Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Studio e sviluppo di un framework per il riconoscimento vocale nell'ambito di sistemi Hands-Free

Negli ultimi anni, l'avanzamento incredibilmente rapido della tecnologia ha portato allo sviluppo e alla diffusione di dispositivi elettronici portatili aventi dimensioni estremamente ridotte e, allo stesso tempo, capacità computazionali molto notevoli. Più nello specifico, una particolare categoria di dispositivi, attualmente in forte sviluppo, che ha già fatto la propria comparsa sul mercato mondiale è sicuramente la categoria dei dispositivi Wearable. Come suggerisce il nome, questi sono progettati per essere letteralmente indossati, pensati per fornire continuo supporto, in diversi ambiti, a chi li utilizza. Se per interagire con essi l’utente non deve ricorrere obbligatoriamente all'utilizzo delle mani, allora si parla di dispositivi Wearable Hands Free. Questi sono generalmente in grado di percepire e catture l’input dell'utente seguendo tecniche e metodologie diverse, non basate sul tatto. Una di queste è sicuramente quella che prevede di modellare l’input dell’utente stesso attraverso la sua voce, appoggiandosi alla disciplina dell’ASR (Automatic Speech Recognition), che si occupa della traduzione del linguaggio parlato in testo, mediante l’utilizzo di dispositivi computerizzati. Si giunge quindi all’obiettivo della tesi, che è quello di sviluppare un framework, utilizzabile nell’ambito dei dispositivi Wearable, che fornisca un servizio di riconoscimento vocale appoggiandosi ad uno già esistente, in modo che presenti un certo livello di efficienza e facilità di utilizzo. Più in generale, in questo documento si punta a fornire una descrizione approfondita di quelli che sono i dispositivi Wearable e Wearable Hands-Free, definendone caratteristiche, criticità e ambiti di utilizzo. Inoltre, l’intento è quello di illustrare i principi di funzionamento dell’Automatic Speech Recognition per passare poi ad analisi, progettazione e sviluppo del framework appena citato.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi di localizzazione a banda ultra-larga

Il processo di localizzazione risponde all'esigenza dell'uomo di avere una percezione sempre più dettagliata e precisa del contesto in cui si trova, con l'intento di migliorare e semplificare l'interazione con oggetti e cose ivi presenti. L'idea attuale è quella di progettare sistemi di posizionamento con particolare riguardo agli ambienti indoor, caratterizzati da proprietà e densità di elementi che limitano fortemente le prestazioni dei consolidati sistemi di tracking, particolarmente efficienti in spazi aperti. Consapevole di questa necessità, il seguente elaborato analizza le prestazioni di un sistema di localizzazione sviluppato dall'Università di Bologna funzionante in tecnologia Ultra-Wide Bandwidth (UWB) e installato nei laboratori DEI dell'Alma Mater Studiorum con sede a Cesena. L'obiettivo è quello di caratterizzare l'accuratezza di localizzazione del sistema, suggerendo nuovi approcci operativi e de�finendo il ruolo dei principali parametri che giocano nel meccanismo di stima della posizione, sia in riferimento a scenari marcatamente statici sia in contesti in cui si ha una interazione dinamica degli oggetti con lo spazio circostante. Una caratteristica della tecnologia UWB è, infatti, quella di limitare l'errore di posizionamento nel caso di localizzazione indoor, grazie alle caratteristiche fisiche ed elettriche dei segnali, aprendo nuovi scenari applicativi favorevoli in termini economici, energetici e di minore complessità dei dispositivi impiegati.

Progetto e sviluppo di un automa per la gestione ed il controllo di sistemi a pilotaggio remoto

L’attenzione di questa tesi si pone sulla progettazione e lo sviluppo di un automa per il controllo di sistemi a pilotaggio remoto. Punto di partenza dell'intero progetto è stata l'analisi del quadrirotore programmato ed utilizzato dai ricercatori del progetto SHERPA. Le funzionalità evidenziate dall'analisi sono state poi elaborate secondo l'approccio con Attuatore Generalizzato ed implementate in Codesys. Questo software si compone di una parte di controllo, una di simulazione ed una o più interfacce grafiche dedicate all'interazione con l'utente. L'utilizzo di Codesys ha permesso di implementare un automa modulare e riusabile, base di partenza per i futuri progetti di automi aerei. L'automa realizzato consente infine di simulare il comportamento di un generico sistema a pilotaggio remoto e di osservarne la sequenza logica con cui le azioni vengono eseguite.

