Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

Caratterizzazione dosimetrica e di qualità immagine del tomografo Philips Brilliance ICT 256-slice

In questo lavoro, svolto presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) (I.R.C.C.S) di Meldola, si sono studiate le caratteristiche di un tomografo Philips Brilliance iCT 256 strati, con l'obiettivo di individuare le variazioni di qualità delle immagini e di dose in funzione dei parametri di acquisizione dello strumento, al fine di una successiva ottimizzazione dei protocolli degli esami tomografici. Le valutazioni sono state fatte sul tomografo multistrato Philips mediante uso di diversi fantocci e dosimetri, seguendo le linee guida della pubblicazione per il controllo di qualità in tomografia computerizzata dell'International Atomic Energy Agency (IAEA). Si è utilizzato il fantoccio Catphan per la caratterizzazione della qualità dell'immagine, acquisendo immagini sia in modalità assiale che spirale e variando parametri di acquisizione quali spessore di strato, kV, mAs e pitch. Per le varie combinazioni di questi parametri sono state misurate, mediante l'utilizzo dei software ImageJ ed ImageOwl, grandezze oggettive quali risoluzione spaziale, risoluzione a basso contrasto e rumore dell'immagine acquisita. Due fantocci di polimetilmetacrilato (PMMA) head e body sono serviti, insieme ad una camera a ionizzazione di tipo pencil, per la misura di indici di dose per la tomografia computerizzata (CTDI). L'irraggiamento di questi strumenti è stato effettuato a diversi valori di tensione del tubo radiogeno e ha permesso di confrontare i valori CTDI misurati con quelli forniti dal tomografo. Si sono quindi calcolate le dosi efficaci di alcuni protocolli della macchina per poi confrontarle con livelli di riferimento diagnostici (DRL), strumenti utilizzati con l'obiettivo di raggiungere valori di dose adeguati per lo scopo clinico dell'esame. Come ulteriore valutazione dosimetrica, si è utilizzato il fantoccio antropomorfo Rando, in cui sono stati inseriti dei dosimetri a termoluminescenza (TLD) per la misura della dose organo. Dai risultati si osserva un andamento inversamente proporzionale tra tensione del tubo radiogeno e contrasto dell'immagine. Impostando valori alti di kV si ottiene però un'immagine meno rumorosa. Oltre alla tensione del tubo, si è valutato come anche lo spessore di strato e la corrente influiscano sul rumore dell'immagine. I risultati ottenuti dimostrano che i valori dei parametri oggettivi di qualità delle immagini rientrano nei limiti di attendibilità, così come i valori di CTDI visualizzati dal tomografo. Lo studio della dipendenza di questi parametri oggettivi dalle impostazione di scansione permette di ottimizzare l'acquisizione TC, ottenendo un buon compromesso fra dose impartita e qualità dell'immagine.

Studi di data popularity nell'analisi distribuita su Grid dell'esperimento CMS a LHC

L’esperimento CMS a LHC ha raccolto ingenti moli di dati durante Run-1, e sta sfruttando il periodo di shutdown (LS1) per evolvere il proprio sistema di calcolo. Tra i possibili miglioramenti al sistema, emergono ampi margini di ottimizzazione nell’uso dello storage ai centri di calcolo di livello Tier-2, che rappresentano - in Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)- il fulcro delle risorse dedicate all’analisi distribuita su Grid. In questa tesi viene affrontato uno studio della popolarità dei dati di CMS nell’analisi distribuita su Grid ai Tier-2. Obiettivo del lavoro è dotare il sistema di calcolo di CMS di un sistema per valutare sistematicamente l’ammontare di spazio disco scritto ma non acceduto ai centri Tier-2, contribuendo alla costruzione di un sistema evoluto di data management dinamico che sappia adattarsi elasticamente alle diversi condizioni operative - rimuovendo repliche dei dati non necessarie o aggiungendo repliche dei dati più “popolari” - e dunque, in ultima analisi, che possa aumentare l’“analysis throughput” complessivo. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica dell’esperimento CMS a LHC. Il Capitolo 2 descrive il CMS Computing Model nelle sue generalità, focalizzando la sua attenzione principalmente sul data management e sulle infrastrutture ad esso connesse. Il Capitolo 3 descrive il CMS Popularity Service, fornendo una visione d’insieme sui servizi di data popularity già presenti in CMS prima dell’inizio di questo lavoro. Il Capitolo 4 descrive l’architettura del toolkit sviluppato per questa tesi, ponendo le basi per il Capitolo successivo. Il Capitolo 5 presenta e discute gli studi di data popularity condotti sui dati raccolti attraverso l’infrastruttura precedentemente sviluppata. L’appendice A raccoglie due esempi di codice creato per gestire il toolkit attra- verso cui si raccolgono ed elaborano i dati.

