Sviluppo di un sistema per allocazione e scheduling di applicazioni periodiche

In questa tesi, viene illustrato un metodo risolutivo al problema dell’allocazione e schedulazione, su risorse eterogenee con capacità unaria rinnovabile e cumulativa non rinnovabile, di applicazioni multitask periodiche, con periodi in relazione armonica, strutturate in attività indipendenti o sottoposte a vincoli di precedenza e con durate dipendenti dalla specifica risorsa di allocazione. L’obiettivo è quello di fornire un’implementazione del modello in grado di gestire l’allocazione e la schedulazione di istanze (i.e. insieme di applicazioni) variabili, caratterizzate da una serie di parametri. La struttura implementativa, realizzata secondo la Logic-based Benders decomposition, prevede la suddivisione del problema in due moduli. Il primo in grado di generare un’allocazione e realizzato con tecniche di programmazione lineare intera mista, il secondo con lo scopo di controllare l’ammissibilità di tale allocazione attraverso una schedulazione ottima e realizzato mediante tecniche di programmazione a vincoli. Il meccanismo di comunicazione tra i due moduli avviene mediante vincoli lineari, denominati tagli di Benders, che vengono aggiunti dopo ogni iterazione del sistema. L’efficacia del modello sarà valutata confrontando i risultati ottenuti attraverso una serie di test, con i valori forniti da un metodo di allocazione e schedulazione alternativo.

Assessing trends in land use change in the Borana rangeland Ethiopia as one cause of greenhouse gas emissions and carbon sequestration variations

Landnutzungsänderungen sind eine wesentliche Ursache von Treibhausgasemissionen. Die Umwandlung von Ökosystemen mit permanenter natürlicher Vegetation hin zu Ackerbau mit zeitweise vegetationslosem Boden (z.B. nach der Bodenbearbeitung vor der Aussaat) führt häufig zu gesteigerten Treibhausgasemissionen und verminderter Kohlenstoffbindung. Weltweit dehnt sich Ackerbau sowohl in kleinbäuerlichen als auch in agro-industriellen Systemen aus, häufig in benachbarte semiaride bis subhumide Rangeland Ökosysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht Trends der Landnutzungsänderung im Borana Rangeland Südäthiopiens. Bevölkerungswachstum, Landprivatisierung und damit einhergehende Einzäunung, veränderte Landnutzungspolitik und zunehmende Klimavariabilität führen zu raschen Veränderungen der traditionell auf Tierhaltung basierten, pastoralen Systeme. Mittels einer Literaturanalyse von Fallstudien in ostafrikanischen Rangelands wurde im Rahmen dieser Studie ein schematisches Modell der Zusammenhänge von Landnutzung, Treibhausgasemissionen und Kohlenstofffixierung entwickelt. Anhand von Satellitendaten und Daten aus Haushaltsbefragungen wurden Art und Umfang von Landnutzungsänderungen und Vegetationsveränderungen an fünf Untersuchungsstandorten (Darito/Yabelo Distrikt, Soda, Samaro, Haralo, Did Mega/alle Dire Distrikt) zwischen 1985 und 2011 analysiert. In Darito dehnte sich die Ackerbaufläche um 12% aus, überwiegend auf Kosten von Buschland. An den übrigen Standorten blieb die Ackerbaufläche relativ konstant, jedoch nahm Graslandvegetation um zwischen 16 und 28% zu, während Buschland um zwischen 23 und 31% abnahm. Lediglich am Standort Haralo nahm auch „bare land“, vegetationslose Flächen, um 13% zu. Faktoren, die zur Ausdehnung des Ackerbaus führen, wurden am Standort Darito detaillierter untersucht. GPS Daten und anbaugeschichtlichen Daten von 108 Feldern auf 54 Betrieben wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS) mit thematischen Boden-, Niederschlags-, und Hangneigungskarten sowie einem Digitales Höhenmodell überlagert. Multiple lineare Regression ermittelte Hangneigung und geographische Höhe als signifikante Erklärungsvariablen für die Ausdehnung von Ackerbau in niedrigere Lagen. Bodenart, Entfernung zum saisonalen Flusslauf und Niederschlag waren hingegen nicht signifikant. Das niedrige Bestimmtheitsmaß (R²=0,154) weist darauf hin, dass es weitere, hier nicht erfasste Erklärungsvariablen für die Richtung der räumlichen Ausweitung von Ackerland gibt. Streudiagramme zu Ackergröße und Anbaujahren in Relation zu geographischer Höhe zeigen seit dem Jahr 2000 eine Ausdehnung des Ackerbaus in Lagen unter 1620 müNN und eine Zunahme der Schlaggröße (>3ha). Die Analyse der phänologischen Entwicklung von Feldfrüchten im Jahresverlauf in Kombination mit Niederschlagsdaten und normalized difference vegetation index (NDVI) Zeitreihendaten dienten dazu, Zeitpunkte besonders hoher (Begrünung vor der Ernte) oder niedriger (nach der Bodenbearbeitung) Pflanzenbiomasse auf Ackerland zu identifizieren, um Ackerland und seine Ausdehnung von anderen Vegetationsformen fernerkundlich unterscheiden zu können. Anhand der NDVI Spektralprofile konnte Ackerland gut Wald, jedoch weniger gut von Gras- und Buschland unterschieden werden. Die geringe Auflösung (250m) der Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI Daten führte zu einem Mixed Pixel Effect, d.h. die Fläche eines Pixels beinhaltete häufig verschiedene Vegetationsformen in unterschiedlichen Anteilen, was deren Unterscheidung beeinträchtigte. Für die Entwicklung eines Echtzeit Monitoring Systems für die Ausdehnung des Ackerbaus wären höher auflösende NDVI Daten (z.B. Multispektralband, Hyperion EO-1 Sensor) notwendig, um kleinräumig eine bessere Differenzierung von Ackerland und natürlicher Rangeland-Vegetation zu erhalten. Die Entwicklung und der Einsatz solcher Methoden als Entscheidungshilfen für Land- und Ressourcennutzungsplanung könnte dazu beitragen, Produktions- und Entwicklungsziele der Borana Landnutzer mit nationalen Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels durch Steigerung der Kohlenstofffixierung in Rangelands in Einklang zu bringen.

