HBIM to Virtual Reality Workflow for Industrial Archaeology Immovable Assets’ Management: A Case Study

As a witness on the industrialization in Bologna, since its first generation was born in the late 1760, the Battiferro lock has been coping with the innovation that the city experienced throughout the centuries, until it has lost its functionality due to the technological development for which Bologna’s canals were gradually covered starting from the 1950s under Giuseppe Dozza ’s administration, as part of the reconstruction, reclamation and urban requalification that was carried out in the aftermath the World War II and which involved the whole city. The interest of the research carried out on this case study was primarily to reintroduce the landmark that is still intact, to what is considered to be the fourth generation of the industrial revolution, namely in the construction field, which is recognized as Construction 4.0, by means of the Historic (or Heritage) Information Modeling HBIM and Virtual Reality (VR) application. A scan-to-BIM approach was followed to create 3D as-built BIM model, as a first step towards the storytelling of the abandoned industrial built asset in VR environment, or as a seed for future applications such as Digital Twins (DT), heritage digital learning, sustainable impact studies, and/or interface with other interfaces such as GIS. Based on the HBIM product, examples of the primary BIM deliverables such as 2D layouts is given, then a workflow to VR is proposed and investigated the reliability of data and the type of users that may benefit of the VR experience, then the potential future development of the model is investigated, with comparison of a relatively similar experience in the UK.

Modeling and simulation of a synthetic genetic circuit that implements a multicelled behavior in a growing microcolony of E. coli

Synthetic Biology is a relatively new discipline, born at the beginning of the New Millennium, that brings the typical engineering approach (abstraction, modularity and standardization) to biotechnology. These principles aim to tame the extreme complexity of the various components and aid the construction of artificial biological systems with specific functions, usually by means of synthetic genetic circuits implemented in bacteria or simple eukaryotes like yeast. The cell becomes a programmable machine and its low-level programming language is made of strings of DNA. This work was performed in collaboration with researchers of the Department of Electrical Engineering of the University of Washington in Seattle and also with a student of the Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica at the University of Bologna: Marilisa Cortesi. During the collaboration I contributed to a Synthetic Biology project already started in the Klavins Laboratory. In particular, I modeled and subsequently simulated a synthetic genetic circuit that was ideated for the implementation of a multicelled behavior in a growing bacterial microcolony. In the first chapter the foundations of molecular biology are introduced: structure of the nucleic acids, transcription, translation and methods to regulate gene expression. An introduction to Synthetic Biology completes the section. In the second chapter is described the synthetic genetic circuit that was conceived to make spontaneously emerge, from an isogenic microcolony of bacteria, two different groups of cells, termed leaders and followers. The circuit exploits the intrinsic stochasticity of gene expression and intercellular communication via small molecules to break the symmetry in the phenotype of the microcolony. The four modules of the circuit (coin flipper, sender, receiver and follower) and their interactions are then illustrated. In the third chapter is derived the mathematical representation of the various components of the circuit and the several simplifying assumptions are made explicit. Transcription and translation are modeled as a single step and gene expression is function of the intracellular concentration of the various transcription factors that act on the different promoters of the circuit. A list of the various parameters and a justification for their value closes the chapter. In the fourth chapter are described the main characteristics of the gro simulation environment, developed by the Self Organizing Systems Laboratory of the University of Washington. Then, a sensitivity analysis performed to pinpoint the desirable characteristics of the various genetic components is detailed. The sensitivity analysis makes use of a cost function that is based on the fraction of cells in each one of the different possible states at the end of the simulation and the wanted outcome. Thanks to a particular kind of scatter plot, the parameters are ranked. Starting from an initial condition in which all the parameters assume their nominal value, the ranking suggest which parameter to tune in order to reach the goal. Obtaining a microcolony in which almost all the cells are in the follower state and only a few in the leader state seems to be the most difficult task. A small number of leader cells struggle to produce enough signal to turn the rest of the microcolony in the follower state. It is possible to obtain a microcolony in which the majority of cells are followers by increasing as much as possible the production of signal. Reaching the goal of a microcolony that is split in half between leaders and followers is comparatively easy. The best strategy seems to be increasing slightly the production of the enzyme. To end up with a majority of leaders, instead, it is advisable to increase the basal expression of the coin flipper module. At the end of the chapter, a possible future application of the leader election circuit, the spontaneous formation of spatial patterns in a microcolony, is modeled with the finite state machine formalism. The gro simulations provide insights into the genetic components that are needed to implement the behavior. In particular, since both the examples of pattern formation rely on a local version of Leader Election, a short-range communication system is essential. Moreover, new synthetic components that allow to reliably downregulate the growth rate in specific cells without side effects need to be developed. In the appendix are listed the gro code utilized to simulate the model of the circuit, a script in the Python programming language that was used to split the simulations on a Linux cluster and the Matlab code developed to analyze the data.

