A parallel community detection algorithm

Complex networks analysis is a very popular topic in computer science. Unfortunately this networks, extracted from different contexts, are usually very large and the analysis may be very complicated: computation of metrics on these structures could be very complex. Among all metrics we analyse the extraction of subnetworks called communities: they are groups of nodes that probably play the same role within the whole structure. Communities extraction is an interesting operation in many different fields (biology, economics,...). In this work we present a parallel community detection algorithm that can operate on networks with huge number of nodes and edges. After an introduction to graph theory and high performance computing, we will explain our design strategies and our implementation. Then, we will show some performance evaluation made on a distributed memory architectures i.e. the supercomputer IBM-BlueGene/Q "Fermi" at the CINECA supercomputing center, Italy, and we will comment our results.

Parallelization of the algorithm WHAM with NVIDIA CUDA.

The aim of my thesis is to parallelize the Weighting Histogram Analysis Method (WHAM), which is a popular algorithm used to calculate the Free Energy of a molucular system in Molecular Dynamics simulations. WHAM works in post processing in cooperation with another algorithm called Umbrella Sampling. Umbrella Sampling has the purpose to add a biasing in the potential energy of the system in order to force the system to sample a specific region in the configurational space. Several N independent simulations are performed in order to sample all the region of interest. Subsequently, the WHAM algorithm is used to estimate the original system energy starting from the N atomic trajectories. The parallelization of WHAM has been performed through CUDA, a language that allows to work in GPUs of NVIDIA graphic cards, which have a parallel achitecture. The parallel implementation may sensibly speed up the WHAM execution compared to previous serial CPU imlementations. However, the WHAM CPU code presents some temporal criticalities to very high numbers of interactions. The algorithm has been written in C++ and executed in UNIX systems provided with NVIDIA graphic cards. The results were satisfying obtaining an increase of performances when the model was executed on graphics cards with compute capability greater. Nonetheless, the GPUs used to test the algorithm is quite old and not designated for scientific calculations. It is likely that a further performance increase will be obtained if the algorithm would be executed in clusters of GPU at high level of computational efficiency. The thesis is organized in the following way: I will first describe the mathematical formulation of Umbrella Sampling and WHAM algorithm with their apllications in the study of ionic channels and in Molecular Docking (Chapter 1); then, I will present the CUDA architectures used to implement the model (Chapter 2); and finally, the results obtained on model systems will be presented (Chapter 3).

A multi-objective genetic algorithm optimisation using variable speed pumps in water distribution systems

Due to its practical importance and inherent complexity, the optimisation of distribution networks for supplying drinking water has been the subject of extensive study for the past 30 years. The optimization is governed by sizing the pipes in the water distribution network (WDN) and / or optimises specific parts of the network such as pumps, tanks etc. or try to analyse and optimise the reliability of a WDN. In this thesis, the author has analysed two different WDNs (Anytown City and Cabrera city networks), trying to solve and optimise a multi-objective optimisation problem (MOOP). The main two objectives in both cases were the minimisation of Energy Cost (€) or Energy consumption (kWh), along with the total Number of pump switches (TNps) during a day. For this purpose, a decision support system generator for Multi-objective optimisation used. Its name is GANetXL and has been developed by the Center of Water System in the University of Exeter. GANetXL, works by calling the EPANET hydraulic solver, each time a hydraulic analysis has been fulfilled. The main algorithm used, was a second-generation algorithm for multi-objective optimisation called NSGA_II that gave us the Pareto fronts of each configuration. The first experiment that has been carried out was the network of Anytown city. It is a big network with a pump station of four fixed speed parallel pumps that are boosting the water dynamics. The main intervention was to change these pumps to new Variable speed driven pumps (VSDPs), by installing inverters capable to diverse their velocity during the day. Hence, it’s been achieved great Energy and cost savings along with minimisation in the number of pump switches. The results of the research are thoroughly illustrated in chapter 7, with comments and a variety of graphs and different configurations. The second experiment was about the network of Cabrera city. The smaller WDN had a unique FS pump in the system. The problem was the same as far as the optimisation process was concerned, thus, the minimisation of the energy consumption and in parallel the minimisation of TNps. The same optimisation tool has been used (GANetXL).The main scope was to carry out several and different experiments regarding a vast variety of configurations, using different pump (but this time keeping the FS mode), different tank levels, different pipe diameters and different emitters coefficient. All these different modes came up with a large number of results that were compared in the chapter 8. Concluding, it should be said that the optimisation of WDNs is a very interested field that has a vast space of options to deal with. This includes a large number of algorithms to choose from, different techniques and configurations to be made and different support system generators. The researcher has to be ready to “roam” between these choices, till a satisfactory result will convince him/her that has reached a good optimisation point.

