Calculation of the eigenfunctions of the two-group neutron diffusion equation and application to modal decomposition of BWR instabilities

In this thesis, numerical methods aiming at determining the eigenfunctions, their adjoint and the corresponding eigenvalues of the two-group neutron diffusion equations representing any heterogeneous system are investigated. First, the classical power iteration method is modified so that the calculation of modes higher than the fundamental mode is possible. Thereafter, the Explicitly-Restarted Arnoldi method, belonging to the class of Krylov subspace methods, is touched upon. Although the modified power iteration method is a computationally-expensive algorithm, its main advantage is its robustness, i.e. the method always converges to the desired eigenfunctions without any need from the user to set up any parameter in the algorithm. On the other hand, the Arnoldi method, which requires some parameters to be defined by the user, is a very efficient method for calculating eigenfunctions of large sparse system of equations with a minimum computational effort. These methods are thereafter used for off-line analysis of the stability of Boiling Water Reactors. Since several oscillation modes are usually excited (global and regional oscillations) when unstable conditions are encountered, the characterization of the stability of the reactor using for instance the Decay Ratio as a stability indicator might be difficult if the contribution from each of the modes are not separated from each other. Such a modal decomposition is applied to a stability test performed at the Swedish Ringhals-1 unit in September 2002, after the use of the Arnoldi method for pre-calculating the different eigenmodes of the neutron flux throughout the reactor. The modal decomposition clearly demonstrates the excitation of both the global and regional oscillations. Furthermore, such oscillations are found to be intermittent with a time-varying phase shift between the first and second azimuthal modes.

Studio di un'infrastruttura di supporto al controllo e alla gestione della circolazione dei treni nelle stazioni

Il sistema ferroviario ha sempre ricoperto un ruolo rilevante nel nostro Paese sia per il trasporto di persone, sia per il trasporto di merci: risulta, quindi, essenziale per il commercio e per il turismo. A differenza della strada in cui i veicoli circolano “a vista”, una ferrovia richiede che i sistemi di distanziamento dei treni siano indipendenti dalla visibilità dei veicoli, poiché gli spazi di frenatura sono solitamente molto maggiori della distanza di visibilità stessa. Per questo motivo i sistemi di segnalamento e sicurezza ricoprono un ruolo di primo piano. Nel tempo sono stati effettuati ingenti investimenti che hanno portato all'impiego di nuove tecnologie le quali hanno permesso la progettazione di sistemi safety critical contenenti componenti informatici hardware e software. La caratteristica principale di tali sistemi è la proprietà di non arrecare danno alla vita umana o all'ambiente: tale proprietà viene comunemente associata al termine anglosassone safety per distinguerla dall’accezione di "protezione da violazioni all'integrità del sistema" che il termine "sicurezza" usualmente assume. Lo sviluppo economico e tecnologico a cui abbiamo assistito nell’ultimo ventennio ha inevitabilmente reso tali sistemi ancora più sofisticati e di conseguenza complessi, richiedendo allo stesso tempo requisiti e garanzie di buon funzionamento sempre più marcati ed articolati. È proprio a questi motivi che si devono gli studi su quella che viene definita la dependability dei sistemi di computazione, verso cui si concentrano e convogliano buona parte degli sforzi e delle risorse in fase di ricerca e progettazione. Il lavoro di tesi che segue è stato svolto in collaborazione con due grandi imprese del territorio nazionale: RFI (Reti Ferroviarie Italiane) e Sirti. Inizialmente abbiamo interagito con RFI per entrare nell’ambiente ferroviario ed assimilarne il lessico e i bisogni. All’interno di RFI è stato effettuato un tirocinio nel quale ci siamo occupati del “processo off-line” riguardante la gestione in sicurezza di una stazione; tale attività deve essere effettuata da RFI prima della messa in esercizio di una nuova stazione. Per far questo abbiamo dovuto utilizzare i programmi di preparazione dei dati messi a disposizione da Sirti. In un secondo momento abbiamo approfondito l’argomentazione della safety interfacciandoci con Sirti, una delle società che forniscono sistemi safety critical computerizzati per il controllo delle stazioni. In collaborazione con essa ci siamo addentrati nel loro sistema scoprendo le loro scelte implementative e come hanno raggiunto i loro obiettivi di safety. Infine, ci siamo occupati dell'inserimento nel sistema di una nuova funzionalità, per aumentarne l’affidabilità e la sicurezza, e delle problematiche relative all'impiego del componente che la realizza.

