Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Realizzazione di un sistema di controllo per l'automazione dei test su veicolo a banco rulli

Per eseguire dei test automatizzati su una moto posta su banco a rulli, è necessario un software che permetta di gestire determinati attuatori sulla moto, in modo da poter simulare le condizioni di guida desiderate. Nel modello preso in esame, sono stati utilizzati Simulink e NI VeriStand. Simulink è un ambiente grafico di simulazione e analisi di sistemi dinamici completamente integrato con Matlab, caratterizzato dalla tipica interfaccia a blocchi, che possono essere personalizzati o scelti dalla libreria. Ni VeriStand è invece un ambiente software che permette di elaborare modelli scritti in Simulink in real time. Il presente lavoro è stato incentrato proprio su quest’ultimo aspetto. Per prima cosa è stata esaminata a fondo la parte del modello in Simulink, dopo di che è stata valutata la possibilità di riscrivere alcune parti del modello con un’applicazione interna a Simulink (StateFlow), che si potrebbe prestare meglio a simulare la logica di controllo rispetto a com’è gestita attualmente.

Progettazione e sviluppo di un'unità di acquisizione ed elaborazione dati provenienti da giroscopi mems triassiali per lo studio della cinematica cardiaca

La rotazione dell’apice del cuore è una delle espressioni della complessa cinematica del miocardio e rappresenta un importante indice di funzionalità cardiaca. Disporre di un sensore impiantabile che permetta un monitoraggio continuo di tale parametro consentirebbe di individuare precocemente un deterioramento della performance cardiaca e di adattare tempestivamente la terapia. L’obiettivo del lavoro di tesi è la realizzazione di un sistema di acquisizione dati per segnali provenienti da un giroscopio MEMS triassiale da utilizzarsi per lo studio della cinematica cardiaca, in particolare della rotazione del cuore. Per leggere e decodificare i segnali digitali in uscita dal giroscopio MEMS triassiale utilizzato (CMR3100, VTI Technologies) è stata progettata e sviluppata un’unità di condizionamento composta da una board Arduino ADK, associata ad un adattatore di tensione PCA9306 e a 3 convertitori digitali/analogici MCP4921, che ha richiesto lo sviluppo di software per la gestione del protocollo di comunicazione e della decodifica del segnale digitale proveniente dal sensore. Per caratterizzare e validare il sistema realizzato sono state effettuate prove di laboratorio, che hanno permesso di individuare i parametri di lavoro ottimali del sensore. Una prima serie di prove ha dimostrato come l’unità di condizionamento realizzata consenta di acquisire i segnali con una velocità di processo elevata (1 kHz) che non comporta perdita di dati in uscita dal sensore. Successivamente, attraverso un banco prova di simulazione appositamente assemblato allo scopo di riprodurre rotazioni cicliche nel range dei valori fisio-patologici, è stato quantificato lo sfasamento temporale (St) tra il segnale rilevato dal CMR3100 e decodificato dall'unità di condizionamento e un segnale analogico in uscita da un giroscopio analogico, ottenendo un valore medio St=4 ms. Attraverso lo stesso banco di simulazione, è stata infine dimostrata una buona accuratezza (errore percentuale <10%) nella misura dell'angolo di rotazione derivato dal segnale di velocità angolare rilevato direttamente dal sensore CRM300.

Structural analysis of a UAV wing through image processing and FEM

Analisi strutturale dell’ala di un UAV (velivolo senza pilota a bordo), sviluppata usando varie metodologie: misurazioni sperimentali statiche e dinamiche, e simulazioni numeriche con l’utilizzo di programmi agli elementi finiti. L’analisi statica è stata a sua volta portata avanti seguendo due differenti metodi: la classica e diretta determinazione degli spostamenti mediante l’utilizzo di un catetometro e un metodo visivo, basato sull’elaborazione di immagini e sviluppato appositamente a tale scopo in ambiente Matlab. Oltre a ciò è stata svolta anche una analisi FEM volta a valutare l’errore che si ottiene affrontando il problema con uno studio numerico. Su tale modello FEM è stata svolta anche una analisi di tipo dinamico con lo scopo di confrontare tali dati con i dati derivanti da un test dinamico sperimentale per ottenere informazioni utili per una seguente possibile analisi aeroelastica.

