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.

Technologies for Ambient intelligence: from Smart Objects to Sensor Networks

n the last few years, the vision of our connected and intelligent information society has evolved to embrace novel technological and research trends. The diffusion of ubiquitous mobile connectivity and advanced handheld portable devices, amplified the importance of the Internet as the communication backbone for the fruition of services and data. The diffusion of mobile and pervasive computing devices, featuring advanced sensing technologies and processing capabilities, triggered the adoption of innovative interaction paradigms: touch responsive surfaces, tangible interfaces and gesture or voice recognition are finally entering our homes and workplaces. We are experiencing the proliferation of smart objects and sensor networks, embedded in our daily living and interconnected through the Internet. This ubiquitous network of always available interconnected devices is enabling new applications and services, ranging from enhancements to home and office environments, to remote healthcare assistance and the birth of a smart environment. This work will present some evolutions in the hardware and software development of embedded systems and sensor networks. Different hardware solutions will be introduced, ranging from smart objects for interaction to advanced inertial sensor nodes for motion tracking, focusing on system-level design. They will be accompanied by the study of innovative data processing algorithms developed and optimized to run on-board of the embedded devices. Gesture recognition, orientation estimation and data reconstruction techniques for sensor networks will be introduced and implemented, with the goal to maximize the tradeoff between performance and energy efficiency. Experimental results will provide an evaluation of the accuracy of the presented methods and validate the efficiency of the proposed embedded systems.

Analysis and modelling of the performance of technologies for flue gas treatment in Waste-to-Energy processes

Waste management represents an important issue in our society and Waste-to-Energy incineration plants have been playing a significant role in the last decades, showing an increased importance in Europe. One of the main issues posed by waste combustion is the generation of air contaminants. Particular concern is present about acid gases, mainly hydrogen chloride and sulfur oxides, due to their potential impact on the environment and on human health. Therefore, in the present study the main available technological options for flue gas treatment were analyzed, focusing on dry treatment systems, which are increasingly applied in Municipal Solid Wastes (MSW) incinerators. An operational model was proposed to describe and optimize acid gas removal process. It was applied to an existing MSW incineration plant, where acid gases are neutralized in a two-stage dry treatment system. This process is based on the injection of powdered calcium hydroxide and sodium bicarbonate in reactors followed by fabric filters. HCl and SO2 conversions were expressed as a function of reactants flow rates, calculating model parameters from literature and plant data. The implementation in a software for process simulation allowed the identification of optimal operating conditions, taking into account the reactant feed rates, the amount of solid products and the recycle of the sorbent. Alternative configurations of the reference plant were also assessed. The applicability of the operational model was extended developing also a fundamental approach to the issue. A predictive model was developed, describing mass transfer and kinetic phenomena governing the acid gas neutralization with solid sorbents. The rate controlling steps were identified through the reproduction of literature data, allowing the description of acid gas removal in the case study analyzed. A laboratory device was also designed and started up to assess the required model parameters.

Progettazione e implementazione di una applicazione per dispositivi mobili basata su piattaforma android (linguaggio java) a supporto di soggetti affetti da disturbi dello spettro autistico