Cube Complexes and Virtual Fibering of 3-Manifolds.

Una 3-varietà si dice virtualmente fibrata se ammette un rivestimento finito che è un fibrato con base una circonferenza e fibra una superficie. In seguito al lavoro di geometrizzazione di Thurston e Perelman, la generica 3-varietà risulta essere iperbolica; un recente risultato di Agol afferma che una tale varietà è sempre virtualmente fibrata. L’ingrediente principale della prova consiste nell’introduzione, dovuta a Wise, dei complessi cubici nello studio delle 3-varietà iperboliche. Questa tesi si concentra sulle proprietà algebriche e geometriche di queste strutture combinatorie e sul ruolo che esse hanno giocato nella dimostrazione del Teorema di Fibrazione Virtuale.

Longitudinal dynamics modeling and handling qualities of a conventional jet aircraft

Un noto centro di ricerca europea ha recentemente modificato un jet convenzionale di classe CS-25 in una piattaforma scientifica. Durante il processo di certificazione delle modifiche, l’impatto delle stesse sulle prestazioni è stato studiato in modo esaustivo. Per lo studio delle qualità di volo, i piloti collaudatori hanno sviluppato una procedura di certificazione ad hoc che consiste in test qualitativi separati della stabilità longitudinale, laterale e direzionale. L’obiettivo della tesi è analizzare i dati di volo, registrati durante i test di collaudo, con l'obiettivo di estrarre informazioni di carattere quantitativo circa la stabilità longitudinale del velivolo modificato. In primo luogo sono state analizzate tre diverse modifiche apportate all’aeromobile e successivamente i risultati sono stati messi a confronto per capirne l’influenza sulle qualità di volo dell’aeromobile. Le derivate aerodinamiche sono state stimate utilizzando la cosiddetta “identificazione dei parametri”, che mira a replicare le variabili registrate durante i test di volo, variando un dato insieme di coefficienti all’interno del modello linearizzato della dinamica dell’aeromobile. L'identificazione del modo di corto periodo ha consentito l'estrazione dei suoi parametri caratteristici, quali il rapporto di smorzamento e la frequenza naturale. La procedura ha consentito inoltre di calcolare il cosiddetto “Control Anticipation Parameter” (CAP), parametro caratterizzante delle qualità di volo di un aeroplano. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con i requisiti prescritti dalla normativa MIL-STD-1797-A, risultando conformi al livello più alto di qualità di volo.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

La digitalizzazione del processo costruttivo: la strategia Building Information Modeling and Management (BIMM) applicata ad un caso di studio di edilizia scolastica.