Pattern anticipi e ritardi del trasporto pubblico: un'applicazione di data visualization su dataset reali

La tesi descrive il sistema denominato GARTP che visualizza l'analisi dell'anticipo e del ritardo nel trasporto pubblico, su una mappa cartografica.

Taxibot: Analisi dei benefici derivanti dall'introduzione di un veicolo semi-robotico per dispatch towing. Un'applicazione all'aeroporto Guglielmo Marconi di Bologna.

Valutazione degli impatti economici ed ambientali derivanti dall'introduzione di un veicolo semi-robotico prodotto dall'israel aerospace industries che permette di eseguire il rullaggio con i motori principali dell'aeromobile spenti. Vengono valutati gli aspetti tecnici legate alle criticità e alle procedure di dispatch towing. Viene valutato il beneficio economico delle compagnie aeree derivante dal risparmio di cherosene.

Studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti HT-HP

Questo studio concerne uno studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti ambienti fortemente critici, soggetti ad alta pressione e alta temperatura. Tali motori sono utilizzati nell'industria Oil & Gas per la perforazione di pozzi petroliferi. L’analisi è stata portata a termine attraverso definizione dell’intervallo di temperatura per cui le performance degli strumenti in commercio presenta il maggior numero di failures, compreso tra i 175°C e i 225°C , e per il quale si vuole riuscire a limitare i rischi connessi e le criticità associate, garantendo così il raggiungimento dei target con un maggior grado di affidabilità e disponibilità del PDM utilizzato. Analizzando le sollecitazioni agenti sul motore durante le fasi di utilizzo, è stato possibile rilevare le principali cause di rottura e malfunzionamento che, nella maggior parte dei casi, possono essere attribuite al rigonfiamento e alla degradazione del materiale elastomerico che costituisce lo statore della power section. Investigando in merito alle differenze e alle proprietà di resistenza di numerosi materiali elastomerici a diversi range di temperatura, sono stati evidenziati dei margini di ottimizzazione in particolare relativi alla potenziale riduzione e totale sostituzione della superficie elastomerica con materiale metallico. Ciò ha fatto si che fosse necessario un approfondimento sulle caratteristiche degli acciai e delle leghe metalliche, in termini di resistenza a corrosione, costo del materiale, resistenza meccanica e della capacità di mantenere elevate proprietà meccaniche con l’aumento della temperatura, al fine di individuare i migliori “candidati” per sostituire interamente il materiale elastomerico dello statore in materiale metallico e risolvere così il problema dell’applicazione dei PDM in ambienti HT-HP.

Progettazione e sviluppo di un sistema per la gestione del personale impiegato in processi in outsourcing

In questo lavoro di tesi si è progettato e sviluppato un sistema software originale ed innovativo, orientato in particolare a quelle tipologie di azienda che offrono servizi in outsourcing, per la gestione del personale impiegato nello svolgimento di attività appartenenti ad uno o più processi ceduti in outsourcing. Il sistema progettato offre una soluzione pratica che permette di migliorare la qualità e l’efficienza dei servizi offerti nei confronti del cliente, partendo da un’ottimizzazione del processo di gestione del personale operante presso i vari cantieri. La soluzione proposta mira in particolare alla gestione di processi riguardanti il settore logistico, che in questi ultimi anni ha assunto una valenza determinante con contorni strategici per qualsiasi tipo di impresa, sia essa di piccole, medie o grandi dimensioni, contribuendo ad aumentare la redditività dell’intero processo di business aziendale. Lo scopo principale del progetto è stato raggiunto, e adesso grazie a questo strumento è possibile raccogliere dati in tempo reale, in particolare riguardanti processi di produzione, effettuare monitoraggi continuativi a più livelli o accedere a una vasta gamma di informazioni aziendali sempre ben strutturate e ben aggiornate. Le informazioni raccolte in tempo reale rappresentano un patrimonio inestimabile per apportare dei correttivi ai processi, ridurre tempi, costi, scarti e aumentare rese, produttività ed efficienze.