Nella maggior parte dei casi, i soggetti affetti da Disturbo dello Spettro Autistico hanno un deficit di comunicazione, sia esso verbale o non verbale. Nonostante, ad oggi, non esista una cura per questo disturbo, una diagnosi precoce entro il terzo anno di vita del soggetto e un programma educativo coerente con le necessità del paziente, permettono al bambino con autismo di raggiungere quantomeno le abilità comunicative di base. Recenti studi hanno dimostrato che l’utilizzo di Information and Communication Technology (ICT) nel trattamento di soggetti affetti da Disturbo dello Spettro Autistico può portare molti benefici, dato che, da un lato, computer, tablet e smartphone sono strumenti strutturati e prevedibili e, dall’altro, i sintetizzatori vocali, se presenti, sono privi di inflessioni verbali. A questo proposito, durante il mio tirocinio di tesi magistrale presso l’azienda “CSP – Innovazioni nelle ICT” di Torino, ho sviluppato un’applicazione per tablet Android che permette a psicologi, educatori, logopedisti, insegnanti e genitori di creare tabelle comunicative circostanziate alle esigenze del soggetto e che consente a quest’ultimo di utilizzare questo strumento come efficace mediatore sociale. Questo software si va a inserire in un progetto più ampio, denominato “tools4Autism”, nato dalla collaborazione tra il centro di ricerca di cui sopra, la “Fondazione ASPHI Onlus – ICT per migliorare la qualità di vita delle persone con disabilità” e il “Centro Autismo e Sindrome di Asperger” di Mondovì (CN). L’applicazione prevede principalmente due metodi di utilizzo: il primo, definito “modalità operatore”, è un editor che permette di creare tabelle composte da un numero variabile di immagini che possono essere pittogrammi, fotografie personali, disegni del bambino e possono essere accompagnate o meno da un testo. Una volta create le tabelle, l’operatore ha la possibilità di modificarle, eliminarle, variarne l’ordine, esportarle su altri dispositivi o importare tabelle precedentemente create. Il secondo metodo di utilizzo, definito “modalità utente”, permette al soggetto affetto da Disturbo Autistico di comunicare con altre persone sfruttando le tabelle create dall’operatore coerentemente con le sue necessità. Al tocco dell’immagine da parte del bambino, essa viene evidenziata tramite un contorno rosso e, se abilitato, il sintetizzatore vocale riproduce il testo associato a tale immagine. I principali fattori di innovazione dell’applicazione sono la gratuità, la semplicità di utilizzo, la rapidità nella creazione e nell’aggiornamento delle tabelle comunicative, la portabilità dello strumento e l’utilizzo della sintesi vocale. Il software sarà sperimentato presso il “Centro Autismo e Sindrome di Asperger”, centro di neuropsichiatria infantile specializzato nello studio del Disturbo Autistico. Tale sperimentazione si pone come obiettivo quello di verificare gli effettivi miglioramenti nella velocità e nella qualità di apprendimento delle fondamentali abilità comunicative.

ALMASat-1, ALMASat-EO and beyond: evolution of structural concepts and technologies towards multifunctional structures for microsatellites

Multifunctional Structures (MFS) represent one of the most promising disruptive technologies in the space industry. The possibility to merge spacecraft primary and secondary structures as well as attitude control, power management and onboard computing functions is expected to allow for mass, volume and integration effort savings. Additionally, this will bring the modular construction of spacecraft to a whole new level, by making the development and integration of spacecraft modules, or building blocks, leaner, reducing lead times from commissioning to launch from the current 3-6 years down to the order of 10 months, as foreseen by the latest Operationally Responsive Space (ORS) initiatives. Several basic functionalities have been integrated and tested in specimens of various natures over the last two decades. However, a more integrated, system-level approach was yet to be developed. The activity reported in this thesis was focused on the system-level approach to multifunctional structures for spacecraft, namely in the context of nano- and micro-satellites. This thesis documents the work undertaken in the context of the MFS program promoted by the European Space Agency under the Technology Readiness Program (TRP): a feasibility study, including specimens manufacturing and testing. The work sequence covered a state of the art review, with particular attention to traditional modular architectures implemented in ALMASat-1 and ALMASat-EO satellites, and requirements definition, followed by the development of a modular multi-purpose nano-spacecraft concept, and finally by the design, integration and testing of integrated MFS specimens. The approach for the integration of several critical functionalities into nano-spacecraft modules was validated and the overall performance of the system was verified through relevant functional and environmental testing at University of Bologna and University of Southampton laboratories.