Analisi delle componenti principali

La tesi descrive il metodo dell'analisi delle componenti principali, vertendo sia sull'aspetto matematico che la caratterizza sia su alcune sue applicazioni. Vengono anche definite le nozioni di algebra lineare e statistica fondamentali per la sua descrizione.

Dimensionamento dell'azionamento elettrico di un piano vibrante

Questo elaborato riguarda il dimensionamento di un motore brushless lineare utilizzato in un piano vibrante per l’alimentazione di fiale, flaconi e carpule in macchine per il packaging farmaceutico: in particolare con questo piano vibrante si alimentano macchine astucciatrici e termoformatrici. Con packaging farmaceutico si intente tutto ciò che comporta il confezionamento di prodotti legati al mercato farmaceutico, ma macchinari simili soddisfano anche il mercato per il confezionamento di prodotti alimentari e cosmetici. Il piano vibrante descritto nella trattazione, svolge sia la funzione di alimentazione del prodotto nella macchina, sia quella di buffer. La tesi è stata svolta all’interno di Marchesini Group S.p.a., gruppo industriale fondato nel 1974 che vanta una posizione di livello mondiale nel settore delle macchine automatiche: in particolare si occupa dell’automazione per packaging nel settore farmaceutico, cosmetico e alimentare. Avendo dovuto fare un intervento di sostituzione di un motore su un gruppo già in funzione, nella riprogettazione dei particolari si è cercato di apportare il minor numero di modifiche possibile, per minimizzare il numero di pezzi da sostituire qualora un motore in funzione si rompa o venga danneggiato. Questo studio mi ha dato la possibilità di approfondire diversi aspetti della progettazione meccanica: in particolare ho avuto la possibilità di utilizzare Creo Parametric, il programma di disegno 3D usato in Marchesini, e quindi approfondire molteplici aspetti e regole del disegno e della messa in tavola. Insieme a questo, oltre a studiare le diverse tipologie di motori lineari ho potuto approfondire i metodi di scelta di un motore lineare, consultando anche i fornitori.