Analisi dei flussi logistici e re-layout di uno stabilimento industriale: caso Tecnomec s.r.l

Analisi dei flussi logistici di un impianto industriale al fine di modificare il layout aziendale in vista di nuovi investimenti.

Un modello di asset allocation strategica

La tesi affronta il problema di Finanza Matematica dell'asset allocation strategica che consiste nel processo di ripartizione ottimale delle risorse tra diverse attività finanziarie presenti su un mercato. Sulla base della teoria di Harry Markowitz, attraverso passaggi matematici rigorosi si costruisce un portafoglio che risponde a dei requisiti di efficienza in termini di rapporto rischio-rendimento. Vengono inoltre forniti esempi di applicazione elaborati attraverso il software Mathematica.

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Tuning remoto di filtering, pre-processing e buffering per scenari internet of things

La tesi propone una soluzione middleware per scenari in cui i sensori producono un numero elevato di dati che è necessario gestire ed elaborare attraverso operazioni di preprocessing, filtering e buffering al fine di migliorare l'efficienza di comunicazione e del consumo di banda nel rispetto di vincoli energetici e computazionali. E'possibile effettuare l'ottimizzazione di questi componenti attraverso operazioni di tuning remoto.

Sistema informativo aziendale per la gestione del flusso logistico-produttivo nelle piccole imprese manifatturiere e commerciali: analisi e progettazione

Il presente lavoro di tesi si occupa dell’analisi delle caratteristiche costituenti un sistema informativo destinato alla gestione della logistica e della produzione di piccole realtà imprenditoriali e, successivamente, della definizione di una possibile struttura modulare dello stesso sistema. Il lavoro, frutto di una collaborazione (tirocinio formativo) presso una società di consulenza organizzativa e informatica, prende le mosse dallo studio di una serie di trattazioni riguardanti i seguenti temi: gestione delle scorte e della produzione, lean production, cambiamento organizzativo e reingegnerizzazione dei processi aziendali, sistemi informativi e informatici, rapporto tra piccole-medie imprese e tecnologie dell’informazione. Da un iniziale introduzione sulle tematiche legate alla gestione dell’informazione in ambito aziendale, si procede ad una descrizione dell’utilizzo delle informazioni, in particolare in riferimento alle tecniche di reingegnerizzazione dei processi aziendali. In seguito, viene analizzato il più ampio concetto delle tecnologie a supporto dell’informazione, e della loro relazione con le piccole e medie imprese italiane. Successivamente, si offre una panoramica dei metodi più utilizzati per la pianificazione e programmazione della produzione e per la gestione delle scorte, differenziandoli tra metodi a fabbisogno e metodi a ripristino. Infine, si procede alla presentazione di una configurazione originale di un sistema informativo gestionale, tramite descrizione approfondita dei moduli di base costituenti, anche attraverso l’ausilio di diagrammi esplicativi, ed il confronto tra il proprio metodo di programmazione materiali ed il più famoso metodo MRP (Material Requirements Planning), diffuso nella maggior parte dei software gestionali in commercio; quest’ultimi verranno confrontati con la soluzione presentata tramite mappa di posizionamento. In conclusione, vengono esposte le ragioni di possibile successo del sistema presentato, mettendo in evidenza l’ormai appurata imprescindibilità dei sistemi informativi gestionali, sottolineata dalla crescita costante della loro adozione da parte delle imprese italiane. In particolare, viene posto l’accento sul fatto che il bacino di mercato costituito dalle piccole imprese sia ancora in parte insoddisfatto. Sono proprio le piccole imprese, come verrà spiegato nel dettaglio, le beneficiarie del nuovo sistema progettato, grazie a determinate caratteristiche studiate ad hoc per questa cospicua fascia di mercato.

Misure di accessibilità attiva e passiva di un aeroporto: Teoria e applicazione ad un caso reale

Lo studio svolto mira ad ottenere una comprensione approfondita dell’accessibilità aeroportuale e indaga i meccanismi di interazione tra aeroporti situati nella medesima area, che competono per spartirsi la stessa quota di utenza. Il tentativo è quello di ottenere un quadro completo sulle dinamiche afferenti al sistema aeroportuale bolognese, che permetta di valutarne le potenzialità espansive e gli eventuali limiti di crescita in un mercato parzialmente saturo.