Gestione dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici

La tesi tratta dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e del loro impatto sulla rete. La tesi inoltre analizza i vantaggi delle tecnologie vehicle to grid per l'integrazione della produzione da fonti rinnovabili.

Pianificazione di coperture fotogrammetriche mediante RPAS

Il seguente elaborato di tesi tratta il problema della pianificazione di voli fotogrammetrici a bassa quota mediante l’uso di SAPR, in particolare è presentata una disamina delle principali applicazioni che permettono di programmare una copertura fotogrammetrica trasversale e longitudinale di un certo poligono con un drone commerciale. Il tema principale sviluppato è la gestione di un volo fotogrammetrico UAV mediante l’uso di applicativi software che permettono all’utente di inserire i parametri di volo in base alla tipologia di rilievo che vuole effettuare. L’obbiettivo finale è quello di ottenere una corretta presa fotogrammetrica da utilizzare per la creazione di un modello digitale del terreno o di un oggetto attraverso elaborazione dati in post-processing. La perfetta configurazione del volo non può prescindere dalle conoscenze base di fotogrammetria e delle meccaniche di un veicolo UAV. I capitoli introduttivi tratteranno infatti i principi della fotogrammetria analogica e digitale soffermandosi su temi utili alla comprensione delle problematiche relative al progetto di rilievo fotogrammetrico aereo. Una particolare attenzione è stata posta sulle nozioni di fotogrammetria digitale che, insieme agli algoritmi di Imagine Matching derivanti dalla Computer Vision, permette di definire il ramo della Fotogrammetria Moderna. Nei capitoli centrali verranno esaminate e confrontate una serie di applicazioni commerciali per smartphone e tablet, disponibili per sistemi Apple e Android, per trarne un breve resoconto conclusivo che le compari in termini di accessibilità, potenzialità e destinazione d’uso. Per una maggiore comprensione si determinano univocamente gli acronimi con cui i droni vengono chiamati nei diversi contesti: UAV (Unmanned Aerial Vehicle), SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), RPAS (Remotely Piloted Aicraft System), ARP (Aeromobili a Pilotaggio Remoto).

A Comparison of Geo-tagging in Mobile Internet Browsing Applications on iOS and Android.

Nowadays there is almost no crime committed without a trace of digital evidence, and since the advanced functionality of mobile devices today can be exploited to assist in crime, the need for mobile forensics is imperative. Many of the mobile applications available today, including internet browsers, will request the user’s permission to access their current location when in use. This geolocation data is subsequently stored and managed by that application's underlying database files. If recovered from a device during a forensic investigation, such GPS evidence and track points could hold major evidentiary value for a case. The aim of this paper is to examine and compare to what extent geolocation data is available from the iOS and Android operating systems. We focus particularly on geolocation data recovered from internet browsing applications, comparing the native Safari and Browser apps with Google Chrome, downloaded on to both platforms. All browsers were used over a period of several days at various locations to generate comparable test data for analysis. Results show considerable differences not only in the storage locations and formats, but also in the amount of geolocation data stored by different browsers and on different operating systems.

Measurement of the magnetic field of small magnets with a smartphone: a very economical laboratory practice for introductory physics courses

In this work, we propose an inexpensive laboratory practice for an introductory physics course laboratory for any grade of science and engineering study. This practice was very well received by our students, where a smartphone (iOS, Android, or Windows) is used together with mini magnets (similar to those used on refrigerator doors), a 20 cm long school rule, a paper, and a free application (app) that needs to be downloaded and installed that measures magnetic fields using the smartphone's magnetic field sensor or magnetometer. The apps we have used are: Magnetometer (iOS), Magnetometer Metal Detector, and Physics Toolbox Magnetometer (Android). Nothing else is needed. Cost of this practice: free. The main purpose of the practice is that students determine the dependence of the component x of the magnetic field produced by different magnets (including ring magnets and sphere magnets). We obtained that the dependency of the magnetic field with the distance is of the form x-3, in total agreement with the theoretical analysis. The secondary objective is to apply the technique of least squares fit to obtain this exponent and the magnetic moment of the magnets, with the corresponding absolute error.

