Exact and heuristic algorithms for the integrated planning of multi-energy systems

The aim of this thesis is to present exact and heuristic algorithms for the integrated planning of multi-energy systems. The idea is to disaggregate the energy system, starting first with its core the Central Energy System, and then to proceed towards the Decentral part. Therefore, a mathematical model for the generation expansion operations to optimize the performance of a Central Energy System system is first proposed. To ensure that the proposed generation operations are compatible with the network, some extensions of the existing network are considered as well. All these decisions are evaluated both from an economic viewpoint and from an environmental perspective, as specific constraints related to greenhouse gases emissions are imposed in the formulation. Then, the thesis presents an optimization model for solar organic Rankine cycle in the context of transactive energy trading. In this study, the impact that this technology can have on the peer-to-peer trading application in renewable based community microgrids is inspected. Here the consumer becomes a prosumer and engages actively in virtual trading with other prosumers at the distribution system level. Moreover, there is an investigation of how different technological parameters of the solar Organic Rankine Cycle may affect the final solution. Finally, the thesis introduces a tactical optimization model for the maintenance operations’ scheduling phase of a Combined Heat and Power plant. Specifically, two types of cleaning operations are considered, i.e., online cleaning and offline cleaning. Furthermore, a piecewise linear representation of the electric efficiency variation curve is included. Given the challenge of solving the tactical management model, a heuristic algorithm is proposed. The heuristic works by solving the daily operational production scheduling problem, based on the final consumer’s demand and on the electricity prices. The aggregate information from the operational problem is used to derive maintenance decisions at a tactical level.

New insights into vaginal environment during pregnancy: a multi-omics approach

The present thesis aims to provide a thorough comprehension of the vaginal ecosystem of pregnant women and enhance the knowledge of pregnancy pathophysiology. The first study emphasized the importance of limiting protein intake from animal sources, consuming carbohydrates, and avoiding starting pregnancy overweight to maintain a healthy vaginal environment characterized by lactobacilli and related metabolites. In the second paper, a reduction in bacterial diversity, an increase in Lactobacillus abundance, and a decrease in bacterial vaginosis-related genera were observed during pregnancy. Lactobacillus abundance correlated with higher levels of lactate, sarcosine, and amino acids, while bacterial vaginosis-related genera were associated with amines, formate, acetate, alcohols, and short-chain fatty acids. An association between intrapartum antibiotic prophylaxis for Group B Streptococcus and higher vaginal abundance of Prevotella was found. Moreover, women experiencing a first-trimester miscarriage displayed a higher abundance of Fusobacterium. The third study explored the presence of macrolides and tetracyclines resistance genes in the vaginal environment, highlighting that different vaginal microbiota types were associated with distinct resistance profiles. Lactobacilli-dominated ecosystems showed fewer or no resistance genes, while women with increased bacterial vaginosis-related genera were positive for resistance genes. The last two papers aimed to identify potential biomarkers of vaginal health or disease status. The fourth paper showed that positivity for Torquetenovirus decreased from the first to the third trimester, being more prevalent in women with higher vaginal leukocyte counts. Torquetenovirus-positive samples showed higher levels of cytokines, propionate, and cadaverine. Lactobacillus species decreased in Torquetenovirus-positive samples, while Sneathia and Shuttleworthia increased. The last work pointed out the association between clade 2 of Gardnerella vaginalis and bacterial vaginosis. Moreover, as the number of simultaneously detected G. vaginalis clades increased, bacterial vaginosis-associated bacteria also tended to increase. Additionally, sialidase gene levels negatively correlated with Lactobacillus and positively correlated with Gardnerella, Atopobium, Prevotella, Megasphaera, and Sneathia.

The interplay of multiplicity and effective energy for (multi) strange hadron production in pp collisions at the LHC

