigazione del rischio alluvionale definite dalla Direttiva Alluvioni (Direttiva 2007/60/CE), risulta necessario sviluppare modelli che riescano a quantificare le conseguenze economiche causate da eventi alluvionali a diversi settori, tra cui il settore agricolo. In questo lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di estendere un modello disponibile in letteratura per la stima del danno subito alle colture più diffuse (i.e., seminativi; AGRIDE-c, Molinari et al., 2019) ad altre colture pluriennali, i frutteti, in particolar modo pereti e meleti. Il modello è stato sviluppato a scala regionale, facendo quindi riferimento ai valori di resa, prezzo e costi delle operazioni caratteristici delle pratiche agricole dell’Emilia-Romagna. L’applicazione è stata effettuata su cinque Aree a Potenziale Rischio Significativo (APSFR) del Distretto del fiume Po' e ricadenti all’interno del medesimo territorio regionale (Panaro, Secchia, Reno, Enza, Parma-Baganza). Il modello rappresenta uno strumento utilizzabile dalle Autorità competenti sia ex-post, per la stima speditiva del danno economico subìto dagli agricoltori colpiti dall’alluvione e il loro eventuale risarcimento, che ex-ante, ovvero come strumento di supporto decisionale per le attività di tipo Cost-Benefit Analysis (CBA) nell’ambito dei piani di gestione e mitigazione del rischio.