Ottimizzazione delle proprietà di restituzione della durata del potenziale d'azione in un modello di cardiomiocita ventricolare umano

Questo elaborato ha avuto come obiettivo la modifica di un modello matematico di potenziale d’azione ventricolare umano per migliorare la relazione che lega la durata del potenziale d’azione all’incremento degli intervalli diastolici, al fine di riprodurre correttamente i risultati sperimentali noti in letteratura. Ruolo principe nell’analisi e nell’implementazione di tale modello è stato quello dello ione calcio, coinvolto in numerosi processi chimici all’interno della cellula cardiaca, e responsabile anche della sua contrazione. Tutte le modifiche effettuate sono state fatte preservando la dipendenza inversa tra la durata del potenziale d’azione e le variazioni di calcio extracellulare, che costituiva il punto di forza del modello considerato rispetto alla sua versione originale. Le modifiche effettuate hanno riguardato in parte la struttura del modello (compartimenti, volumi) e in parte il calcium handling, ovvero la gestione del Ca2+ all’interno della cellula, in termini di flussi e correnti. Il modello così ottenuto, denominato “newORk”, è stato validato rispetto a numerosi protocolli sperimentali (sia di voltage-clamp, sia di current-clamp) presenti in letteratura e i risultati di simulazione hanno dimostrato un comportamento coerente con i risultati in vitro. In particolare la risposta del modello al protocollo S1S2, che non era fisiologica nel modello precedente, viene adesso riprodotta correttamente dal nuovo modello, presentando un aumento dell’APD all’aumentare dell’intervallo diastolico considerato. Il modello qui descritto può quindi essere ritenuto un importante, per quanto specifico, miglioramento nella descrizione matematica della elettrofisiologia cardiaca umana e potrà essere utilizzato per esplorare contesti clinici in cui le concentrazioni di calcio nel sistema cardiocircolatorio si modificano, come per esempio la terapia dialitica.

Validazione preliminare del modello dinamico di un turboalbero aeronautico

Il bisogno di creare dei metodi per l’identificazione delle performance e strumenti di diagnosi è sempre maggiore nelle turbomacchine. Le case costruttrici di motori, in generale, sono guidate dalle richieste del mercato e da normative sempre più severe, e ricercano quindi da un lato, sempre migliori prestazioni come ad esempio la diminuzione dei consumi e, dall’altro, l’abbattimento degli agenti inquinanti. In ambito industriale si ha l’esigenza di rendere più rapidi i tempi di progettazione e sviluppo dei motori per l’abbattimento dei costi di progettazione e per minimizzare il tempo di commercializzazione. Ecco perché entra in gioco, ed assume importanza, l’uso della simulazione numerica che fornisce informazioni utili sia in fase di verifica, che in fase di progetto di tutti i componenti del motore, anche quelli che sarebbero difficilmente accessibili per misure sperimentali. Al contempo i calcolatori moderni diventano facilmente e rapidamente sempre più potenti riducendo così i tempi di calcolo, e ciò ha consentito l’uso di tecniche numeriche che prima sarebbero risultate impensabili da utilizzare. Per mezzo dell’uso di codici di tipo bi o tri-dimensionale è possibile conoscere e valutare i valori delle grandezze termodinamiche del fluido che attraversa il motore punto per punto. Questi metodi presentano un elevata accuratezza ma hanno anche lo svantaggio di richiedere un elevato costo computazionale con conseguente aumento dei tempi di calcolo. In più hanno bisogno di molti dati di input per il modello matematico, e dipendono fortemente dalle condizioni iniziali e dalle condizioni al contorno. Nasce quindi l'esigenza di un ambiente di sviluppo che consenta una modellazione semplificata degli elementi costituenti il motore, ed un rapido interfacciamento con modelli locali più sofisticati. Inoltre, se si vogliono ottimizzare dei parametri relativi all’impianto globale oppure se si desidera avere un quadro generale delle prestazioni del motore è sufficiente usare modelli 0-D e 1-D per i vari componenti del motore. Sono stati svolti molti studi concentrati sullo sviluppo di strumenti capaci di supportare operazioni di pianificazione e/o per validare analisi di diagnosi.