The enhanced production of strange hadrons in heavy-ion collisions relative to that in minimum-bias pp collisions is historically considered one of the first signatures of the formation of a deconfined quark-gluon plasma. At the LHC, the ALICE experiment observed that the ratio of strange to non-strange hadron yields increases with the charged-particle multiplicity at midrapidity, starting from pp collisions and evolving smoothly across interaction systems and energies, ultimately reaching Pb-Pb collisions. The understanding of the origin of this effect in small systems remains an open question. This thesis presents a comprehensive study of the production of $K^{0}_{S}$, $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) and $\Xi^{-}$ ($\bar{\Xi}^{+}$) strange hadrons in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in LHC Run 2 with ALICE. A novel approach is exploited, introducing, for the first time, the concept of effective energy in the study of strangeness production in hadronic collisions at the LHC. In this work, the ALICE Zero Degree Calorimeters are used to measure the energy carried by forward emitted baryons in pp collisions, which reduces the effective energy available for particle production with respect to the nominal centre-of-mass energy. The results presented in this thesis provide new insights into the interplay, for strangeness production, between the initial stages of the collision and the produced final hadronic state. Finally, the first Run 3 results on the production of $\Omega^{\pm}$ ($\bar{\Omega}^{+}$) multi-strange baryons are presented, measured in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV and 900 GeV, the highest and lowest collision energies reached so far at the LHC. This thesis also presents the development and validation of the ALICE Time-Of-Flight (TOF) data quality monitoring system for LHC Run 3. This work was fundamental to assess the performance of the TOF detector during the commissioning phase, in the Long Shutdown 2, and during the data taking period.

Primordial black holes from multi-field inflation

In this master's thesis, the formation of Primordial Black Holes (PBHs) in the context of multi-field inflation is studied. In these models, the interaction of isocurvature and curvature perturbations can lead to a significant enhancement of the latter, and to the subsequent production of PBHs. Depending on their mass, these can account for a significant fraction (or, in some cases, the entirety) of the universe's Dark Matter content. After studying the theoretical framework of generic N-field inflationary models, the focus is restricted to the two-field case, for which a few concrete realisations are analysed. A numerical code (written in Wolfram Mathematica) is developed to make quantitative predictions for the main inflationary observables, notably the scalar power spectra. Parallelly, the production of PBHs due to the dynamics of 2-field inflation is examined: their mass, as well as the fraction of Dark Matter they represent, is calculated for the models considered previously.

Multi-scalar critical theories: first steps for a non perturbative functional renormalization group analysis

In this work the fundamental ideas to study properties of QFTs with the functional Renormalization Group are presented and some examples illustrated. First the Wetterich equation for the effective average action and its flow in the local potential approximation (LPA) for a single scalar field is derived. This case is considered to illustrate some techniques used to solve the RG fixed point equation and study the properties of the critical theories in D dimensions. In particular the shooting methods for the ODE equation for the fixed point potential as well as the approach which studies a polynomial truncation with a finite number of couplings, which is convenient to study the critical exponents. We then study novel cases related to multi field scalar theories, deriving the flow equations for the LPA truncation, both without assuming any global symmetry and also specialising to cases with a given symmetry, using truncations based on polynomials of the symmetry invariants. This is used to study possible non perturbative solutions of critical theories which are extensions of known perturbative results, obtained in the epsilon expansion below the upper critical dimension.

Intermediate linguistic task fine-tuning on Multi-lingual models

State-of-the-art NLP systems are generally based on the assumption that the underlying models are provided with vast datasets to train on. However, especially when working in multi-lingual contexts, datasets are often scarce, thus more research should be carried out in this field. This thesis investigates the benefits of introducing an additional training step when fine-tuning NLP models, named Intermediate Training, which could be exploited to augment the data used for the training phase. The Intermediate Training step is applied by training models on NLP tasks that are not strictly related to the target task, aiming to verify if the models are able to leverage the learned knowledge of such tasks. Furthermore, in order to better analyze the synergies between different categories of NLP tasks, experimentations have been extended also to Multi-Task Training, in which the model is trained on multiple tasks at the same time.

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

Power sharing e controllo modulare di macchine elettriche multi-trifase

La costante ricerca e lo sviluppo nel campo degli azionamenti e dei motori elettrici hanno portato ad una loro sempre maggiore applicazione ed utilizzo. Tuttavia, la crescente esigenza di sistemi ad alta potenza sempre più performanti da una parte ha evidenziato i limiti di certe soluzioni, dall’altra l’affermarsi di altre. In questi sistemi, infatti, la macchina elettrica trifase non rappresenta più l’unica soluzione possibile: negli ultimi anni si è assistito ad una sempre maggiore diffusione di macchine elettriche multifase. Grazie alle maggiori potenzialità che sono in grado di offrire, per quanto alcune di queste siano ancora sconosciute, risultano già essere una valida alternativa rispetto alla tradizionale controparte trifase. Sicuramente però, fra le varie architetture multifase, quelle multi-trifase (ovvero quelle con un numero di fasi multiplo di tre) rappresentano una soluzione particolarmente vantaggiosa in ambito industriale. Infatti, se impiegate all’interno di architetture multifase, la profonda conoscenza dei tradizionali sistemi trifase consente di ridurre i costi ed i tempi legati alla loro progettazione. In questo elaborato la macchina elettrica multi-trifase analizzata è una macchina sincrona esafase con rotore a magneti permanenti superficiali. Questa particolare tipologia di macchina elettrica può essere modellizzata attraverso due approcci completamente differenti: uno esafase ed uno doppio trifase. Queste possibilità hanno portato molti ricercatori alla ricerca della migliore strategia di controllo per questa macchina. L’obiettivo di questa tesi è di effettuare un’analisi comparativa tra tre diverse strategie di controllo applicate alla stessa macchina elettrica multi-trifase, analizzandone la risposta dinamica in diverse condizioni di funzionamento.