L’obiettivo della tesi è quello di fare una panoramica sulla strategia BIM e quindi sulla digitalizzazione del processo costruttivo. Grazie alla analisi di un caso di studio, altro obiettivo è quello di analizzare e valutare la metodologia BIM 4D/5D, ossia la gestione dei tempi e dei costi di realizzazione dell’opera. Nella prima fase si affronta il tema del BIM, con una analisi sull’evoluzione degli strumenti di elaborazione e rappresentazione digitale del progetto architettonico, su come questi strumenti si differenzino sia dal punto di vista operativo che concettuale rivoluzionando il flusso di lavoro odierno. Quindi, partendo da un’analisi che e ritrae l’estrema frammentazione del settore delle costruzioni, si va ad analizzare come il BIM aumenti e favorisca la collaborazione delle parti interessate, armonizzando l’intero processo costruttivo dell’opera. Si prosegue con l'esame della diffusione e del livello di maturità degli strumenti BIM, di come i privati e le amministrazioni pubbliche, a livello mondiale, stiano spingendo per favorire l’adozione della metodologia BIM. Inoltre si analizzano le dinamiche dell’interoperabilità, delle metodologie e protocolli di interscambio dati, che sono un elemento chiave per il successo del BIM per via dei numerosi strumenti, specializzati nelle varie discipline del settore edile. Nella terza parte, dedicata al Project Management di un caso di studio, si verifica la bontà delle metodologie teorizzate attraverso la realizzazione di un modello virtuale in Revit. Dal modello realizzato dal laureando sono estrapolate le informazioni necessarie alla gestione, e tramite il software STRVison CPM, si elaborano i principali documenti per la progettazione e gestione del cantiere: il CM, il CME, i tempi operativi, il cronoprogramma Gantt. Obbiettivo è constatare l’effettivo livello di maturità della strategia BIM 4D e 5D e la reale possibilità di un impiego capillare nel panorama italiano del settore delle costruzioni.

Modeling and analysis of a zipping elastomeric actuator

This thesis introduces and analyzes a dielectric elastomer actuator (DEA) working in zipping mode. Electrostatic zipping is a very familiar actuation principle used in silicon micro-electro-mechanical systems. With lower voltage supply, electrostatic zipping can provide great performance for forces and displacements of an elastic membrane. Applying this principle to dielectric elastomers, the softness of the material will provide better compliance compared to silicon materials. After the presentation of an analytical model, this thesis investigates how system geometry and elastomer pre-tensioning affect system response. Results highlight how a proper selection of system parameters makes it possible to improve system regulation and reduce operating voltage requirements. Potential applications of zipping DEAs are for microfluidic control and electro-forming.

La comunicazione attraverso la Virtual Reality

Il progetto di testi consiste in un caso di presentazione aziendale (FAAC), pensato attraverso l'utilizzo della Virtual Reality. Si tratta il percorso progettuale partendo dal Brief fino ad arrivare all'ambiente virtuale per la presentazione nelle fiere di un nuovo dissuasore mobile pensato per le infrastrutture.

Modeling and control algorithms for product phasing using smart belts

Nella seguente tesi è descritto il principio di sviluppo di una macchina industriale di alimentazione. Il suddetto sistema dovrà essere installato fra due macchine industriali. L’apparato dovrà mettere al passo e sincronizzare con la macchina a valle i prodotti che arriveranno in input. La macchina ordina gli oggetti usando una serie di nastri trasportatori a velocità regolabile.
Lo sviluppo è stato effettuato al Laboratorio Liam dopo la richiesta dell’azienda Sitma. Sitma produceva già un tipo di sistema come quello descritto in questa tesi. Il deisderio di Sitma è quindi quello di modernizzare la precedente applicazione poiché il dispositivo che le permetteva di effettuare la messa al passo di prodotti era un PLC Siemens che non è più commercializzato. La tesi verterà sullo studio dell’applicazione e la modellazione tramite Matlab-Simulink per poi proseguire ad una applicazione, seppure non risolutiva, in TwinCAT 3.

Fractional Order Modeling and Control of a Flexible Satellite

Researchers have engrossed fractional-order modeling because of its ability to capture phenomena that are nearly impossible to describe owing to its long-term memory and inherited properties. Motivated by the research in fractional modeling, a fractional-order prototype for a flexible satellite whose dynamics are governed by fractional differential equations is proposed for the first time. These relations are derived using fractional attitude dynamic description of rigid body simultaneously coupled with the fractional Lagrange equation that governs the vibration of the appendages. Two attitude controls are designed in the presence of the faults and uncertainties of the system. The first is the fractional-order feedback linearization controller, in which the stability of the internal dynamics of the system is proved. The second is the fractional-order sliding mode control, whose asymptotic stability is demonstrated using the quadratic Lyapunov function. Several nonlinear simulations are implemented to analyze the performance of the proposed controllers.