Progettazione agli elementi finiti di una pedana dinamometrica per l'acquisizione della dinamica del cammino a regime

Il lavoro proposto consiste nella progettazione di una doppia pedana dinamometrica per lo studio del cammino a regime. Il progetto si pone, inoltre, l’obiettivo di progettare la pedana senza l’ausilio di celle di carico commerciali. Gli aspetti analizzati sono sia riguardanti i materiali sia la fisica necessaria per l’acquisizione di segnali di deformazione. Per quanto riguarda i materiali si è deciso di utilizzare per il TOP un pannello sandwich honeycomb in alluminio e per i POST cilindri cavi anch’essi in alluminio. Per l’acquisizione si è optato per estensimetri resistivi. Una volta ottenuto, dalla teoria, gli elementi base del progetto si è passati ad uno studio agli elementi finiti, tramite l’utilizzo di COMSOL Multiphysics, passando prima per l’omogeneizzazione del core alveolare. Si è fatta un’analisi modale per la determinazione della frequenza di risonanza ed una statica per risolvere il problema elastico. Infine si è ottenuta la matrice di calibrazione del sistema la quale dà risultati ragionevolmente positivi.

Sviluppo di un'attrezzatura per prove di fatica ultrasonica

Nella prima parte di questo lavoro di tesi è stata effettuata una ricerca sullo stato dell’arte attuale delle macchine per prove a fatica con principio di risonanza. Pertanto viene riportata una descrizione delle necessità che portarono all’interesse verso questa metodologia di prove a fatica oltre che una descrizione delle macchine ad ultrasuoni di concezione moderna, delle loro caratteristiche e dei loro componenti tipici. Successivamente si sono riportati i dibattiti principali riguardanti la validità delle prove ottenute con questa tipologia di macchine. Si è, di seguito, utilizzata la teoria classica delle onde elastiche per illustrare il principio di funzionamento della macchina. Si sono ottenute le soluzioni esatte dei campi di spostamento, deformazione e sforzo nel caso di provini o sonotrodi a sezione costante confrontando successivamente i risultati così ottenuti con soluzione in ambito FEM per dimostrare la validità degli stessi. Lo stesso tipo di analisi è stata effettuata anche per il provino tipico di prove a fatica, ossia il provino circolare, dove la soluzione esatta è stata ottenuta per similitudine nel provino, catenoidale. Sono riportati un breve riassunto dei nuovi fenomeni di fatica che si sono riscontrati grazie alle possibilità di effettuare test in regione VHCF, laddove non era possibile con le macchine convenzionali, e le conclusioni del presente lavoro di tesi.

Progetto di un sistema a microcontrollore per modulazione back-scattering uwb

La tesi tratta il progetto di una piattaforma di simulazione per modulazioni back-scatter UWB su un sistema a microcontrollore PIC. Il sistema utilizza uno switch a UWB per eseguire la modulazione, modificando le condizioni di carico d'antenna; il software implementa la modulazione attraverso la variazione del segnale di controllo dello switch e si interfaccia con l'utente attraverso l'uso di una periferica USB, permettendo la modifica runtime della configurazione. Si interfaccia inoltre con strumenti esterni attraverso segnali di sincronizzazione.

Studio preliminare di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità

In questo elaborato di tesi viene presentata la comparazione tra due codici CFD, rispettivamente Fluent e OpenFOAM, mediante simulazioni che sono alla base di uno studio numerico di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità. Si è apprezzato quindi la facilità d’uso di un software venduto tramite licenza e la difficoltà di un software open source come OpenFOAM, il quale però ha vantaggi in termini di adattamento ai casi più specifici. Sono stati quindi studiati due casi, scambio termico in regime laminare attorno ad un cilindro bidimensionale e flusso turbolento completamente sviluppato in un canale. Tutte le simulazioni numeriche hanno raggiunto convergenza e sono state validate positivamente mediante confronto con dati sperimentali. Il primo caso prevede un cilindro investito da un flusso a temperatura minore rispetto alla temperatura della superficie del cilindro; per avere più riscontri, sono state condotte diverse prove a valori differenti del numero di Prandtl, e per ogni simulazione è stato ricavato il corrispettivo numero di Nusselt, successivamente comparato con i dati sperimentali per la validazione delle prove. A partire dalla creazione della griglia di calcolo, è stato effettuato uno studio del fenomeno in questione, creando così una griglia di calcolo sviluppata a valle del cilindro avente maggior densità di celle a ridosso della parte del cilindro. In aggiunta, svolgendo le prove con schemi numerici sia del primo che del secondo ordine, si è constatata la miglior sensibilità degli schemi numerici del secondo ordine rispetto a quelli del primo ordine. La seconda tipologia di simulazioni consiste in un flusso turbolento completamente sviluppato all’interno di un canale; sono state svolte simulazioni senza e con l’uso delle wall functions, e quindi usate griglie di calcolo differenti per i due tipi di simulazioni, già disponibili per entrambi i software. I dati ottenuti mostrano uno sforzo computazionale maggiore per le simulazioni che non prevedono l’uso delle wall functions, e quindi una maggiore praticità per le simulazioni con le wall functions. Inoltre, le simulazioni di questo secondo caso sono state svolte con diversi modelli di turbolenza; in Fluent sono stati utilizzati i modelli k-ε e RSM mentre in OpenFOAM è stato utilizzato solo il modello k-ε in quanto il modello RSM non è presente. La validazione dei risultati è affidata alla comparazione con i dati sperimentali ricavati da Moser et all mediante simulazioni DNS, mettendo in risalto la minor accuratezza delle equazioni RANS.