Clinical applicability of an US model to calculate the head blood outflow through collateral vessels.

Le vene giugulari interne sembrano essere la via principale attraverso cui il sangue defluisce dal cervello verso il cuore, quando siamo in posizione supina. Nel 2008 il professor Paolo Zamboni ha scoperto che una diminuzione dell'attività giugulare può portare allo sviluppo di una condizione emodinamica chiamata CCSVI. Questa può causare ipossia, ritardi nella perfusione cerebrale e riduzione del drenaggio dei cataboliti, oltre ad un'attivazione infiammatoria delle piccole vene e dei tessuti vicini. Questa condizione è stata da subito associata alla sclerosi multipla e su questo argomento si sono dibattuti molti gruppi di ricerca. Inoltre, altre patologie sembrano essere associate alla CCSVI, come il morbo di Parkinson, l'Alzheimer e la sindrome di Meniere. Proprio quest'ultima è uno degli argomenti che attualmente interessa di più il gruppo di lavoro in cui mi sono inserita. Questa patologia comporta problemi uditivi, come sordità e tinnito, vertigini e nausea. Il gruppo Vascolar Disease Center (VDC) dell'Università di Ferrara ha previsto per l'anno 2015 uno studio multicentrico, in cui si cercherà di verificare la correlazione tra CCSVI e sindrome di Meniere. La mia tesi fa parte di un studio preliminare a quello multicentrico. All'inizio del lavoro mi sono dedicata ad un'analisi critica di un modello emodinamico per la quantificazione dei flussi sanguigni: il modello BMC, pubblicato nel 2013 dal gruppo VDC, effettuando in parallelo una ricerca bibliografica sullo stato dell'arte in materia. In seguito ho cominciato a studiare off-line diversi studi patologici e fisiologici, in modo da prendere confidenza con gli strumenti e con le metodologie da utilizzare. Sono stata poi coinvolta dal gruppo VDC per partecipare attivamente al miglioramento del protocollo legato al modello BMC. Infine ho analizzato, con due metodologie differenti, 35 studi effettuati su pazienti otorinolaringoiatrici. Con i risultati ottenuti ho potuto effettuare diverse analisi statistiche al fine di verificare l'equivalenza delle due metodologie. L'obiettivo ultimo era quello di stabilire quale delle due fosse la tecnica migliore da utilizzare, successivamente, nello studio multicentrico.

Sviluppo e validazione di una App Android per il riconoscimento dell'attivita motoria tramite Smartphones e Smartwatch

In questo progetto di tesi saranno applicate tecniche appartenenti al campo della bioingegneria, indirizzate al riconoscimento delle attività motorie e all’analisi del movimento umano. E' stato definito un protocollo di ricerca necessario per il raggiungimento degli obiettivi finali. Si è quindi implementata un’App Android per l’acquisizione e il salvataggio dei dati provenienti dai principali sensori di Smartwatch e Smartphone, utilizzati secondo le modalità indicate nel protocollo. Successivamente i dati immagazzinati nei dispositivi vengono trasferiti al Pc per effettuarne l’elaborazione off-line, in ambiente Matlab. Per facilitare la seguente procedura di sincronizzazione dei dati intra e inter-device, tutti i sensori sono stati salvati, dall’App Android, secondo uno schema logico definito. Si è perciò verificata la possibilità del riconoscimento del contesto e dell’attività nell’uso quotidiano dei dispositivi. Inoltre si è sviluppato un algoritmo per la corretta identificazione del numero dei passi, indipendentemente dall’orientamento del singolo dispositivo. Infatti è importante saper rilevare in maniera corretta il numero di passi effettuati, soprattutto nei pazienti che, a causa di diverse patologie, non riescono ad effettuare una camminata fluida, regolare. Si è visto come il contapassi integrato nei sistemi commerciali per il fitness più diffusi (Smartwatch), pecca soprattutto in questa valutazione, mentre l’algoritmo, appositamente sviluppato, è in grado di garantire un’analisi accettabile a prescindere dal tipo di attività svolta, soprattutto per i dispositivi posizionati in L5. Infine è stato implementato un algoritmo, che sfrutta il filtro di Kalman e un modello biomeccanico appositamente sviluppato, per estrapolare l’evoluzione dell’angolo Tronco-Coscia. Avere a disposizione tale informazione e perciò conoscere la biomeccanica e la cinematica del corpo umano, rende possibile l’applicazione di questa procedura in svariati campi in ambito clinico e non.