Sviluppo di nuovi algoritmi di pianificazione per sistemi non olonomici e con dinamica non linerare

L'obiettivo del kinodynamic motion planning è quello di determinare una sequenza di input di controllo per guidare un agente da uno stato iniziale ad uno finale, rispettando la dinamica del corpo e i vincoli fisici. In questa tesi sono presentate diverse versioni di algoritmi basati su Rapidly-exploring Random Tree in grado di risolvere questo tipo di problema. In particolare è preso in considerazione il caso di un sistema non lineare con vincoli non olonomici, rappresentativo del rover in dotazione al progetto europeo SHERPA. La qualità degli approcci proposti è inoltre provata con alcuni test di navigazione, in ambiente simulato, confrontando gli algoritmi proposti con alcuni presi nella letteratura di riferimento.

Studio reologico di mastici per miscele di conglomerato bituminoso drenante contenente polverino di gomma da pfu

Le prestazioni meccaniche di una miscela di conglomerato bituminoso dipendono principalmente dai materiali che la compongono e dalla loro interazione. La risposta tenso-deformativa delle sovrastrutture stradali è strettamente legata al comportamento reologico del legante bituminoso e dalla sua interazione con lo scheletro litico. In particolare nelle pavimentazioni drenanti, a causa dell’elevato contenuto di vuoti, il legame che si crea tra il legante (mastice bituminoso) e l’aggregato è molto forte, per questo motivo è importante migliorarne le prestazioni. Additivando il mastice con polverino di gomma da PFU (pneumatici fuori uso), non solo si migliorano prestazioni, resistenza alle deformazioni permanenti ed elastoplasticità del materiale, ma si sfruttano anche materiali di recupero, portando vantaggi anche dal punto di vista ambientale. In quest’ottica la ricerca effettuata nella tesi si pone come obiettivo l’analisi reologica e lo studio di mastici additivati con polverino di gomma ricavato da PFU, per la realizzazione di conglomerati bituminosi drenanti. In particolare, partendo da un bitume di base, sono stati preparati due mastici: il primo ottenuto miscelando bitume modificato e filler calcareo, il secondo aggiungendo al precedente anche il polverino di gomma. Tale studio è stato eseguito mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer – UNI EN 14770), con il quale sono state affrontate tre prove: Amplitude Sweep test, per la valutazione del valore di deformazione di taglio γ entro il quale il materiale si mantiene all’interno del campo di viscoelasticità lineare (Linear visco-elasticity, LVE); Frequency Sweep test, per l’estrapolazione delle master curves; Multiple stress Creep Recovery, per valutare la resistenza del materiale alle deformazioni permanenti. Dall’analisi dei dati è stato possibile definire il comportamento reologico di entrambi i mastici e, in seconda analisi, confrontarne le caratteristiche e le prestazioni.

Un esempio di Economia Circolare: il riciclo e il riuso dei dispositivi Tessili per Sala Operatoria