Progettazione, implementazione e valutazione di un simulatore basato su web real time communication (WebRTC).

Questa tesi tratta della realizzazione e valutazione di un simulatore Web-Based i cui nodi sono connessi tramite Web Real Time Communication (WebRTC) e si testa la sua efficienza mediante la simulazione di un semplice modello di mobilità. Si espongono i principali concetti di simulazione e di WebRTC, fornendo le basi per una maggior comprensione del testo e delle scelte progettuali ed implementative. Si conclude con serie di test comparativi dell’applicativo mettendo in luce pregi e difetti di questo approccio alternativo alla simulazione.

Previsione di temporali tramite indici di instabilità ed alberi decisionali

La previsione dei temporali rappresenta una delle operazioni più impegnative e complesse per chi svolge il mestiere di meteorologo, soprattutto se effettuata con molte ore di anticipo rispetto all'evento; ciò è riconducibile alla molteplicità di parametri da cui questi fenomeni dipendono ed all'incertezza che si riscontra nella simulazione degli indici di instabilità. In questo elaborato viene presentata ed approfondita una tecnica di elaborazione dei dati provenienti da radiosondaggi previsti, con lo scopo di migliorare la previsione dei temporali relativa al giorno successivo. Nel 1987 Colquhoun elaborò un albero decisionale per la previsione di temporali in Australia, basato sul superamento di soglie degli indici di instabilità. Qui di seguito, si propone di testare la validità dello stesso schema decisionale alla previsione di temporali in Pianura Padana ed in particolare in Emilia Romagna, procedendo ad un confronto tra gli eventi previsti ed i fenomeni osservati; la previsione si basa sull'output dell'albero decisionale utilizzando gli indici di instabilità previsti dai LAM COSMO-I7 e COSMO-I2 nel periodo +24/+48 ore, mentre l'osservazione dei temporali viene ricavata tramite consultazione quotidiana di METAR,SYNOP,SYREP, e mappe di fulminazioni relative al quadriennio 2010-2013. L'indice assunto per valutare l'affidabilità delle previsioni fornite è il Threat Score che presenta due limiti fondamentali: la dipendenza dal numero di eventi e l'incapacità di differenziare i falsi allarmi dai mancati allarmi. Ciò nonostante, questo indice rappresenta il miglior modo per ricavare una informazione complessiva e definire se la previsione fornita corrisponde ad una buona previsione. Lo stesso test viene effettuato sull'albero decisionale in uso presso la sala operativa di ARPA-SIM e dal confronto con l'albero di Colquhoun si deducono i limiti legati alla modellistica numerica che fornisce i dati in input. Infine il test sui parametri termodinamici previsti dai modelli COSMO-I2 e COSMO-I7 dimostra gli errori commessi sulla previsione a +24 e +36 ore dalle simulazioni. Questo lavoro si pone all'interno di un progetto più ampio di verifica della modellistica numerica sviluppata dal consorzio COSMO, al quale l'Italia aderisce attraverso la collaborazione di ARPA Emilia Romagna, ARPA Piemonte ed Aeronautica Militare. In particolare sono sottoposte a test le performances dei due modelli LAM sviluppati completamente in Italia ed utilizzati anche dal Dipartimento della protezione civile nazionale.

