Hybrid constraint programming and metaheuristic methods for large scale optimization problems

This work presents hybrid Constraint Programming (CP) and metaheuristic methods for the solution of Large Scale Optimization Problems; it aims at integrating concepts and mechanisms from the metaheuristic methods to a CP-based tree search environment in order to exploit the advantages of both approaches. The modeling and solution of large scale combinatorial optimization problem is a topic which has arisen the interest of many researcherers in the Operations Research field; combinatorial optimization problems are widely spread in everyday life and the need of solving difficult problems is more and more urgent. Metaheuristic techniques have been developed in the last decades to effectively handle the approximate solution of combinatorial optimization problems; we will examine metaheuristics in detail, focusing on the common aspects of different techniques. Each metaheuristic approach possesses its own peculiarities in designing and guiding the solution process; our work aims at recognizing components which can be extracted from metaheuristic methods and re-used in different contexts. In particular we focus on the possibility of porting metaheuristic elements to constraint programming based environments, as constraint programming is able to deal with feasibility issues of optimization problems in a very effective manner. Moreover, CP offers a general paradigm which allows to easily model any type of problem and solve it with a problem-independent framework, differently from local search and metaheuristic methods which are highly problem specific. In this work we describe the implementation of the Local Branching framework, originally developed for Mixed Integer Programming, in a CP-based environment. Constraint programming specific features are used to ease the search process, still mantaining an absolute generality of the approach. We also propose a search strategy called Sliced Neighborhood Search, SNS, that iteratively explores slices of large neighborhoods of an incumbent solution by performing CP-based tree search and encloses concepts from metaheuristic techniques. SNS can be used as a stand alone search strategy, but it can alternatively be embedded in existing strategies as intensification and diversification mechanism. In particular we show its integration within the CP-based local branching. We provide an extensive experimental evaluation of the proposed approaches on instances of the Asymmetric Traveling Salesman Problem and of the Asymmetric Traveling Salesman Problem with Time Windows. The proposed approaches achieve good results on practical size problem, thus demonstrating the benefit of integrating metaheuristic concepts in CP-based frameworks.

Theoretical and implementation aspects in the mechanization of the metatheory of programming languages

Interactive theorem provers are tools designed for the certification of formal proofs developed by means of man-machine collaboration. Formal proofs obtained in this way cover a large variety of logical theories, ranging from the branches of mainstream mathematics, to the field of software verification. The border between these two worlds is marked by results in theoretical computer science and proofs related to the metatheory of programming languages. This last field, which is an obvious application of interactive theorem proving, poses nonetheless a serious challenge to the users of such tools, due both to the particularly structured way in which these proofs are constructed, and to difficulties related to the management of notions typical of programming languages like variable binding. This thesis is composed of two parts, discussing our experience in the development of the Matita interactive theorem prover and its use in the mechanization of the metatheory of programming languages. More specifically, part I covers: - the results of our effort in providing a better framework for the development of tactics for Matita, in order to make their implementation and debugging easier, also resulting in a much clearer code; - a discussion of the implementation of two tactics, providing infrastructure for the unification of constructor forms and the inversion of inductive predicates; we point out interactions between induction and inversion and provide an advancement over the state of the art. In the second part of the thesis, we focus on aspects related to the formalization of programming languages. We describe two works of ours: - a discussion of basic issues we encountered in our formalizations of part 1A of the Poplmark challenge, where we apply the extended inversion principles we implemented for Matita; - a formalization of an algebraic logical framework, posing more complex challenges, including multiple binding and a form of hereditary substitution; this work adopts, for the encoding of binding, an extension of Masahiko Sato's canonical locally named representation we designed during our visit to the Laboratory for Foundations of Computer Science at the University of Edinburgh, under the supervision of Randy Pollack.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

Engineering Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

A farm-level programming model to compare the atmospheric impact of conventional and organic farming

A model is developed to represent the activity of a farm using the method of linear programming. Two are the main components of the model, the balance of soil fertility and the livestock nutrition. According to the first, the farm is supposed to have a total requirement of nitrogen, which is to be accomplished either through internal sources (manure) or through external sources (fertilisers). The second component describes the animal husbandry as having a nutritional requirement which must be satisfied through the internal production of arable crops or the acquisition of feed from the market. The farmer is supposed to maximise total net income from the agricultural and the zoo-technical activities by choosing one rotation among those available for climate and acclivity. The perspective of the analysis is one of a short period: the structure of the farm is supposed to be fixed without possibility to change the allocation of permanent crops and the amount of animal husbandry. The model is integrated with an environmental module that describes the role of the farm within the carbon-nitrogen cycle. On the one hand the farm allows storing carbon through the photosynthesis of the plants and the accumulation of carbon in the soil; on the other some activities of the farm emit greenhouse gases into the atmosphere. The model is tested for some representative farms of the Emilia-Romagna region, showing to be capable to give different results for conventional and organic farming and providing first results concerning the different atmospheric impact. Relevant data about the representative farms and the feasible rotations are extracted from the FADN database, with an integration of the coefficients from the literature.

Game programming: Grafica 3d

Tesi riguardante la creazione di tutte le risorse grafiche necessarie ad un videogioco tridimensionale in prima persona con Blender e Unity3D. Gli argomenti trattati sono: prgettazione, 3D modeling, texturing e shading.

Game programming: sviluppo di un gioco

La tesi riguarda tutto il processo di progettazione di un videogioco e l'implementazione dello stesso. Gli argomenti trattati sono: Unity, Design & Gameplay e l'implementazioni del progetto.