Negli ultimi decenni l’attenzione alle tematiche della sostenibilità ambientale e dell’inquinamento globale da parte dell’opinione pubblica e delle imprese è in costante aumento. Una tra le principali fonti di inquinamento è costituita dai rifiuti, e di conseguenza, la loro gestione e il loro smaltimento sono diventate una priorità, non solo per le istituzioni, ma anche per le imprese e per i cittadini. Inoltre la crescita della domanda delle risorse presenti in natura è in costante aumento e l’approvvigionamento di esse si è rivelato essere invece soggetto a significativi limiti. In questo attuale contesto quindi, il modello economico lineare fino ad oggi utilizzato, “take-make-dispose”, non risulta più idoneo. Si è sviluppato così il concetto di “Economia Circolare”. L’obiettivo di questa economia è quello di eliminare il concetto di scarto, il rifiuto deve essere considerato una vera e propria risorsa. In questo sistema tutte le attività, a partire dall’ estrazione fino ad arrivare alla produzione, sono organizzate in modo che i rifiuti di uno diventino risorse per un altro. L’obiettivo della tesi è quello di applicare il concetto di Economia Circolare al mercato dei dispositivi tessili per sala operatoria (DTSO), utilizzando la valutazione del ciclo di vita di un prodotto (analisi LCA) in modo da individuare le fasi più critiche e poter operare dei miglioramenti. Dopo essere stati sottoposti a 70 cicli di lavaggio e sterilizzazione i dispositivi TTR (Tessuti Tecnici Riutilizzabili) non sono più idonei ad essere utilizzati in ambito ospedaliero e vengono smaltiti in discarica , così come vengono smaltiti altri miliardi di rifiuti ogni giorno.Questi tessuti, seppur non conformi agli standard qualitativi richiesti dalle norme ospedaliere, possono essere riciclati o riutilizzati in prodotti di altro tipo. L’obiettivo di questo lavoro è quello di reimmettere questi dispositivi in un ciclo di vita di un nuovo prodotto, in ottica appunto di economia circolare.

Algoritmi Euristici per la Schedulazione degli Interventi nel Blocco Operatorio

Questa tesi riguarda il problema della schedulazione degli interventi nel blocco operatorio di un presidio ospedaliero, noto anche come Operating Theatre Planning & Scheduling. Il blocco operatorio è la struttura che eroga servizi a più alto impatto sui costi di un presidio ospedaliero ed è legato ad attività ad alto rischio. E' quindi fondamentale gestire in modo ottimale questa risorsa. In questa tesi, si considera come caso studio l'applicazione reale di un presidio ospedaliero dell'Emilia Romagna con un orizzonte temporale di una settimana, ovvero la cosiddetta programmazione operativa. L'obiettivo è quello di ottenere un utilizzo efficiente del blocco operatorio, garantendo al contempo la priorità agli interventi più urgenti. Data la complessità del problema, vengono proposti algoritmi euristici che permettano di ottenere buone soluzioni in tempi di calcolo ridotti. Studi precedenti hanno infatti evidenziato la difficoltà di trovare soluzioni ottime al problema, mediante l'utilizzo di solver commerciali per modelli di Programmazione Lineare Intera, senza introdurre ipotesi semplificative. Sono stati elaborati tre algoritmi euristici costruttivi di tipo multi-start che permettono di generare soluzioni ammissibili con diverse caratteristiche. Gli algoritmi si differenziano principalmente per le modalità con cui collocano gli interventi nel tempo disponibile delle risorse (induction room, operating room, recovery room), cercando di migliorarne l’utilizzazione e dando priorità ai pazienti più urgenti. Gli algoritmi sono stati implementati utilizzando il linguaggio JAVA e sono stati testati su istanze realistiche fornite dal presidio ospedaliero. I risultati hanno evidenziato un alto grado di utilizzazione delle sale operatorie, un fattore molto rilevante per una ottimale gestione del blocco operatorio. E' stata, infine, svolta un'analisi di sensitività alla variabilità delle durate.

Analisi del ruolo del porto di Ravenna nell’import/export di prodotti ortofrutticoli

L'elaborato tratta il ruolo del porto di Ravenna nell'import/export di prodotti ortofrutticoli. Dopo una accurata analisi dei dati, lo studio delle rotte marittime e l'uso di Dbms per gestire un database complesso, si propone un modello di programmazione lineare intera su un problema di ship routing, ship scheduling e full ship-load balancing. L'obiettivo è di massimizzare il profitto derivante da un prezzo di vendita e soggetto ai vari costi della logistica. Il modello sceglie la rotta ottimale da effettuare, in termini di ordine di visita dei vari porti che hanno un import e un export dei prodotti studiati. Inoltre, è in grado di gestire lo scorrere del tempo, fornendo come soluzione il giorno ottimale di visita dei vari porti considerati. Infine, trova la ripartizione ottima del numero di container a bordo della nave per ogni tipologia di prodotto.