An optical sensor for online hematocrit measurement: characterization and fitting algorithm development

Lo scopo del presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di un sensore ottico per la lettura di ematocrito e lo sviluppo dell’algoritmo di calibrazione del dispositivo. In altre parole, utilizzando dati ottenuti da una sessione di calibrazione opportunamente pianificata, l’algoritmo sviluppato ha lo scopo di restituire la curva di interpolazione dei dati che caratterizza il trasduttore. I passi principali del lavoro di tesi svolto sono sintetizzati nei punti seguenti: 1) Pianificazione della sessione di calibrazione necessaria per la raccolta dati e conseguente costruzione di un modello black box.  Output: dato proveniente dal sensore ottico (lettura espressa in mV)  Input: valore di ematocrito espresso in punti percentuali ( questa grandezza rappresenta il valore vero di volume ematico ed è stata ottenuta con un dispositivo di centrifugazione sanguigna) 2) Sviluppo dell’algoritmo L’algoritmo sviluppato e utilizzato offline ha lo scopo di restituire la curva di regressione dei dati. Macroscopicamente, il codice possiamo distinguerlo in due parti principali: 1- Acquisizione dei dati provenienti da sensore e stato di funzionamento della pompa bifasica 2- Normalizzazione dei dati ottenuti rispetto al valore di riferimento del sensore e implementazione dell’algoritmo di regressione. Lo step di normalizzazione dei dati è uno strumento statistico fondamentale per poter mettere a confronto grandezze non uniformi tra loro. Studi presenti, dimostrano inoltre un mutazione morfologica del globulo rosso in risposta a sollecitazioni meccaniche. Un ulteriore aspetto trattato nel presente lavoro, riguarda la velocità del flusso sanguigno determinato dalla pompa e come tale grandezza sia in grado di influenzare la lettura di ematocrito.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Environmental impact assessment of the School of Engineering and Architecture (Lazzaretto) - A pathway towards LEED certification

The current work has for object the improvement and the maintenance of the School of Engineering and Architecture in Via Terracini 28 (Bologna), with the prospective to maximize the operative efficiency reducing to the minimum the environmental impact and the costs. In order to realize this work the LEED certification has been used. LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) is a certification system of the buildings. It was born in United States by the U.S. Green Building Council (USGBC)

Motion Cueing Algorithm Development in a 2DOF Driving Simulator: a Driving Behaviour-Centered Approach

I simulatori di guida sono strumenti altamente tecnologici che permettono di svolgere attività di ricerca in vari ambiti quali la psicologia, la medicina e l’ingegneria. Tuttavia, affinché i dati ottenuti mediante le simulazioni siano rapportabili alla loro controparte reale, la fedeltà delle componenti del simulatore di guida deve essere elevata. Questo lavoro tratta del miglioramento del sistema di restituzione del movimento nel simulatore a due gradi di libertà (2DOF) SIMU-LACET Driving Simulator, costruito e sviluppato presso il laboratorio LEPSIS dell’IFSTTAR (Istituto Francese delle Scienze e Tecnologie dei Trasporti, dello Sviluppo e delle Reti), in particolare nella sua sede di Parigi – Marne-la-Vallée. Si è deciso di andare a riprogettare la parte software del sistema di restituzione del movimento (motion cueing), operando su due elementi principali: lo scale factor (fattore di scala) applicato agli impulsi dinamici provenienti dal modello veicolare e i Motion Cueing Algorihms (MCA, algoritmi di restituzione del movimento), questo per entrambi i gradi di libertà. Si è quindi intervenuti sul modello esistente implementato in MATLAB-Simulink nello specifico blocco del motion cueing sul surge (traslazione longitudinale) e sul yaw (imbardata). Riguardo lo scale factor, è stata introdotta una metodologia per creare uno scale factor non lineare in forma esponenziale, tale da migliorare la restituzione degli impulsi meno ampi, pur rispettando i limiti fisici della piattaforma di movimento. Per quanto concerne il MCA, si sono vagliate diverse transfer function dell’algoritmo classico. La scelta finale dei MCA e la validazione del motion cueig in genere è stata effettuata mediante due esperimenti ed il giudizio dei soggetti che vi hanno partecipato. Inoltre, in virtù dei risultati del primo esperimento, si è investigata l’influenza che la strategia in merito al cambio delle marce avesse sulla percezione del movimento da parte del guidatore.