Un servizio di route planning per scenari di mobilità elettrica

Nelle smart cities moderne, la mobilità di veicoli elettrici (EV) è considerata un fattore determinante nella riduzione del consumo di combustibili fossili e conseguenti emissioni inquinanti. Tuttavia, nonostante gli interessi e investimenti a livello globale, l'accettazione da parte degli utenti è ancora bassa, principalmente a causa della mancanza di infrastrutture e servizi a supporto dei guidatori di EV. Queste mancanze sono la causa principale della cosiddetta range anxiety (timore che il veicolo non abbia autonomia sufficiente per raggiungere la destinazione) e hanno portato al preconcetto che gli EV siano adatti alla sola percorrenza di brevi tragitti. Per contrastare questi problemi, in questo documento è proposta un'applicazione di route planning che supporti mobilità di EV anche su percorsi medio-lunghi, mediante utilizzo di un modello di predizione del consumo energetico e considerazione dell'eventuale necessità di ricarica. Saranno descritte tecniche per determinare il tragitto che un EV sia in grado di percorrere per arrivare a destinazione, in considerazione di restrizioni energetiche, fattore altimetrico del percorso ed eventuali operazioni di ricarica necessarie. Il modello di consumo e l'algoritmo che determina il miglior percorso (dal punto di vista energetico) sono implementati da un web service che interagisce con i servizi di Google Maps (per ottenere indicazioni stradali, dati altimetrici e informazioni in tempo reale sul traffico) e con servizi che offrono informazioni sulle stazioni di ricarica e relative posizioni. Dopo aver descritto il modello di consumo e l'algoritmo per la ricerca del percorso, sarà presentata l'architettura del servizio implementato. Sarà quindi fornita una valutazione del servizio, analizzandone performance e scalabilità, nonché l'efficacia nel supporto di percorsi di EV all'interno di scenari su larga scala (nello specifico la regione Emilia Romagna), attraverso tecniche di simulazione.

Dimensionamento strutturale di un simulatore di campo magnetico ad elevata uniformità spaziale per test a terra di sistemi spaziali

Descrizione dei principali passi che hanno portato alla definizione delle dimensioni principali della struttura di un simulatore di campo magnetico per il test dei magnetometri di un microsatellite. Il sistema di simulazione consiste in 3 coppie di bobine quadrate mutuamente ortogonali ed è in grado di annullare, al proprio interno, il campo geomagnetico locale generando inoltre una componente di campo magnetico orientabile a piacere di intensità fino a 70 microTesla.

Analisi del rischio per le linee di trasferimento fluidi di una raffineria

La movimentazione delle materie prime, degli intermedi e dei prodotti finali all’interno di una raffineria avviene attraverso una struttura logistica che prevede la ricezione delle materie prime, i trasferimenti delle sostanze tra le diverse unità produttive, la spedizione dei prodotti finiti. La distribuzione dei fluidi avviene su vie di tubazioni (pipe rack e trincee) che si possono articolare su un’ampia porzione di territorio, in prossimità di impianti, strade ed altri centri nevralgici. La perdita di contenimento accidentale dalle tubazioni può costituire un elemento di rischio di difficile gestione, proprio per la diffusione dei percorsi su un’area di vaste dimensioni. Il presente lavoro di tesi, svolto presso lo studio ICARO s.r.l. di Cortona, si propone di effettuare l’analisi del rischio dovuto al trasferimento dei fluidi all’interno di una raffineria, valutando la frequenza e la distribuzione spaziale degli effetti degli scenari incidentali finali che possono avere luogo in caso di rilascio. Le tubazioni prese in esame sono quelle di maggior impatto dal punto di vista del rischio a causa della pericolosità della sostanza trasferita e della vicinanza del percorso a punti nevralgici all’interno dello stabilimento; sulla base di questo criterio sono state analizzate le tubazioni per il trasferimento di GPL, H2S e benzina. I risultati ottenuti consentono di identificare soluzioni per l’ottimizzazione del layout della raffineria e costituiscono, più in generale, uno strumento analitico di supporto alle modifiche progettuali. L’elaborato è strutturato come segue. Nel Capitolo 1 è riportata la descrizione della raffineria e delle linee di interconnessione selezionate ai fini dello studio. Nel Capitolo 2 vengono identificate le tipologie più rappresentative di perdita di contenimento dalle linee e ne viene stimata la frequenza di accadimento. Nel Capitolo 3 viene illustrata una metodologia per la stima della probabilità di innesco che tiene in considerazione la circolazione di automezzi nelle strade interne della raffineria. Nel Capitolo 4 vengono esaminati, confrontati e selezionati i vari tipi di modelli di rilascio presenti nel package di simulazione Phast Professional 7.1 in vista della loro applicazione alle perdite dalle linee. Nel Capitolo 5 è riportato il calcolo delle frequenze di accadimento degli scenari incidentali finali, mentre nel Capitolo 6 sono illustrati i risultati relativi alla valutazione delle conseguenze. Nel Capitolo 7 viene effettuato lo studio dell’effetto domino, sviluppato in accordo ad un approccio metodologico innovativo. Infine nel Capitolo 8 vengono riportate alcune considerazioni finali.