Modeling and Model Predictive Control of an Industrial Hydraulic System

This thesis aims to illustrate the construction of a mathematical model of a hydraulic system, oriented to the design of a model predictive control (MPC) algorithm. The modeling procedure starts with the basic formulation of a piston-servovalve system. The latter is a complex non linear system with some unknown and not measurable effects that constitute a challenging problem for the modeling procedure. The first level of approximation for system parameters is obtained basing on datasheet informations, provided workbench tests and other data from the company. Then, to validate and refine the model, open-loop simulations have been made for data matching with the characteristics obtained from real acquisitions. The final developed set of ODEs captures all the main peculiarities of the system despite some characteristics due to highly varying and unknown hydraulic effects, like the unmodeled resistive elements of the pipes. After an accurate analysis, since the model presents many internal complexities, a simplified version is presented. The latter is used to linearize and discretize correctly the non linear model. Basing on that, a MPC algorithm for reference tracking with linear constraints is implemented. The results obtained show the potential of MPC in this kind of industrial applications, thus a high quality tracking performances while satisfying state and input constraints. The increased robustness and flexibility are evident with respect to the standard control techniques, such as PID controllers, adopted for these systems. The simulations for model validation and the controlled system have been carried out in a Python code environment.

Modeling and Design of Phase Shifted Full Bridge Isolated DC-DC ZVS Converter with Peak Current Mode Control

Nowadays, there is a boom in the use of electrification. Electric vehicles are gaining interest worldwide due to various factors, including climate and environmental awareness. In this thesis, a step-down isolated power supply for electric tractors is investigated, specifically the phase-shifted full-bridge (PSFB) DC-DC with synchronous rectification and zero-voltage switching (ZVS). This converter was selected for its high-power capacity with high efficiency. A 3500 W PSFB converter with peak current control (PCCM) is designed and modeled in MATLAB. The input voltage range is from 550 V to 820 V and the output voltage range is limited to 9 V to 16 V with a maximum output current of 250 A. All components were commercially designed and selected, including magnetics for the high-frequency transformer and inductors, taking into account loss calculations. Zero voltage switching for the lagging leg is achieved at 13% to 100% load. The proven efficiency of the converter is around 90

Wildspace VR. Il wellness per le nuove generazioni - Studio su come la psicologia percettiva applicata alla Virtual Reality può migliorare gli effetti della Mindfulness

Dai recenti studi effettuati sulle nuove generazioni (Z e Alpha) è emerso che stress e ansia colpiscono di più i giovani che si trovano in queste fasce di età. Questa tesi, partendo dalle ricerche socio-culturali, vuole proporre una soluzione progettuale a questi problemi. Si vuole elaborare quindi un progetto sul benessere mentale attraverso la Mindfulness. Le nuove tecnologie emergenti, come ad esempio l’Extended reality, stanno trovando consenso tra le nuove generazioni. Per questo motivo è stata scelta questa tecnologia per erogare il contenuto del servizio. Si ipotizza di poter migliorare gli effetti della Mindfulness utilizzando la Psicologia Percettiva. Questo campo di studio consente di sfruttare l’alterazione della percezione nella Virtual Reality attraverso ‘Spatial Visualization’ e ‘Spatial Audio’. Queste ipotesi sono stata valutate attraverso uno studio indiretto del mercato del Wellness e consolidate attraverso una User Research. Dopo questa fase di ricerca si è valutata la strada progettuale comprendendo a fondo i bisogni del target: i giovani lavoratori. Sono stati utilizzati metodi di Design Thinking e Service Design per intraprendere il progetto, tenendo ben saldi i valori etici. Il progetto pensato, Wildspace VR, è un servizio per aziende che permette ai dipendenti di meditare con contenuti di Mindfulness in Realtà Virtuale. I contenuti proposti mirano a rispondere ai bisogni degli utenti elaborando per loro percorsi personalizzati. Le aziende traggono ricavo dal servizio avendo dipendenti profittevoli salvaguardando il loro stato di salute. L’obiettivo è aiutare i giovani lavoratori offrendogli la possibilità di praticare la Mindfulness dal luogo di lavoro grazie alla Realtà Virtuale, dando loro uno strumento per affrontare lo stress quotidiano in modo innovativo. Si è infine fatto un M.V.P. dell’esperienza, elaborando un prototipo Virtuale e stilando conclusioni ed idee per sviluppi futuri.