Enhancing security of linux-based android devices

Our daily lives become more and more dependent upon smartphones due to their increased capabilities. Smartphones are used in various ways from payment systems to assisting the lives of elderly or disabled people. Security threats for these devices become increasingly dangerous since there is still a lack of proper security tools for protection. Android emerges as an open smartphone platform which allows modification even on operating system level. Therefore, third-party developers have the opportunity to develop kernel-based low-level security tools which is not normal for smartphone platforms. Android quickly gained its popularity among smartphone developers and even beyond since it bases on Java on top of "open" Linux in comparison to former proprietary platforms which have very restrictive SDKs and corresponding APIs. Symbian OS for example, holding the greatest market share among all smartphone OSs, was closing critical APIs to common developers and introduced application certification. This was done since this OS was the main target for smartphone malwares in the past. In fact, more than 290 malwares designed for Symbian OS appeared from July 2004 to July 2008. Android, in turn, promises to be completely open source. Together with the Linux-based smartphone OS OpenMoko, open smartphone platforms may attract malware writers for creating malicious applications endangering the critical smartphone applications and owners� privacy. In this work, we present our current results in analyzing the security of Android smartphones with a focus on its Linux side. Our results are not limited to Android, they are also applicable to Linux-based smartphones such as OpenMoko Neo FreeRunner. Our contribution in this work is three-fold. First, we analyze android framework and the Linux-kernel to check security functionalities. We survey wellaccepted security mechanisms and tools which can increase device security. We provide descriptions on how to adopt these security tools on Android kernel, and provide their overhead analysis in terms of resource usage. As open smartphones are released and may increase their market share similar to Symbian, they may attract attention of malware writers. Therefore, our second contribution focuses on malware detection techniques at the kernel level. We test applicability of existing signature and intrusion detection methods in Android environment. We focus on monitoring events on the kernel; that is, identifying critical kernel, log file, file system and network activity events, and devising efficient mechanisms to monitor them in a resource limited environment. Our third contribution involves initial results of our malware detection mechanism basing on static function call analysis. We identified approximately 105 Executable and Linking Format (ELF) executables installed to the Linux side of Android. We perform a statistical analysis on the function calls used by these applications. The results of the analysis can be compared to newly installed applications for detecting significant differences. Additionally, certain function calls indicate malicious activity. Therefore, we present a simple decision tree for deciding the suspiciousness of the corresponding application. Our results present a first step towards detecting malicious applications on Android-based devices.

Static analysis of executables for collaborative malware detection on Android

Smartphones are getting increasingly popular and several malwares appeared targeting these devices. General countermeasures to smartphone malwares are currently limited to signature-based antivirus scanners which efficiently detect known malwares, but they have serious shortcomings with new and unknown malwares creating a window of opportunity for attackers. As smartphones become host for sensitive data and applications, extended malware detection mechanisms are necessary complying with the corresponding resource constraints. The contribution of this paper is twofold. First, we perform static analysis on the executables to extract their function calls in Android environment using the command readelf. Function call lists are compared with malware executables for classifying them with PART, Prism and Nearest Neighbor Algorithms. Second, we present a collaborative malware detection approach to extend these results. Corresponding simulation results are presented.

An Android application sandbox system for suspicious software detection

Smartphones are steadily gaining popularity, creating new application areas as their capabilities increase in terms of computational power, sensors and communication. Emerging new features of mobile devices give opportunity to new threats. Android is one of the newer operating systems targeting smartphones. While being based on a Linux kernel, Android has unique properties and specific limitations due to its mobile nature. This makes it harder to detect and react upon malware attacks if using conventional techniques. In this paper, we propose an Android Application Sandbox (AASandbox) which is able to perform both static and dynamic analysis on Android programs to automatically detect suspicious applications. Static analysis scans the software for malicious patterns without installing it. Dynamic analysis executes the application in a fully isolated environment, i.e. sandbox, which intervenes and logs low-level interactions with the system for further analysis. Both the sandbox and the detection algorithms can be deployed in the cloud, providing a fast and distributed detection of suspicious software in a mobile software store akin to Google's Android Market. Additionally, AASandbox might be used to improve the efficiency of classical anti-virus applications available for the Android operating system.

