A framework for cyber-physical system simulation

In these last years, systems engineering has became one of the major research domains. The complexity of systems has increased constantly and nowadays Cyber-Physical Systems (CPS) are a category of particular interest: these, are systems composed by a cyber part (computer-based algorithms) that monitor and control some physical processes. Their development and simulation are both complex due to the importance of the interaction between the cyber and the physical entities: there are a lot of models written in different languages that need to exchange information among each other. Normally people use an orchestrator that takes care of the simulation of the models and the exchange of informations. This orchestrator is developed manually and this is a tedious and long work. Our proposition is to achieve to generate the orchestrator automatically through the use of Co-Modeling, i.e. by modeling the coordination. Before achieving this ultimate goal, it is important to understand the mechanisms and de facto standards that could be used in a co-modeling framework. So, I studied the use of a technology employed for co-simulation in the industry: FMI. In order to better understand the FMI standard, I realized an automatic export, in the FMI format, of the models realized in an existing software for discrete modeling: TimeSquare. I also developed a simple physical model in the existing open source openmodelica tool. Later, I started to understand how works an orchestrator, developing a simple one: this will be useful in future to generate an orchestrator automatically.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Multiphase flow in porous media: meta-modeling techniques for sensitivity analysis and risk assessment

One of the biggest challenges that contaminant hydrogeology is facing, is how to adequately address the uncertainty associated with model predictions. Uncertainty arise from multiple sources, such as: interpretative error, calibration accuracy, parameter sensitivity and variability. This critical issue needs to be properly addressed in order to support environmental decision-making processes. In this study, we perform Global Sensitivity Analysis (GSA) on a contaminant transport model for the assessment of hydrocarbon concentration in groundwater. We provide a quantification of the environmental impact and, given the incomplete knowledge of hydrogeological parameters, we evaluate which are the most influential, requiring greater accuracy in the calibration process. Parameters are treated as random variables and a variance-based GSA is performed in a optimized numerical Monte Carlo framework. The Sobol indices are adopted as sensitivity measures and they are computed by employing meta-models to characterize the migration process, while reducing the computational cost of the analysis. The proposed methodology allows us to: extend the number of Monte Carlo iterations, identify the influence of uncertain parameters and lead to considerable saving computational time obtaining an acceptable accuracy.

Numerical modeling on the short-term response of fiber-reinforced concrete round panels

Fiber-reinforced concrete is a composite material consisting of discrete, discontinuous, and uniformly distributed fibers in plain concrete primarily used to enhance the tensile properties of the concrete. FRC performance depends upon the fiber, interface, and matrix properties. The use of fiber-reinforced concrete has been increasing substantially in the past few years in different fields of the construction industry such as ground-level application in sidewalks and building floors, tunnel lining, aircraft parking, runways, slope stabilization, etc. Many experiments have been performed to observe the short-term and long-term mechanical behavior of fiber-reinforced concrete in the last decade and numerous numerical models have been formulated to accurately capture the response of fiber-reinforced concrete. The main purpose of this dissertation is to numerically calibrate the short-term response of the concrete and fiber parameters in mesoscale for the three-point bending test and cube compression test in the MARS framework which is based on the lattice discrete particle model (LDPM) and later validate the same parameters for the round panels. LDPM is the most validated theory in mesoscale theories for concrete. Different seeds representing the different orientations of concrete and fiber particles are simulated to produce the mean numerical response. The result of numerical simulation shows that the lattice discrete particle model for fiber-reinforced concrete can capture results of experimental tests on the behavior of fiber-reinforced concrete to a great extent.