Requirements definition and testing of the new version of multi-mission generic monitoring system (GEMS) v 4.4 for operations at Eumetsat

EUMETSAT (www.eumetsat.int) e’ l’agenzia europea per operazioni su satelliti per monitorare clima, meteo e ambiente terrestre. Dal centro operativo situato a Darmstadt (Germania), si controllano satelliti meteorologici su orbite geostazionarie e polari che raccolgono dati per l’osservazione dell’atmosfera, degli oceani e della superficie terrestre per un servizio continuo di 24/7. Un sistema di monitoraggio centralizzato per programmi diversi all’interno dell’ambiente operazionale di EUMETSAT, e’ dato da GEMS (Generic Event Monitoring System). Il software garantisce il controllo di diverse piattaforme, cross-monitoring di diverse sezioni operative, ed ha le caratteristiche per potere essere esteso a future missioni. L’attuale versione della GEMS MMI (Multi Media Interface), v. 3.6, utilizza standard Java Server Pages (JSP) e fa uso pesante di codici Java; utilizza inoltre files ASCII per filtri e display dei dati. Conseguenza diretta e’ ad esempio, il fatto che le informazioni non sono automaticamente aggiornate, ma hanno bisogno di ricaricare la pagina. Ulteriori inputs per una nuova versione della GEMS MMI vengono da diversi comportamenti anomali riportati durante l’uso quotidiano del software. La tesi si concentra sulla definizione di nuovi requisiti per una nuova versione della GEMS MMI (v. 4.4) da parte della divisione ingegneristica e di manutenzione di operazioni di EUMETSAT. Per le attivita’ di supporto, i test sono stati condotti presso Solenix. Il nuovo software permettera’ una migliore applicazione web, con tempi di risposta piu’ rapidi, aggiornamento delle informazioni automatico, utilizzo totale del database di GEMS e le capacita’ di filtri, insieme ad applicazioni per telefoni cellulari per il supporto delle attivita’ di reperibilita’. La nuova versione di GEMS avra’ una nuova Graphical User Interface (GUI) che utilizza tecnologie moderne. Per un ambiente di operazioni come e’ quello di EUMETSAT, dove l’affidabilita’ delle tecnologie e la longevita’ dell’approccio scelto sono di vitale importanza, non tutti gli attuali strumenti a disposizione sono adatti e hanno bisogno di essere migliorati. Allo stesso tempo, un’ interfaccia moderna, in termini di visual design, interattivita’ e funzionalita’, e’ importante per la nuova GEMS MMI.

Challenges for an Integrated Water Resource Management in the Merguellil basin (Tunisia)