Schedulazione delle rotte marittime nel settore ortofrutticolo. Modelli e Metodi

Il trasporto marittimo è una delle modalità più utilizzate soprattutto per la movimentazione di grandi volumi di prodotti tra i continenti in quanto è a basso costo, sicuro e meno inquinante rispetto ad altri mezzi di movimentazione. Ai giorni nostri è responsabile di circa l’80% del commercio globale (in volume di carichi trasportati). Il settore del trasporto marittimo ha avuto una lunga tradizione di pianificazione manuale effettuata da progettisti esperti.
 L’obiettivo principale di questa trattazione è stato quello di implementare un modello matematico lineare (MILP, Mixed-Integer Linear Programming Model) per l’ottimizzazione delle rotte marittime nell’ambito del mercato orto-frutticolo che si sviluppa nel bacino del Mediterraneo (problema di Ship-Scheduling). Il modello fornito in questa trattazione è un valido strumento di supporto alle decisioni che può utilizzare uno spedizioniere nell’ambito della pianificazione delle rotte marittime della flotta di navi in suo possesso. Consente di determinare l’insieme delle rotte ottimali che devono essere svolte da un insieme di vettori al fine di massimizzare il profitto complessivo dello spedizioniere, generato nell’arco di tempo considerato. Inoltre, permette di ottenere, per ogni nave considerata, la ripartizione ottimale della merce (carico ottimale).

Modellistica e controllo di attuatori idraulici

La tesi tratta della modellistica e del controllo di un attuatore idraulico con valvola a quattro vie. Inizialmente si definiscono le grandezze e le formule fondamentali per descrivere un sistema idraulico e costruirne il modello matematico. Successivamente si ricava il modello non lineare del sistema nello spazio degli stati, quindi lo si linearizza per poterlo descrivere e studiare anche tramite funzioni di trasferimento. Si ricava quindi, utilizzando anche Matlab e Simulink, il controllo da applicare al modello linearizzato e si testa il comportamento del sistema in risposta a diversi segnali di ingresso. Infine si applica lo stesso controllore al sistema non lineare e si confrontano i due diversi comportamenti.

Tecniche innovative di modellazione diretta nell'early stage design

Partendo da un’analisi dei problemi che si incontrano nella fase di conceptual design, si presentano le diverse tecniche di modellazione tridimensionale, con particolare attenzione al metodo subdivision e agli algoritmi che lo governano (Chaikin, Doo – Sabin). Vengono poi proposti alcuni esempi applicativi della modellazione free form e skeleton, con una successiva comparazione, sugli stessi modelli, delle sequenze e operazioni necessarie con le tradizionali tecniche di modellazione parametrica. Si riporta un esempio dell’utilizzo del software IronCAD, il primo software a unire la modellazione parametrica e diretta. Si descrivono le limitazioni della modellazione parametrica e di quella history free nella fase concettuale di un progetto, per arrivare a definire le caratteristiche della hybrid modeling, nuovo approccio alla modellazione. Si presenta brevemente il prototipo, in fase di sviluppo, che tenta di applicare concretamente i concetti dell’hybrid modeling e che vuole essere la base di partenza per una nuova generazione di softwares CAD. Infine si presenta la possibilità di ottenere simulazioni real time su modelli che subiscono modifiche topologiche. La simulazione real time è permessa dalla ridefinizione in forma parametrica del problema lineare elastico che viene successivamente risolto mediante l’applicazione congiunta delle R – Functions e del metodo PGD. Seguono esempi di simulazione real time.

L'influenza della precompressione nella prova a taglio dei campioni in muratura: uno studio sperimentale

Essendo l’Italia un territorio soggetto a violenti e frequenti sismi, ed avendo un importante patrimonio in muratura, è interessante studiare il rapporto tra i due. La muratura è maggiormente resistente contro forze che agiscono nel suo piano, che generano quindi uno sforzo di taglio. Si andrà dunque a valutare sperimentalmente la resistenza a taglio delle murature. Tale campagna sperimentale sarà svolta su campioni di muratura sotto forma di triplette confezionate con due tipi di malta diversi a tre livelli di precompressione differenti. I risultati così ottenuti saranno infine rielaborati in un grafico, il grafico della legge di Coulomb, che mira a cercare un legame lineare tra le tau e le sigma di precompressione. Un valore aggiunto dello studio sta nel monitoraggio costante della prova, dal quale si nota che la precompressione durante questa varia. Portando dunque a due risultati diversi: il primo è un legame tau-sigma con livelli di sigma normativi e uno con legami di sigma effettivi della rottura. La campagna sperimentale, inoltre, comprende anche la valutazione del modulo elastico per i singoli campioni di laterizio e di malta. La malta sarà provata anche per la resistenza a flessione e compressione.

