Ottimizzazione delle reti di distribuzione idrica tramite algoritmi genetici multi-obiettivo

Water distribution networks optimization is a challenging problem due to the dimension and the complexity of these systems. Since the last half of the twentieth century this field has been investigated by many authors. Recently, to overcome discrete nature of variables and non linearity of equations, the research has been focused on the development of heuristic algorithms. This algorithms do not require continuity and linearity of the problem functions because they are linked to an external hydraulic simulator that solve equations of mass continuity and of energy conservation of the network. In this work, a NSGA-II (Non-dominating Sorting Genetic Algorithm) has been used. This is a heuristic multi-objective genetic algorithm based on the analogy of evolution in nature. Starting from an initial random set of solutions, called population, it evolves them towards a front of solutions that minimize, separately and contemporaneously, all the objectives. This can be very useful in practical problems where multiple and discordant goals are common. Usually, one of the main drawback of these algorithms is related to time consuming: being a stochastic research, a lot of solutions must be analized before good ones are found. Results of this thesis about the classical optimal design problem shows that is possible to improve results modifying the mathematical definition of objective functions and the survival criterion, inserting good solutions created by a Cellular Automata and using rules created by classifier algorithm (C4.5). This part has been tested using the version of NSGA-II supplied by Centre for Water Systems (University of Exeter, UK) in MATLAB® environment. Even if orientating the research can constrain the algorithm with the risk of not finding the optimal set of solutions, it can greatly improve the results. Subsequently, thanks to CINECA help, a version of NSGA-II has been implemented in C language and parallelized: results about the global parallelization show the speed up, while results about the island parallelization show that communication among islands can improve the optimization. Finally, some tests about the optimization of pump scheduling have been carried out. In this case, good results are found for a small network, while the solutions of a big problem are affected by the lack of constraints on the number of pump switches. Possible future research is about the insertion of further constraints and the evolution guide. In the end, the optimization of water distribution systems is still far from a definitive solution, but the improvement in this field can be very useful in reducing the solutions cost of practical problems, where the high number of variables makes their management very difficult from human point of view.

Ottimizzazione di strutture a forma libera

L'obiettivo di questa tesi è la discretizzazione di superfici a forma libera in gruppi di triangoli uguali tra loro. L'applicazione alle coperture in vetro e acciaio comporta un vantaggio a livello economico, nel rispetto dei vincoli architettonici e delle prestazioni strutturali. L'algoritmo utilizzato prevede una serie di iterazioni volte a trovare la forma ottimale dei triangoli approssimanti, che in seguito vengono ruotati e traslati in modo da riprodurre la forma globale iniziale nella maniera più precisa possibile. L'analisi multi-obiettivo riguarda il numero di triangoli unici usati, la spaziatura tra i triangoli, il distacco dalla superficie di riferimento e la dimensione degli elementi che deve essere compatibile con la struttura di sostegno. Vengono riportati i risultati dell'applicazione del presente metodo alla copertura "La Vela" del complesso Mixed Use Via Larga, sito in Bologna.

Ipotesi di espansione lineare - Centro di ricerca avanzata per il quadrante nord dell'Alta Velocità sul Ticino.