Portfolio Approaches in Constraint Programming

Recent research has shown that the performance of a single, arbitrarily efficient algorithm can be significantly outperformed by using a portfolio of —possibly on-average slower— algorithms. Within the Constraint Programming (CP) context, a portfolio solver can be seen as a particular constraint solver that exploits the synergy between the constituent solvers of its portfolio for predicting which is (or which are) the best solver(s) to run for solving a new, unseen instance. In this thesis we examine the benefits of portfolio solvers in CP. Despite portfolio approaches have been extensively studied for Boolean Satisfiability (SAT) problems, in the more general CP field these techniques have been only marginally studied and used. We conducted this work through the investigation, the analysis and the construction of several portfolio approaches for solving both satisfaction and optimization problems. We focused in particular on sequential approaches, i.e., single-threaded portfolio solvers always running on the same core. We started from a first empirical evaluation on portfolio approaches for solving Constraint Satisfaction Problems (CSPs), and then we improved on it by introducing new data, solvers, features, algorithms, and tools. Afterwards, we addressed the more general Constraint Optimization Problems (COPs) by implementing and testing a number of models for dealing with COP portfolio solvers. Finally, we have come full circle by developing sunny-cp: a sequential CP portfolio solver that turned out to be competitive also in the MiniZinc Challenge, the reference competition for CP solvers.

Engineering Complex Computational Ecosystems

Self-organising pervasive ecosystems of devices are set to become a major vehicle for delivering infrastructure and end-user services. The inherent complexity of such systems poses new challenges to those who want to dominate it by applying the principles of engineering. The recent growth in number and distribution of devices with decent computational and communicational abilities, that suddenly accelerated with the massive diffusion of smartphones and tablets, is delivering a world with a much higher density of devices in space. Also, communication technologies seem to be focussing on short-range device-to-device (P2P) interactions, with technologies such as Bluetooth and Near-Field Communication gaining greater adoption. Locality and situatedness become key to providing the best possible experience to users, and the classic model of a centralised, enormously powerful server gathering and processing data becomes less and less efficient with device density. Accomplishing complex global tasks without a centralised controller responsible of aggregating data, however, is a challenging task. In particular, there is a local-to-global issue that makes the application of engineering principles challenging at least: designing device-local programs that, through interaction, guarantee a certain global service level. In this thesis, we first analyse the state of the art in coordination systems, then motivate the work by describing the main issues of pre-existing tools and practices and identifying the improvements that would benefit the design of such complex software ecosystems. The contribution can be divided in three main branches. First, we introduce a novel simulation toolchain for pervasive ecosystems, designed for allowing good expressiveness still retaining high performance. Second, we leverage existing coordination models and patterns in order to create new spatial structures. Third, we introduce a novel language, based on the existing ``Field Calculus'' and integrated with the aforementioned toolchain, designed to be usable for practical aggregate programming.

New integer programming models for balanced multi-country kep

Le persone che soffrono di insufficienza renale terminale hanno due possibili trattamenti da affrontare: la dialisi oppure il trapianto di organo. Nel caso volessero seguire la seconda strada, oltre che essere inseriti nella lista d'attesa dei donatori deceduti, possono trovare una persona, come il coniuge, un parente o un amico, disposta a donare il proprio rene. Tuttavia, non sempre il trapianto è fattibile: donatore e ricevente possono, infatti, presentare delle incompatibilità a livello di gruppo sanguigno o di tessuto organico. Come risposta a questo tipo di problema nasce il KEP (Kidney Exchange Program), un programma, ampiamente avviato in diverse realtà europee e mondiali, che si occupa di raggruppare in un unico insieme le coppie donatore/ricevente in questa stessa situazione al fine di operare e massimizzare scambi incrociati di reni fra coppie compatibili. Questa tesi approffondisce tale questione andando a valutare la possibilità di unire in un unico insieme internazionale coppie donatore/ricevente provenienti da più paesi. Lo scopo, naturalmente, è quello di poter ottenere un numero sempre maggiore di trapianti effettuati. Lo studio affronta dal punto di vista matematico problematiche legate a tale collaborazione: i paesi che eventualmente accettassero di partecipare a un simile programma, infatti, devono avere la garanzia non solo di ricavarne un vantaggio, ma anche che tale vantaggio sia equamente distribuito fra tutti i paesi partecipanti.

Applying the reactive programming paradigm: Toward a more declarative application development approach

After almost 10 years from “The Free Lunch Is Over” article, where the need to parallelize programs started to be a real and mainstream issue, a lot of stuffs did happened: • Processor manufacturers are reaching the physical limits with most of their approaches to boosting CPU performance, and are instead turning to hyperthreading and multicore architectures; • Applications are increasingly need to support concurrency; • Programming languages and systems are increasingly forced to deal well with concurrency. This thesis is an attempt to propose an overview of a paradigm that aims to properly abstract the problem of propagating data changes: Reactive Programming (RP). This paradigm proposes an asynchronous non-blocking approach to concurrency and computations, abstracting from the low-level concurrency mechanisms.

Realizzazione di un'applicazione mobile Android basata su interazioni con interfacce API di diversi servizi.

La grande crescita e l'enorme distribuzione che hanno avuto negli ultimi tempi i moderni devices mobile (smartphones, tablet, dispositivi wearable, etc...) ha dato l'avvio ad un massiccio sviluppo di applicazioni mobile di qualunque genere, dall'health-care all'AR (Augmented Reality, realtà aumentata), dalle applicazioni social alle applicazioni che offrono servizi all'utente.

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

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