Developing and benchmarking native Linux applications on Android

Smartphones get increasingly popular where more and more smartphone platforms emerge. Special attention was gained by the open source platform Android which was presented by the Open Handset Alliance (OHA) hosting members like Google, Motorola, and HTC. Android uses a Linux kernel and a stripped-down userland with a custom Java VM set on top. The resulting system joins the advantages of both environments, while third-parties are intended to develop only Java applications at the moment. In this work, we present the benefit of using native applications in Android. Android includes a fully functional Linux, and using it for heavy computational tasks when developing applications can bring in substantional performance increase. We present how to develop native applications and software components, as well as how to let Linux applications and components communicate with Java programs. Additionally, we present performance measurements of native and Java applications executing identical tasks. The results show that native C applications can be up to 30 times as fast as an identical algorithm running in Dalvik VM. Java applications can become a speed-up of up to 10 times if utilizing JNI.

Monitoring android for collaborative anomaly detection : a first architectural draft

Our daily lives become more and more dependent upon smartphones due to their increased capabilities. Smartphones are used in various ways, e.g. for payment systems or assisting the lives of elderly or disabled people. Security threats for these devices become more and more dangerous since there is still a lack of proper security tools for protection. Android emerges as an open smartphone platform which allows modification even on operating system level and where third-party developers first time have the opportunity to develop kernel-based low-level security tools. Android quickly gained its popularity among smartphone developers and even beyond since it bases on Java on top of "open" Linux in comparison to former proprietary platforms which have very restrictive SDKs and corresponding APIs. Symbian OS, holding the greatest market share among all smartphone OSs, was even closing critical APIs to common developers and introduced application certification. This was done since this OS was the main target for smartphone malwares in the past. In fact, more than 290 malwares designed for Symbian OS appeared from July 2004 to July 2008. Android, in turn, promises to be completely open source. Together with the Linux-based smartphone OS OpenMoko, open smartphone platforms may attract malware writers for creating malicious applications endangering the critical smartphone applications and owners privacy. Since signature-based approaches mainly detect known malwares, anomaly-based approaches can be a valuable addition to these systems. They base on mathematical algorithms processing data that describe the state of a certain device. For gaining this data, a monitoring client is needed that has to extract usable information (features) from the monitored system. Our approach follows a dual system for analyzing these features. On the one hand, functionality for on-device light-weight detection is provided. But since most algorithms are resource exhaustive, remote feature analysis is provided on the other hand. Having this dual system enables event-based detection that can react to the current detection need. In our ongoing research we aim to investigates the feasibility of light-weight on-device detection for certain occasions. On other occasions, whenever significant changes are detected on the device, the system can trigger remote detection with heavy-weight algorithms for better detection results. In the absence of the server respectively as a supplementary approach, we also consider a collaborative scenario. Here, mobile devices sharing a common objective are enabled by a collaboration module to share information, such as intrusion detection data and results. This is based on an ad-hoc network mode that can be provided by a WiFi or Bluetooth adapter nearly every smartphone possesses.

Google Android : a comprehensive introduction

Google Android, Google's new product and its first attempt to enter the mobile market, might have an equal impact on mobile users like Apple's hyped product, the iPhone. In this Technical report we are going to present the Google Android platform, what Android is, describe why it might be considered as a worthy rival to Apple's iPhone. We will describe parts of its internals, take a look "under the hood" while explaining components of the underlying operating system. We will show how to develop applications for this platform, which difficulties a developer might have to face, and how developers can possibly use other programming languages to develop for Android than the propagated language Java.

Cliente UCH para smartphones sobre Android

El objetivo del proyecto consiste en la creación de una aplicación cliente de UCH para Android, capaz de controlar “dispositivos objetivos”. Teniendo como base el PFC de Borja Gamecho, titulado “Estudio del estándar URC y su aplicación a sistemas embebidos usando una implementación Java del UCH”, proyecto que pertenece al campo de la inteligencia ambiental (AmI). La construcción de un sistema capaz de controlar dispositivos de manera sencilla y ubicua fue la motivación para la realización de este proyecto, ya que con él, se puede conseguir un control universal de nuestro entorno, permitiendo eliminar barreras por ejemplo, para personas con discapacidad. En este proyecto se ha estudiado el centro de control universal (UCH) junto con el protocolo URC-HTTP. También se ha investigado sobre la plataforma Android, para posteriormente usarlo como base para el desarrollo de un URC (cliente para el control del UCH y del entorno). Como principal conclusión, el presente trabajo permite avanzar en la propuesta de encontrar un estándar capaz de controlar nuestro entorno desde cualquier smartphone, tablet,... de forma ubicua y sencilla.