Economic and Environmental Optimization of Ornamental Stone Block Cutting with a 3D Algorithm

This thesis focuses on finding the optimum block cutting dimensions in terms of the environmental and economic factors by using a 3D algorithm for a limestone quarry in Foggia, Italy. The environmental concerns of quarrying operations are mainly: energy consumption, material waste, and pollution. The main economic concerns are the block recovery, the selling prices, and the production costs. Fractures adversely affect the block recovery ratio. With a fracture model, block production can be optimized. In this research, the waste volume produced by quarrying was minimised to increase the recovery ratio and ensure economic benefits. SlabCutOpt is a software developed at DICAM–University of Bologna for block cutting optimization which tests different cutting angles on the x-y-z planes to offer up alternative cutting methods. The program tests several block sizes and outputs the optimal result for each entry. By using SlabCutOpt, ten different block dimensions were analysed, the results indicated the maximum number of non-intersecting blocks for each dimension. After analysing the outputs, the block named number 1 with the dimensions ‘1mx1mx1m’ had the highest recovery ratio as 43% and the total Relative Money Value (RMV) with a value of 22829. Dimension number 1, also had the lowest waste volume, with a value of 3953.25 m3, for the total bench. For cutting the total bench volume of 6932.25m3, the diamond wire cutter had the lowest dust emission values for the block with the dimension ‘2mx2mx2m’, with a value of 24m3. When compared with the Eco-Label standards, block dimensions having surface area values lower than 15m2, were found to fit the natural resource waste criteria of the label, as the threshold required 25% of minimum recovery [1]. Due to the relativity of production costs, together with the Eco-Label threshold, the research recommends the selection of the blocks with a surface area value between 6m2 and 14m2.

What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

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.

Compliance verification of virtual Phasor Measuring Unit using Ip-DFT algorithm according to the IEEE-60255-118-1(2018).

With the increase in load demand for various sectors, protection and safety of the network are key factors that have to be taken into consideration over the electric grid and distribution network. A phasor Measuring unit is an Intelligent electronics device that collects the data in the form of a real-time synchrophasor with a precise time tag using GPS (Global positioning system) and transfers the data to the grid command to monitor and assess the data. The measurements made by PMU have to be very precise to protect the relays and measuring equipment according to the IEEE 60255-118-1(2018). As a device PMU is very expensive to research and develop new functionalities there is a need to find an alternative to working with. Hence many open source virtual libraries are available to replicate the exact function of PMU in the virtual environment(Software) to continue the research on multiple objectives, providing the very least error results when verified. In this thesis, I executed performance and compliance verification of the virtual PMU which was developed using the I-DFT (Interpolated Discrete Fourier transforms) C-class algorithm in MATLAB. In this thesis, a test environment has been developed in MATLAB and tested the virtually developed PMU on both steady state and dynamic state for verifying the latest standard compliance(IEEE-60255-118-1).

Energy and memory consumption of SHA256 algorithm

L'efficienza dei computer ha un limite inferiore dettato dal principio di Landauer. La distruzione di una qualsiasi informazione ha un costo energetico per la dissipazione dei bit che la formavano. L'unico modo per aggirare il principio di Landauer è attraverso la reversibilità. Questa tecnica di computazione ci permette di eseguire un programma senza dover distruggere informazioni e quindi, senza dissipare bit. Molti algoritmi ai giorni nostri hanno un grande impatto energetico sul mondo, ed uno di questi è SHA256, l'algoritmo usato nella block-chain di Bitcoin. Questa tesi si pone l'obbiettivo di analizzare il consumo energetico e di memoria di una implementazione di SHA256 reversibile ideale.