La linea guida api - risk based inspection: Definizione delle frequenze di rilascio e ottimazione delle visite ispettive

La stima della frequenza di accadimento di eventi incidentali di tipo random da linee e apparecchiature è in generale effettuata sulla base delle informazioni presenti in banche dati specializzate. I dati presenti in tali banche contengono informazioni relative ad eventi incidentali avvenuti in varie tipologie di installazioni, che spaziano dagli impianti chimici a quelli petrolchimici. Alcune di queste banche dati risultano anche piuttosto datate, poiché fanno riferimento ad incidenti verificatisi ormai molto addietro negli anni. Ne segue che i valori relativi alle frequenze di perdita forniti dalle banche dati risultano molto conservativi. Per ovviare a tale limite e tenere in conto il progresso tecnico, la linea guida API Recommended Pratice 581, pubblicata nel 2000 e successivamente aggiornata nel 2008, ha introdotto un criterio per determinare frequenze di perdita specializzate alla realtà propria impiantistica, mediante l’ausilio di coefficienti correttivi che considerano il meccanismo di guasto del componente, il sistema di gestione della sicurezza e l’efficacia dell’attività ispettiva. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di mettere in evidenza l’evoluzione dell’approccio di valutazione delle frequenze di perdita da tubazione. Esso è articolato come descritto nel seguito. Il Capitolo 1 ha carattere introduttivo. Nel Capitolo 2 è affrontato lo studio delle frequenze di perdita reperibili nelle banche dati generaliste. Nel Capitolo 3 sono illustrati due approcci, uno qualitativo ed uno quantitativo, che permettono di determinare le linee che presentano priorità più alta per essere sottoposte all’attività ispettiva. Il Capitolo 4 è dedicato alla descrizione della guida API Recomended Practice 581. L’applicazione ad un caso di studio dei criteri di selezione delle linee illustrati nel Capitolo 3 e la definizione delle caratteristiche dell’attività ispettiva secondo la linea guida API Recomended Practice 581 sono illustrati nel Capitolo 5. Infine nel Capitolo 6 sono rese esplicite le considerazioni conclusive dello studio effettuato.

Progettazione ed efficientamento energetico di un campo umanitario.

UNHRD è un Network di Basi Operative di Pronto Intervento Umanitario delle Nazioni Unite, con sei sedi nel mondo, in grado di inviare aiuti di prima necessità in qualsiasi parte del mondo entro 24-48 ore. Creata nel 2000, quella di Brindisi è la prima base del Network. Nel 2014, all’interno di UNHRD di Brindisi, nasce una nuova unità di ricerca e sviluppo, chiamata UNHRD LAB, per revisionare, testare e sviluppare prodotti innovativi contribuendo al miglioramento delle risposte alle emergenze umanitarie. Il LAB, gestito da esperti del campo, lavora in collaborazione con centri di ricerca, fornitori, Organizzazioni Non Governative, Agenzie Governative e con l’Università di Bologna, grazie alla quale ho avuto la possibilità di trascorrere sei mesi all’interno di questa nuova unità. Lavorando in stretta collaborazione con Nicolas Messmer, esperto del campo e responsabile del LAB, ho appurato che la progettazione di un campo umanitario al giorno d’oggi non segue metodi standardizzati, ma si basa sul buon senso di tecnici esperti che stimano numero e tipologie di container da inviare per allestirlo, sulla base dei quali si definiscono i fabbisogni energetici da soddisfare. Al fine di migliorare e velocizzare l’allestimento di un campo umanitario, ho deciso di proporre la creazione di tre standard di campo: piccolo, medio e grande (in funzione del numero degli operatori destinati ad accogliere) definire tipologia e numero di prodotti da inviare nei tre casi, individuare il fabbisogno energetico e ottimizzarlo proponendo soluzioni a basso consumo. Uno dei focus del LAB è infatti la “green techonolgy”, ovvero la ricerca di soluzioni a basso impatto ambientale, da qui i miei studi verso l’efficientamento energetico e l’attenzione verso nuove tecnologie ecofriendly come il fotovoltaico.