Algorithms for UAS insertion in civil air space

One of the most interesting challenge of the next years will be the Air Space Systems automation. This process will involve different aspects as the Air Traffic Management, the Aircrafts and Airport Operations and the Guidance and Navigation Systems. The use of UAS (Uninhabited Aerial System) for civil mission will be one of the most important steps in this automation process. In civil air space, Air Traffic Controllers (ATC) manage the air traffic ensuring that a minimum separation between the controlled aircrafts is always provided. For this purpose ATCs use several operative avoidance techniques like holding patterns or rerouting. The use of UAS in these context will require the definition of strategies for a common management of piloted and piloted air traffic that allow the UAS to self separate. As a first employment in civil air space we consider a UAS surveillance mission that consists in departing from a ground base, taking pictures over a set of mission targets and coming back to the same ground base. During all mission a set of piloted aircrafts fly in the same airspace and thus the UAS has to self separate using the ATC avoidance as anticipated. We consider two objective, the first consists in the minimization of the air traffic impact over the mission, the second consists in the minimization of the impact of the mission over the air traffic. A particular version of the well known Travelling Salesman Problem (TSP) called Time-Dependant-TSP has been studied to deal with traffic problems in big urban areas. Its basic idea consists in a cost of the route between two clients depending on the period of the day in which it is crossed. Our thesis supports that such idea can be applied to the air traffic too using a convenient time horizon compatible with aircrafts operations. The cost of a UAS sub-route will depend on the air traffic that it will meet starting such route in a specific moment and consequently on the avoidance maneuver that it will use to avoid that conflict. The conflict avoidance is a topic that has been hardly developed in past years using different approaches. In this thesis we purpose a new approach based on the use of ATC operative techniques that makes it possible both to model the UAS problem using a TDTSP framework both to use an Air Traffic Management perspective. Starting from this kind of mission, the problem of the UAS insertion in civil air space is formalized as the UAS Routing Problem (URP). For this reason we introduce a new structure called Conflict Graph that makes it possible to model the avoidance maneuvers and to define the arc cost function of the departing time. Two Integer Linear Programming formulations of the problem are proposed. The first is based on a TDTSP formulation that, unfortunately, is weaker then the TSP formulation. Thus a new formulation based on a TSP variation that uses specific penalty to model the holdings is proposed. Different algorithms are presented: exact algorithms, simple heuristics used as Upper Bounds on the number of time steps used, and metaheuristic algorithms as Genetic Algorithm and Simulated Annealing. Finally an air traffic scenario has been simulated using real air traffic data in order to test our algorithms. Graphic Tools have been used to represent the Milano Linate air space and its air traffic during different days. Such data have been provided by ENAV S.p.A (Italian Agency for Air Navigation Services).

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.

Referee Assignment Problem Case: Italian Volleyball Championships

This thesis addresses the formulation of a referee assignment problem for the Italian Volleyball Serie A Championships. The problem has particular constraints such as a referee must be assigned to different teams in a given period of times, and the minimal/maximal level of workload for each referee is obtained by considering cost and profit in the objective function. The problem has been solved through an exact method by using an integer linear programming formulation and a clique based decomposition for improving the computing time. Extensive computational experiments on real-world instances have been performed to determine the effectiveness of the proposed approach.

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.

Networks, Uncertainty, Applications and a Crusade for Optimality

In this thesis we address a collection of Network Design problems which are strongly motivated by applications from Telecommunications, Logistics and Bioinformatics. In most cases we justify the need of taking into account uncertainty in some of the problem parameters, and different Robust optimization models are used to hedge against it. Mixed integer linear programming formulations along with sophisticated algorithmic frameworks are designed, implemented and rigorously assessed for the majority of the studied problems. The obtained results yield the following observations: (i) relevant real problems can be effectively represented as (discrete) optimization problems within the framework of network design; (ii) uncertainty can be appropriately incorporated into the decision process if a suitable robust optimization model is considered; (iii) optimal, or nearly optimal, solutions can be obtained for large instances if a tailored algorithm, that exploits the structure of the problem, is designed; (iv) a systematic and rigorous experimental analysis allows to understand both, the characteristics of the obtained (robust) solutions and the behavior of the proposed algorithm.

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.

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

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.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

Reactive programming: un caso di studio

L'obiettivo di questa tesi è analizzare e testare la programmazione reattiva, paradigma di programmazione particolarmente adatto per lo sviluppo di applicazioni altamente interattive. La progettazione di sistemi reattivi implica necessariamente l'utilizzo di codice asincrono e la programmazione reattiva (RP) offre al programmatore semplici meccanismi per gestirlo. In questa tesi, la programmazione reattiva è stata utilizzata e valutata mediante la realizzazione di un progetto real-world chiamato AvvocaTimer. Verrà affrontata la progettazione, implementazione e collaudo di una parte del sistema attraverso l'approccio reattivo e, successivamente, confrontata con la prima versione, realizzata con i metodi attualmente usati per gestire codice asincrono, per analizzare vantaggi e/o svantaggi derivanti dall'utilizzo del nuovo paradigma.