La risorsa acqua in zone semi-aride è sottoposta a un'estrema variabilità climatica nello spazio e nel tempo. La gestione della risorsa acqua è quindi soggetta a un insieme di sfide quando i vincoli naturali vengono uniti agli effetti indotti da attività umana come per esempio l'aumento dello sfruttamento dell'acqua di sottosuolo, cambiamento dell'uso del suolo e presenza di infrastruttura mista. Si spera che il cambiamento climatico e l'attività risultanti dallo sviluppo economico, a corto termine aumentino la pressione su un sistema ormai sensibile. Se pianificato e gestito correttamente, lo stoccaggio dell'acqua, nelle sue varie forme, funge come un meccanismo di controllo della variabilità climatica e può potenziare la capacità adattiva. Lo uadi Merguellil è un corso d'acqua a carattere non perenne al centro della Tunisia, più specificamente a est della città di Kairouan. Il Merguellil drena la pioggia sulla dorsale Tunisina insieme al uadi Zeroud e Nebhana, ed è tra i principali fiumi che scorre sulla piana di Kairouan. Lo stoccaggio dell'acqua nel bacino assume diverse forme come i laghi collinari, i terrazzi, acqua di sottosuolo e una diga. Alcune delle opzioni per lo stoccaggio dell'acqua sono state costruite per preservare la risorsa acqua, mantenere la popolazione rurale e mantenere l'equità tra le zone a monte ed a valle ma solitamente non è mai stata fatta un'analisi comprensiva dei "trade-offs" coinvolti in tali sviluppi. Anche se la ricerca è sviluppata in questa zona, finora nessuna analisi ha cercato di combinare le dinamiche del sistema idrologico con scenari gestionali. L'analisi di scenari gestionali consente ai decisori di valutare delle alternative di pianificazione e può incrementare positivamente la loro abilità di creare delle politiche che si basino sulle necessità fisiche ma anche sociali di un particolare sistema. Questo lavoro è un primo passo verso un Sistema di Gestione Integrata della Risorsa Idrica (inglese: IWMR) capace di mettere in prospettiva strategie future su diverse scale. L'uso di uno strumento metodologico illustra le sfide associate nell'affrontare questo compito. In questo caso, un modello WEAP (Water Evaluation and Planning System) è stato sviluppato in collaborazione con partners Tunisini in modo da integrare le conoscenze su processi fisici e valutare diverse tendenze come l'aumento dell'irrigazione o il cambio di alcuni aspetti climatici. Lo strumento ora è disponibile ai ricercatori locali dove potrà essere sviluppato ulteriormente a fine di indirizzare domande più specifiche. Questo lavoro focalizza lo stoccaggio dell'acqua per poter evidenziare le interazioni dinamiche tra le diverse opzioni di stoccaggio nella zona di studio e valutare i "trade-offs" tra di esse. I risultati iniziali dimostrati in questo lavoro sono: - Se lo sfruttamento degli acquiferi fosse ristretto ai livelli delle loro ricarica, la domanda d'acqua dei diversi utilizzatori non sarebbe soddisfatta al 25% dei livelli di consumo attuale. - La tendenza di incremento dell'agricoltura di irrigazione crea un impatto più accentuato nelle risorse di sottosuolo di quello creato da un'ipotetica riduzione della piovosità all'85% - L'aumento del numero di laghi collinari riduce la quantità d'acqua che arriva a valle, allo stesso tempo aumenta la quantità d'acqua "persa" per evaporazione.

Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.

Studio e implementazione di algoritmi per il tracciamento ottimo di satellite LEO da stazioni di terra di tipo radioamatoriale

Questo elaborato di tesi ha l’obbiettivo di studiare le limitazioni delle stazioni di terra nel tracciamento di satelliti in orbita LEO, investigare possibili soluzioni ed implementare queste soluzioni all’interno della Ground Station AMGS di Forlì per verificarne l’efficacia. A questo scopo, dopo un’attenta revisione della letteratura sono stati identificati due promettenti algoritmi descritti nei paper: “Trajectory optimisation to minimise antenna pointing error” di P. S. Crawford , R. J. H. Brush e “An optimal antenna motion generation using shortest path planning” di Moon-Jin Jeon , Dong-Soo Kwon. Questi algoritmi sono stati implementi in Python 3, al fine di inglobarli all’interno del software di tracking al momento in uso nella GS di Forlì, ovvero AMGS Orbit Predictor. All’interno di questo elaborato sono anche riportati i risultati dei test conseguiti e una valutazione dettagliata di questi ultimi.

Fleet Management System for Search and Rescue Operations

Over one million people lost their lives in the last twenty years from natural disasters like wildfires, earthquakes and man-made disasters. In such scenarios the usage of a fleet of robots aims at the parallelization of the workload and thus increasing speed and capabilities to complete time sensitive missions. This work focuses on the development of a dynamic fleet management system, which consists in the management of multiple agents cooperating in order to accomplish tasks. We presented a Mixed Integer Programming problem for the management and planning of mission’s tasks. The problem was solved using both an exact and a heuristic approach. The latter is based on the idea of solving iteratively smaller instances of the complete problem. Alongside, a fast and efficient algorithm for estimation of travel times between tasks is proposed. Experimental results demonstrate that the proposed heuristic approach is able to generate quality solutions, within specific time limits, compared to the exact one.

The use of remote sensing imagery for monitoring recovery in the aftermath of a natural disaster: the Hurricane Katrina Case