Applicazione di un protocollo di screening differenziale nel sistema Vitis vinifera per l’identificazione di peptidi con attività antimicrobica

Le piante e gli animali presentano elementi comuni nel loro sistema di difesa contro gli agenti patogeni, come la sintesi diretta di enzimi idrolitici (chitinasi, glucanasi, proteinasi e ossidasi) e di peptidi antimicrobici (AMPs). Gli AMPs sono peptidi ampiamente espressi negli organismi animali (vertebrati e invertebrati) e nelle piante. Possono essere espressi costitutivamente o rapidamente indotti inseguito ad uno stimolo biotico, a differenti livelli cellulari, per interagire direttamente con l’agente infettante e/o per modulare la risposta immunitaria contro i patogeni. Tali peptidi sono oggi classificati in relazione alle loro caratteristiche biochimiche (carica netta) e/ o alle loro caratteristiche strutturali (composizione amminoacidica, struttura lineare o circolare). In base a queste caratteristiche le molecole possono essere distinte nei seguenti gruppi: 1) peptidi lineari ad alfa elica; 2) peptidi ciclici con β-sheets e due o più ponti disolfuro; 3) peptidi con alfa elica e β-sheets stabilizzati da ponti disolfuro; 4) peptidi con hairpin o loop stabilizzati da ponti disolfuro; 5) peptidi lineari con residui aminoacidici ripetuti, come prolina, glicina, triptofano o istidina; 6) piccoli peptidi con struttura avvolta o con una struttura secondaria non definita. Nonostante la loro diversità strutturale, i peptidi antimicrobici presentano la caratteristica comune di inibire la crescita di un largo spettro di microbi, quali Gram-positivi, Gram-negativi, funghi e in alcuni casi anche virus, tanto da far coniare il termine di “antibiotici naturali”. Negli ultimi anni è notevolmente incrementato l’interesse verso tali peptidi dal momento che dati scientifici hanno mostrato che questi non inducono lo sviluppo di meccanismi di resistenza nei microrganismi patogeni. Gli AMPs quindi potrebbero costituire una valida alternativa non solo in ambito sanitario, per la sostituzione di antibiotici di sintesi chimica e di origine microbiologica, ma potrebbero avere un importante utilizzo in campo industriale e nello sviluppo di nuovi sistemi di conservazione degli alimenti al fine di incrementare la loro “shelf-life”.

Proposta per un maglev urbano. Lineamenti di un progetto di ricerca industriale per lo sviluppo di un sistema di trasporto innovativo

L'oggetto della proposta è un sistema di trasporto guidato di media potenzialità destinato alle aree metropolitane, basato sulla tecnologia della levitazione magnetica. Utilizza magneti permanenti ad alta energia per la sostentazione; un motore lineare sincrono per la propulsione; un dispositivo meccanico, o elettromagnetico, per stabilizzare la guida assicurata dagli stessi magneti della sostentazione. Il contenuto innovativo dell'oggetto non si limita alla parte non convenzionale (levitazione), ma investe tutto il sistema, poiché l'offerta industriale di un sistema destinato alle aree metropolitane è vincente solo se riferita ad un sistema completo (infrastruttura, veicoli, alimentazione, sistema di sicurezza, modello di esercizio, gestione, manutenzione, …). Si descrive inoltre la particolare soluzione inedita con abitacolo sospeso al di sotto dell'involucro tecnologico (comprendente magneti di sostentamento, motore lineare, sistema di guida, sospensione secondaria).