Engineering in Transition. Approaches, strategies and technologies for implementing system innovation towards sustainability

With the aim to provide people with sustainable options, engineers are ethically required to hold the safety, health and welfare of the public paramount and to satisfy society's need for sustainable development. The global crisis and related sustainability challenges are calling for a fundamental change in culture, structures and practices. Sustainability Transitions (ST) have been recognized as promising frameworks for radical system innovation towards sustainability. In order to enhance the effectiveness of transformative processes, both the adoption of a transdisciplinary approach and the experimentation of practices are crucial. The evolution of approaches towards ST provides a series of inspiring cases which allow to identify advances in making sustainability transitions happen. In this framework, the thesis has emphasized the role of Transition Engineering (TE). TE adopts a transdisciplinary approach for engineering to face the sustainability challenges and address the risks of un-sustainability. With this purpose, a definition of Transition Technologies is provided as a valid instruments to contribute to ST. In the empirical section, several transition initiatives have been analysed especially at the urban level. As a consequence, the model of living-lab of sustainability has crucially emerged. Living-labs are environments in which innovative technologies and services are co-created with users active participation. In this framework, university can play a key role as learning organization. The core of the thesis has concerned the experimental application of transition approach within the School of Engineering and Architecture of University of Bologna at Terracini Campus. The final vision is to realize a living-lab of sustainability. Particularly, a Transition Team has been established and several transition experiments have been conducted. The final result is not only the improvement of sustainability and resilience of the Terracini Campus, but the demonstration that university can generate solutions and strategies that tackle the complex, dynamic factors fuelling the global crisis.

How teachers think about the role of digital technologies in student assessment in mathematics

This study concerns teachers’ use of digital technologies in student assessment, and how the learning that is developed through the use of technology in mathematics can be evaluated. Nowadays math teachers use digital technologies in their teaching, but not in student assessment. The activities carried out with technology are seen as ‘extra-curricular’ (by both teachers and students), thus students do not learn what they can do in mathematics with digital technologies. I was interested in knowing the reasons teachers do not use digital technology to assess students’ competencies, and what they would need to be able to design innovative and appropriate tasks to assess students’ learning through digital technology. This dissertation is built on two main components: teachers and task design. I analyze teachers’ practices involving digital technologies with Ruthven’s Structuring Features of Classroom Practice, and what relation these practices have to the types of assessment they use. I study the kinds of assessment tasks teachers design with a DGE (Dynamic Geometry Environment), using Laborde’s categorization of DGE tasks. I consider the competencies teachers aim to assess with these tasks, and how their goals relate to the learning outcomes of the curriculum. This study also develops new directions in finding how to design suitable tasks for student mathematical assessment in a DGE, and it is driven by the desire to know what kinds of questions teachers might be more interested in using. I investigate the kinds of technology-based assessment tasks teachers value, and the type of feedback they give to students. Finally, I point out that the curriculum should include a range of mathematical and technological competencies that involve the use of digital technologies in mathematics, and I evaluate the possibility to take advantage of technology feedback to allow students to continue learning while they are taking a test.

Middleware per Internet of Things: Java Embedded come caso di studio

Grazie al progresso dell'elettronica, ai giorni nostri, è possibile costruire dispositivi elettronici molto piccoli, che col passare del tempo lo sono sempre più. Questo ci permette di poter imboccare nuove strade nel mondo dell'informatica, sfruttando proprio questo fatto. Le dimensioni ridotte dei dispositivi in commercio, come sensori, attuatori, tag e tanto altro, sono particolarmente adatte a nuovi scenari applicativi. Internet of Things è una visione in cui Internet viene esteso alle cose. Facendo largo uso di dispositivi come sensori e tag è possibile realizzare sistemi intelligenti che possono avere riscontri positivi nella vita di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati sull'ambiente per realizzare sistemi automatici (ad esempio regolare automaticamente la luce o la temperatura di una stanza) sono solo alcuni esempi. Internet of Things è la naturale evoluzione di Internet, ed è destinato a cambiare radicalmente la nostra vita futura, poichè la tecnologia sarà sempre più parte integrante della nostra vita, aumentando sempre più il nostro benessere e riducendo sempre più il numero delle azioni quotidiane da compiere. Sempre più sono middleware, le piattaforme e i sistemi operativi che nascono per cercare di eliminare o ridurre le problematiche relative allo sviluppo di sistemi di questo genere, e lo scopo di questa tesi è proprio sottolinearne l'importanza e di analizzare gli aspetti che questi middleware devono affrontare. La tesi è strutturata in questo modo: nel capitolo uno verrà fatta una introduzione a Internet of Things, analizzando alcuni degli innumerevoli scenari applicativi che ne derivano, insieme però alle inevitabili problematiche di tipo tecnologico e sociale. Nel secondo capitolo verranno illustrate le tecnologie abilitanti di Internet of Things, grazie alle quali è possibile realizzare sistemi intelligenti. Nel terzo capitolo verranno analizzati gli aspetti relativi ai middleware, sottolineandone l'importanza e prestando attenzione alle funzioni che devono svolgere, il tutto riportando anche degli esempi di middleware esistenti. Nel quarto capitolo verrà approfondito il middleware Java Embedded di Oracle.