Although Recovery is often defined as the less studied and documented phase of the Emergency Management Cycle, a wide literature is available for describing characteristics and sub-phases of this process. Previous works do not allow to gain an overall perspective because of a lack of systematic consistent monitoring of recovery utilizing advanced technologies such as remote sensing and GIS technologies. Taking into consideration the key role of Remote Sensing in Response and Damage Assessment, this thesis is aimed to verify the appropriateness of such advanced monitoring techniques to detect recovery advancements over time, with close attention to the main characteristics of the study event: Hurricane Katrina storm surge. Based on multi-source, multi-sensor and multi-temporal data, the post-Katrina recovery was analysed using both a qualitative and a quantitative approach. The first phase was dedicated to the investigation of the relation between urban types, damage and recovery state, referring to geographical and technological parameters. Damage and recovery scales were proposed to review critical observations on remarkable surge- induced effects on various typologies of structures, analyzed at a per-building level. This wide-ranging investigation allowed a new understanding of the distinctive features of the recovery process. A quantitative analysis was employed to develop methodological procedures suited to recognize and monitor distribution, timing and characteristics of recovery activities in the study area. Promising results, gained by applying supervised classification algorithms to detect localization and distribution of blue tarp, have proved that this methodology may help the analyst in the detection and monitoring of recovery activities in areas that have been affected by medium damage. The study found that Mahalanobis Distance was the classifier which provided the most accurate results, in localising blue roofs with 93.7% of blue roof classified correctly and a producer accuracy of 70%. It was seen to be the classifier least sensitive to spectral signature alteration. The application of the dissimilarity textural classification to satellite imagery has demonstrated the suitability of this technique for the detection of debris distribution and for the monitoring of demolition and reconstruction activities in the study area. Linking these geographically extensive techniques with expert per-building interpretation of advanced-technology ground surveys provides a multi-faceted view of the physical recovery process. Remote sensing and GIS technologies combined to advanced ground survey approach provides extremely valuable capability in Recovery activities monitoring and may constitute a technical basis to lead aid organization and local government in the Recovery management.

Transportation theory and planning

The aim of this research is to analyze the transport system and its subcomponents in order to highlight which are the design tools for physical and/or organizational projects related to transport supply systems. A characteristic of the transport systems is that the change of their structures can recoil on several entities, groups of entities, which constitute the community. The construction of a new infrastructure can modify both the transport service characteristic for all the user of the entire network; for example, the construction of a transportation infrastructure can change not only the transport service characteristics for the users of the entire network in which it is part of, but also it produces economical, social, and environmental effects. Therefore, the interventions or the improvements choices must be performed using a rational decision making approach. This approach requires that these choices are taken through the quantitative evaluation of the different effects caused by the different intervention plans. This approach becomes even more necessary when the decisions are taken in behalf of the community. Then, in order to understand how to develop a planning process in Transportation I will firstly analyze the transport system and the mathematical models used to describe it: these models provide us significant indicators which can be used to evaluate the effects of possible interventions. In conclusion, I will move on the topics related to the transport planning, analyzing the planning process, and the variables that have to be considered to perform a feasibility analysis or to compare different alternatives. In conclusion I will perform a preliminary analysis of a new transit system which is planned to be developed in New York City.

Mission synthesis of sine-on-random excitations for accelerated vibration qualification testing

In most real-life environments, mechanical or electronic components are subjected to vibrations. Some of these components may have to pass qualification tests to verify that they can withstand the fatigue damage they will encounter during their operational life. In order to conduct a reliable test, the environmental excitations can be taken as a reference to synthesize the test profile: this procedure is referred to as “test tailoring”. Due to cost and feasibility reasons, accelerated qualification tests are usually performed. In this case, the duration of the original excitation which acts on the component for its entire life-cycle, typically hundreds or thousands of hours, is reduced. In particular, the “Mission Synthesis” procedure lets to quantify the induced damage of the environmental vibration through two functions: the Fatigue Damage Spectrum (FDS) quantifies the fatigue damage, while the Maximum Response Spectrum (MRS) quantifies the maximum stress. Then, a new random Power Spectral Density (PSD) can be synthesized, with same amount of induced damage, but a specified duration in order to conduct accelerated tests. In this work, the Mission Synthesis procedure is applied in the case of so-called Sine-on-Random vibrations, i.e. excitations composed of random vibrations superimposed on deterministic contributions, in the form of sine tones typically due to some rotating parts of the system (e.g. helicopters, engine-mounted components, …). In fact, a proper test tailoring should not only preserve the accumulated fatigue damage, but also the “nature” of the excitation (in this case the sinusoidal components superimposed on the random process) in order to obtain reliable results. The classic time-domain approach is taken as a reference for the comparison of different methods for the FDS calculation in presence of Sine-on-Random vibrations. Then, a methodology to compute a Sine-on-Random specification based on a mission FDS is presented.