Metodi di pirolisi analitica per la determinazione di microplastiche di polistirene in tessuti biologici

Nel presente lavoro di tesi sono presentati i primi risultati di un nuovo metodo basato sulla pirolisi analitica off-line per l’analisi quali-quantitativa di microplastiche di polistirene in tessuti biologici. I prodotti di pirolisi sono stati intrappolati testando due tecniche di campionamento, estrazione in fase solida (SPE) tramite cartucce adsorbenti e microestrazione in fase solida (SPME) tramite fibra adsorbente, per essere analizzati in gas cromatografia-spettrometria di massa. È stato testato un protocollo di pretrattamento della matrice biologica (digestione alcalina) ed estrazione con toluene prima di applicare la pirolisi analitica. Il pretrattamento della matrice biologica ha portato a dei buoni risultati garantendo un efficiente digestione dei tessuti biologici (> 97%). L’utilizzo del toluene come solvente di estrazione, ha permesso la separazione del polistirene dalla matrice biologica che poteva interferire nelle analisi. La pirolisi del polistirene genera cromatogrammi caratterizzati dalla presenza dello stirene come prodotto principale di degradazione. L’analisi quantitativa è stata condotta utilizzando il metodo dello standard interno e l’area del picco cromatografico dello stirene. Sono state determinate le principali caratteristiche delle tecniche SPE e SPME: precisione, linearità e recuperi. La tecnica SPE, presentando dei recuperi ed un grado di precisione più accettabili, è stata applicata a campioni di tessuti biologici provenienti da esperimenti in vivo di mitili esposti a basse concentrazioni di PS. I risultati delle analisi indicano la presenza di PS nei tessuti dei mitili a livelli del ug/g. Il metodo sviluppato presenta dati promettenti e potenzialità per monitorare l’inquinamento da PS nei tessuti biologici, tuttavia anche dei limiti che richiedono ulteriori indagini e miglioramenti in studi futuri.

Design and implementation of an optimal motion cueing algorithm for the Stuttgart Driving Simulator

Driving simulators emulate a real vehicle drive in a virtual environment. One of the most challenging problems in this field is to create a simulated drive as real as possible to deceive the driver's senses and cause the believing to be in a real vehicle. This thesis first provides an overview of the Stuttgart driving simulator with a description of the overall system, followed by a theoretical presentation of the commonly used motion cueing algorithms. The second and predominant part of the work presents the implementation of the classical and optimal washout algorithms in a Simulink environment. The project aims to create a new optimal washout algorithm and compare the obtained results with the results of the classical washout. The classical washout algorithm, already implemented in the Stuttgart driving simulator, is the most used in the motion control of the simulator. This classical algorithm is based on a sequence of filters in which each parameter has a clear physical meaning and a unique assignment to a single degree of freedom. However, the effects on human perception are not exploited, and each parameter must be tuned online by an engineer in the control room, depending on the driver's feeling. To overcome this problem and also consider the driver's sensations, the optimal washout motion cueing algorithm was implemented. This optimal control-base algorithm treats motion cueing as a tracking problem, forcing the accelerations perceived in the simulator to track the accelerations that would have been perceived in a real vehicle, by minimizing the perception error within the constraints of the motion platform. The last chapter presents a comparison between the two algorithms, based on the driver's feelings after the test drive. Firstly it was implemented an off-line test with a step signal as an input acceleration to verify the behaviour of the simulator. Secondly, the algorithms were executed in the simulator during a test drive on several tracks.