Multi-performance assessment of a masonry building with a sustainable RC-Framed Skin

Questa tesi si propone di fornire un approccio multidisciplinare per la valutazione delle prestazioni di una tipologia di intervento sostenibile che consiste in un telaio in calcestruzzo armato (RCFramed skin) per la ristrutturazione integrata di edifici esistenti. Viene fornita una descrizione preliminare di tale tecnologia, con particolare attenzione al miglioramento simultaneo delle prestazioni strutturali (sismiche), non strutturali (energetiche) e alle questioni relative alla limitazione dell'invasività e dell'interruzione dell'uso della costruzione. La valutazione delle prestazioni dell'edificio nelle configurazioni pre e post intervento è effettuata, principalmente in termini di capacità sismica, ma anche del comportamento termo-igrometrico. In particolare, i benefici ottenuti sia dal punto di vista strutturale che energetico sono valutati con riferimento a tre diverse città appartenenti a tre differenti zone sismiche e climatiche. La fattibilità e la sostenibilità dell'intervento di adeguamento proposto sono indagate attraverso una valutazione LCA(Life Cycle Assessment) per l'impatto ambientale e LCC(Life Cycle Cost) per l’analisi economica. Infine, viene proposto un metodo per facilitare la selezione della soluzione di intervento ottimale per ogni sito, combinando l'aspetto strutturale con quello energetico, di impatto ambientale ed economico.

Exploring the Higgs-muon coupling at a multi-TeV muon collider

We investigate the potential of a high-energy muon collider in measuring the muon Yukawa coupling (y_μ) in the production of two, three and four heavy bosons via muon-antimuon annihilations. We study the sensitivity of these processes to deviations of y_μ from the Standard Model prediction, parametrized by an effective dimension-6 operator in the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) framework. We also consider the κ framework, in which the deviation is simply parametrized by a strength modification of the μ+μ−h vertex alone. Both frameworks lead to an energy enhancement of the cross sections with one or more vector bosons, although the κ framework yields stronger effects, especially for the production of four bosons. On the contrary, for purely-Higgs final states the cross section is suppressed in the κ framework, while it is extremely sensitive to deviations in the SMEFT. We show that the triple-Higgs production is the most sensitive process to spot new physics effects on y_μ.

Multi-mode communications in near field exploiting OAM properties

This dissertation analyzes the exploitation of the orbital angular momentum (OAM) of the electromagnetic waves with large intelligent surfaces in the near-field region and line-of-sight conditions, in light of the holographic MIMO communication concept. Firstly, a characterization of the OAM-based communication problem is presented, and the relationship between OAM-carrying waves and communication modes is discussed. Then, practicable strategies for OAM detection using large intelligent surfaces and optimization methods based on beam focusing are proposed. Numerical results characterize the effectiveness of OAM with respect to other strategies, also including the proposed detection and optimization methods. It is shown that OAM waves constitute a particular choice of communication modes, i.e., an alternative basis set, which is sub-optimum with respect to optimal basis functions that can be derived by solving eigenfunction problems. Moreover, even the joint utilization of OAM waves with focusing strategies led to the conclusion that no channel capacity achievements can be obtained with these transmission techniques.