Development of a heterogeneous clustering algorithm for particle shower reconstruction in high energy physics using the SYCL abstraction layer

Nei prossimi anni è atteso un aggiornamento sostanziale di LHC, che prevede di aumentare la luminosità integrata di un fattore 10 rispetto a quella attuale. Tale parametro è proporzionale al numero di collisioni per unità di tempo. Per questo, le risorse computazionali necessarie a tutti i livelli della ricostruzione cresceranno notevolmente. Dunque, la collaborazione CMS ha cominciato già da alcuni anni ad esplorare le possibilità offerte dal calcolo eterogeneo, ovvero la pratica di distribuire la computazione tra CPU e altri acceleratori dedicati, come ad esempio schede grafiche (GPU). Una delle difficoltà di questo approccio è la necessità di scrivere, validare e mantenere codice diverso per ogni dispositivo su cui dovrà essere eseguito. Questa tesi presenta la possibilità di usare SYCL per tradurre codice per la ricostruzione di eventi in modo che sia eseguibile ed efficiente su diversi dispositivi senza modifiche sostanziali. SYCL è un livello di astrazione per il calcolo eterogeneo, che rispetta lo standard ISO C++. Questo studio si concentra sul porting di un algoritmo di clustering dei depositi di energia calorimetrici, CLUE, usando oneAPI, l'implementazione SYCL supportata da Intel. Inizialmente, è stato tradotto l'algoritmo nella sua versione standalone, principalmente per prendere familiarità con SYCL e per la comodità di confronto delle performance con le versioni già esistenti. In questo caso, le prestazioni sono molto simili a quelle di codice CUDA nativo, a parità di hardware. Per validare la fisica, l'algoritmo è stato integrato all'interno di una versione ridotta del framework usato da CMS per la ricostruzione. I risultati fisici sono identici alle altre implementazioni mentre, dal punto di vista delle prestazioni computazionali, in alcuni casi, SYCL produce codice più veloce di altri livelli di astrazione adottati da CMS, presentandosi dunque come una possibilità interessante per il futuro del calcolo eterogeneo nella fisica delle alte energie.

Simulation and Implementation of a PMSM Sensorless Control Algorithm for Submarine Applications

In this thesis, the study and the simulation of two advanced sensorless speed control techniques for a surface PMSM are presented. The aim is to implement a sensorless control algorithm for a submarine auxiliary propulsion system. This experimental activity is the result of a project collaboration with L3Harris Calzoni, a leader company in A&D systems for naval handling in military field. A Simulink model of the whole electric drive has been developed. Due to the satisfactory results of the simulations, the sensorless control system has been implemented in C code for STM32 environment. Finally, several tests on a real brushless machine have been carried out while the motor was connected to a mechanical load to simulate the real scenario of the final application. All the experimental results have been recorded through a graphical interface software developed at Calzoni.

Machine Learning algorithm on seat comfort level measurement, mapping pressure values with body regions

The comfort level of the seat has a major effect on the usage of a vehicle; thus, car manufacturers have been working on elevating car seat comfort as much as possible. However, still, the testing and evaluation of comfort are done using exhaustive trial and error testing and evaluation of data. In this thesis, we resort to machine learning and Artificial Neural Networks (ANN) to develop a fully automated approach. Even though this approach has its advantages in minimizing time and using a large set of data, it takes away the degree of freedom of the engineer on making decisions. The focus of this study is on filling the gap in a two-step comfort level evaluation which used pressure mapping with body regions to evaluate the average pressure supported by specific body parts and the Self-Assessment Exam (SAE) questions on evaluation of the person’s interest. This study has created a machine learning algorithm that works on giving a degree of freedom to the engineer in making a decision when mapping pressure values with body regions using ANN. The mapping is done with 92% accuracy and with the help of a Graphical User Interface (GUI) that facilitates the process during the testing time of comfort level evaluation of the car seat, which decreases the duration of the test analysis from days to hours.