Il progetto di tesi, inizialmente, è stato concentrato sull’approfondimento, e studio, delle problematiche relative alla costruzione delle linee ad Alta Velocità, che hanno recentemente segnato il territorio italiano, da nord a sud e da ovest ad est. Proseguendo l’analisi sul sistema ferroviario, tramite il confronto con le altre realtà europee, ho compreso quali fossero le principali criticità e doti del trasporto su ferro in Italia, che è ancora molto lontano dalla sua miglior ottimizzazione, ma che comunque, ci tengo a dire, in rapporto a ciò che succede negli altri paesi d’Europa, non è così deficitario come si è portati a pensare. L’entrata in funzione delle linee ad Alta Velocità, infatti, ha cambiato lo scenario di relazioni tra infrastruttura, città e territorio, proprio in questo ambito nasce la volontà di proporre un modello di sviluppo urbano che comprenda, nella sua pianificazione originale, città, infrastruttura ed architettura, e che anzi rivendichi l’importanza di quest’ultima nelle scelte urbanistiche, al contrario di quanto purtroppo avviene oggi. Dopo uno studio dei contesti possibili in cui inserire un progetto di questa portata, è stata individuata la zona che meglio si adatta alle premesse iniziali, ad ovest di Milano tra Novara e l’aeroporto di Milano Malpensa. Qui la scarsa razionalizzazione dei trasporti pregiudica lo sfruttamento delle potenzialità dell’aeroporto da una parte, e della nuova linea ad Alta Velocità dell’altra, così aggiungendo una nuova tratta di ferrovia ad alte prestazioni e riorganizzando trasporti e territorio, ho tentato di dare risposta alle mancanze del sistema della mobilità. In questo quadro si inserisce la città lineare studiata per dimostrare la possibile integrazione tra trasporti, città ed architettura, il modello, partendo dallo studio del blocco milanese giunge a definire un piano di tipo composto, con un asse principale in cui sono concentrate le vie di trasporto, ed una serie di assi ortogonali secondari che individuano le emergenze architettoniche, punti notevoli che devono fungere da catalizzatori. In uno di questi punti, posto in posizione baricentrica è stato collocato il centro di ricerca avanzata, in particolare è stato inserito in una zona difficilmente raggiungibile, questo per enfatizzare l’isolamento e la riservatezza che sono necessarie alla funzione. Il campus avrebbe potuto trovarsi anche in un altro punto del piano e questo non avrebbe inficiato le premesse iniziali, il progetto dell’università è solo un pretesto per dimostrare l’ipotesi prima dichiarata, l’architettura può e deve svolgere un ruolo importante nella pianificazione anche infrastrutturale.

Ottimizzazione strutturale in ambiente Salome-Meca/CAE

La tesi tratta aspetti relativi all'ottimizzazione strutturale. Algoritmi di ottimizzazione scritti in linguaggio di programmazione Python, sia basati sul metodo del simplesso che di tipo gentico, sono stati integrati in ambiente Salome-Meca/CAE ed applicati ad esempi di interesse strutturale.

Studio, verifica ed ottimizzazione di una macchina automatica opercolatrice

“Perdita di fase tra il gruppo riempimento polvere/cronoidi con LVDT ed il gruppo piattello durante la fase di arresto a causa della mancanza imprevista di corrente elettrica”. La perdita della fase tra differenti gruppi può avvenire per due ragioni: 1) a causa della cedevolezza di alcuni elementi della catena cinematica 2) per problemi relativi al software che comanda gli assi elettronici e che è responsabile del movimento coordinato dei vari gruppi. La prima ipotesi è molto improbabile in macchine come l’ADAPTA, dove non sono presenti elementi cinematici con elevata cedevolezza (come ad esempio delle cinghie) essendo i movimenti guidati da camme scanalate (che, contrariamente, sono molto rigide) e/o da camme elettriche (motori Brushless). Il secondo caso invece avviene ogni volta che viene a mancare la corrente elettrica in maniera accidentale (ad esempio a causa di un black-out). La mancanza di energia elettrica impedisce al computer a bordo macchina di continuare a monitorare e controllare il funzionamento dei vari assi elettronici della macchina, che sono comandati da motori brushless, che quindi continuano per inerzia il loro moto fino a fermarsi. Siccome ogni gruppo ha un’inerzia e una velocità/accelerazione istantanea diversa e variabile in funzione della posizione assunta all’interno del proprio ciclo nel momento della mancanza di corrente elettrica, i tempi di arresto risultano differenti, e questo causa la perdita di fase. I gruppi riempimento polvere/cronoidi e spingitori fondelli presentano interferenza meccanica col gruppo piattello per una certa durata del suo ciclo; in questa fase gli elementi entrano nelle boccole porta fondelli delle slitte mobili del piattello. È l’unico caso in tutta la macchina in cui parti meccaniche di gruppi diversi, vanno a “intersecare” i propri spostamenti. La progettazione di macchine che presentano interferenze di questo genere è generalmente sconsigliabile poiché si potrebbe presentare il rischio di uno scontro nel caso avvenga una perdita di fase tra i gruppi. Si sono cercate diverse soluzioni mirate a evitare un urto, derivato dall’interferenza meccanica, in caso di black-out oppure di ridurre il più possibile i danni che questa casualità può portare alla macchina. Il gruppo piattello è definito master rispetto a tutti gli altri gruppi; ha un’inerzia molto piccola e questo fa si che, in caso di black-out, il suo arresto avvenga praticamente istantaneamente, al contrario di ciò che avviene per tutti gli altri gruppi slave dotati di inerzia maggiore. Siccome l’arresto del piattello è istantaneo, il pericolo per tastatori e punzoni sollevatori di urto può avvenire solamente per compenetrazione: se gli elementi sono già all’interno della boccola, e restando fermo il piattello, l’inerzia del gruppo che fa proseguire il moto per alcuni istanti non farebbe altro che portarli fuori dalla boccola, non provocando alcun danno. Non vi è perciò il pericolo di “taglio” di questi elementi da parte del piattello. Perciò l’unica possibilità è che il black-out avvenga in un istante del ciclo dove gli elementi si stanno muovendo per entrare nelle boccole mentre anche il piattello è in rotazione.

Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.

Metodi di ottimizzazione morfologica nel progetto preliminare di propulsori aeronautici avanzati

The aim of this Doctoral Thesis is to develop a genetic algorithm based optimization methods to find the best conceptual design architecture of an aero-piston-engine, for given design specifications. Nowadays, the conceptual design of turbine airplanes starts with the aircraft specifications, then the most suited turbofan or turbo propeller for the specific application is chosen. In the aeronautical piston engines field, which has been dormant for several decades, as interest shifted towards turboaircraft, new materials with increased performance and properties have opened new possibilities for development. Moreover, the engine’s modularity given by the cylinder unit, makes it possible to design a specific engine for a given application. In many real engineering problems the amount of design variables may be very high, characterized by several non-linearities needed to describe the behaviour of the phenomena. In this case the objective function has many local extremes, but the designer is usually interested in the global one. The stochastic and the evolutionary optimization techniques, such as the genetic algorithms method, may offer reliable solutions to the design problems, within acceptable computational time. The optimization algorithm developed here can be employed in the first phase of the preliminary project of an aeronautical piston engine design. It’s a mono-objective genetic algorithm, which, starting from the given design specifications, finds the engine propulsive system configuration which possesses minimum mass while satisfying the geometrical, structural and performance constraints. The algorithm reads the project specifications as input data, namely the maximum values of crankshaft and propeller shaft speed and the maximal pressure value in the combustion chamber. The design variables bounds, that describe the solution domain from the geometrical point of view, are introduced too. In the Matlab® Optimization environment the objective function to be minimized is defined as the sum of the masses of the engine propulsive components. Each individual that is generated by the genetic algorithm is the assembly of the flywheel, the vibration damper and so many pistons, connecting rods, cranks, as the number of the cylinders. The fitness is evaluated for each individual of the population, then the rules of the genetic operators are applied, such as reproduction, mutation, selection, crossover. In the reproduction step the elitist method is applied, in order to save the fittest individuals from a contingent mutation and recombination disruption, making it undamaged survive until the next generation. Finally, as the best individual is found, the optimal dimensions values of the components are saved to an Excel® file, in order to build a CAD-automatic-3D-model for each component of the propulsive system, having a direct pre-visualization of the final product, still in the engine’s preliminary project design phase. With the purpose of showing the performance of the algorithm and validating this optimization method, an actual engine is taken, as a case study: it’s the 1900 JTD Fiat Avio, 4 cylinders, 4T, Diesel. Many verifications are made on the mechanical components of the engine, in order to test their feasibility and to decide their survival through generations. A system of inequalities is used to describe the non-linear relations between the design variables, and is used for components checking for static and dynamic loads configurations. The design variables geometrical boundaries are taken from actual engines data and similar design cases. Among the many simulations run for algorithm testing, twelve of them have been chosen as representative of the distribution of the individuals. Then, as an example, for each simulation, the corresponding 3D models of the crankshaft and the connecting rod, have been automatically built. In spite of morphological differences among the component the mass is almost the same. The results show a significant mass reduction (almost 20% for the crankshaft) in comparison to the original configuration, and an acceptable robustness of the method have been shown. The algorithm here developed is shown to be a valid method for an aeronautical-piston-engine preliminary project design optimization. In particular the procedure is able to analyze quite a wide range of design solutions, rejecting the ones that cannot fulfill the feasibility design specifications. This optimization algorithm could increase the aeronautical-piston-engine development, speeding up the production rate and joining modern computation performances and technological awareness to the long lasting traditional design experiences.