Sviluppo di applicazioni real-time multi-utente: un middleware basato sulla piattaforma Croquet

Il crescente aumento del numero di dispositivi connessi in rete e delle applicazioni che vengono sviluppate su di essa ha trasformato completamente lo standard delle applicazioni che una volta erano single-user, facendo quindi arrivare lo standard ad un modello multi-utente, dove si ha un ambiente collaborativo e condiviso in cui le azioni di un determinato utente vanno ad influire anche sugli altri. Altra necessità al giorno d'oggi è inoltre che queste applicazioni multi-utente siano anche real-time, ovvero che si aggiornino in tempo reale e che di conseguenza l'azione di un singolo utente debba essere trasmessa e notificata a tutti gli altri in modo che possano gestirla di conseguenza. Lo sviluppo di tali applicazioni risulta quindi particolarmente complesso, tuttavia esistono anche soluzioni architetturali e framework che risultano essere dedicati all'implementazione di tale tipo di applicazioni, il quale obiettivo è quindi quello di semplificarne e velocizzarne lo sviluppo, tramite l'utilizzo di pattern o architetture mirate all'implementazione di un tipo specifico di tali applicazioni. Un esempio di tali soluzioni è Croquet, che permette la creazione di applicazioni real-time multi-utente, senza la necessità di scrivere alcun codice per la parte server o per la gestione delle comunicazioni tra i peer, ma solamente sviluppando il modello del client, ovvero la parte in esecuzione sulla macchina dell'utente. Questa tesi andrà quindi ad effettuare uno studio sul funzionamento e sull'architettura di Croquet proseguendo quindi con lo sviluppo di un middleware che permetta la creazione di applicazioni real-time multi-utente indipendenti dal linguaggio di sviluppo, le quali si potranno quindi appoggiare sull'architettura di Croquet per funzionare e comunicare, avendo quindi a disposizione tutte le garanzie che vengono offerte da Croquet e dalla sua architettura.

Distributed collision-free traffic management via vertex cover for multi-vehicle systems

In this thesis, we state the collision avoidance problem as a vertex covering problem, then we consider a distributed framework in which a team of cooperating Unmanned Vehicles (UVs) aim to solve this optimization problem cooperatively to guarantee collision avoidance between group members. For this purpose, we implement a distributed control scheme based on a robust Set-Theoretic Model Predictive Control ( ST-MPC) strategy, where the problem involves vehicles with independent dynamics but with coupled constraints, to capture required cooperative behavior.

Analysis, Design, and Hardware-in-the-Loop Validation of Multi-Active Bridge Converters

This master's thesis investigates different aspects of Dual-Active-Bridge (DAB) Converter and extends aspects further to Multi-Active-Bridges (MAB). The thesis starts with an overview of the applications of the DAB and MAB and their importance. The analytical part of the thesis includes the derivation of the peak and RMS currents, which is required for finding the losses present in the system. The power converters, considered in this thesis are DAB, Triple-Active Bridge (TAB) and Quad-Active Bridge (QAB). All the theoretical calculations are compared with the simulation results from PLECS software for identifying the correctness of the reviewed and developed theory. The Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is conducted for checking the control operation in real-time with the help of the RT box from the Plexim. Additionally, as in real systems digital signal processor (DSP), system-on-chip or field programmable gate array is employed for the control of the power electronic systems, and the execution of the control in the real-time simulation (RTS) conducted is performed by DSP.

Gusci temporanei e ricomponibili: Utilizzo di un sistema multi-agente per la generazione di un sistema costruttivo a tasselli planari per superfici a doppia curvatura

Lo scopo della ricerca è quello di sviluppare un metodo di design che integri gli apporti delle diverse discipline di architettura, ingegneria e fabbricazione all’interno del progetto, utilizzando come caso di studio l’uso di una tettonica ad elementi planari in legno per la costruzione di superfici a guscio da utilizzare come padiglioni temporanei. La maniera in cui ci si propone di raggiungere tale scopo è tramite l’utilizzo di un agent based system che funge da mediatore tra i vari obbiettivi che si vogliono considerare, in questo caso tra parametri estetici, legati alla geometria scelta, e di fabbricazione. Si sceglie di applicare questo sistema allo studio di una struttura a guscio, che grazie alla sua naturale rigidezza integra forma e capacità strutturale, tramite una tassellazione planare della superficie stessa. Il sistema studiato si basa sull’algoritmo di circle relaxation, che viene integrato tramite dei comportamenti che tengano conto della curvatura della superficie in questione e altri comportamenti scelti appositamente per agevolare il processo di tassellazione tramite tangent plane intersection. La scelta di studiare elementi planari è finalizzata ad una maggiore facilità di fabbricazione ed assemblaggio prevedendo l’uso di macchine a controllo numerico per la fabbricazione e un assemblaggio interamente a secco e che non necessita di impalcature . Il risultato proposto è quello quindi di un padiglione costituito da elementi planari ricomponibili in legno, con particolare attenzione alla facilità e velocità di montaggio degli stessi, utile per possibili strutture temporanee e/o di emergenza.