Analisi geochimica delle acque iperacide del lago craterico del vulcano Kawah Ijen (Java, Indonesia).

I laghi vulcanici sono corpi idrici che si posizionano all’interno di crateri originatisi da eruzioni idrotermali, idrovulcaniche o magmatiche. Dato il particolare ambiente di formazione di questi bacini, le condizioni fisico-chimiche delle loro acque riflettono l’influenza dei diversi “input” vulcanici quali gas e fluidi che risultano dall’interazione tra le acque sotterranee e i fluidi rilasciati da un corpo magmatico in profondità. Il presente lavoro consiste nella caratterizzazione geochimica delle acque del lago craterico del Kawah Ijen e nella definizione dei principali processi che la controllano, come i processi di diluizione, degassamento e precipitazione di fasi minerali. Tale definizione è la base conoscitiva necessaria per una più realistica interpretazione delle eventuali variazioni geochimiche spazio-temporali

Comunicazioni sicure su canali eterogenei: un'analisi sistematica di SSL da Java a Jolie

All’interno di questa tesi è stata affrontata la tematica della realizzazione di comuni- cazioni sicure, in modo da ottenere l'indipendenza di queste ultime dal canale utilizzato, con l'ausilio di strumenti in grado di fornire supporto per la creazione di applicativi orientati allo scambio di dati e messaggi, quali i linguaggi di programmazione Java e Jolie, il quale è basato sul precedente. Sono state inizialmente analizzate le principali caratteristiche e le problematiche più importanti che è necessario dover risolvere in modo da poter arrivare al risultato desiderato. Successivamente, è stato dato un ampio sguardo ad una delle scienze più applicate per risolvere i problemi tipici che affliggono questo tipo di comunicazioni, la crittografia. Sono stati elencati gli strumenti messi a disposizione ed il loro funzionamento. La crittografia viene poi applicata al protocollo SSL, il quale rappresenta la soluzione maggiormente diffusa, sia sul Web che in altri ambiti, per proteggere le informazioni personali che transitano tra gli end-point di una comunicazione. Sono state elencate le principali caratteristiche, alcuni cenni riguardanti la nascita e lo sviluppo ed è stato descritto il funzionamento di questo protocollo, soprattutto per quanto riguarda la sua fase preliminare, che è una delle parti che lo caratterizzano maggiormente. In seguito, è stata analizzata la soluzione fornita all’interno delle librerie del linguaggio Java per realizzare comunicazioni indipendenti dal mezzo di comunicazione che soddisfino le politiche dettate dal protocollo SSL. Questa soluzione è rappresentata dalla classe SSLEngine, che è quindi stata esaminata, a partire dal ciclo di vita e dall'inizializzazione, fino ad arrivare all'interazione all'interno di un applicazione. Quanto esplorato in precedenza viene poi applicato a Jolie, un linguaggio di programmazione basato sulle comunicazioni e sviluppato in Java, all'interno dell'Università di Bologna. Dopo uno sguardo generale alle sue caratteristiche è stata approfondita la gestione dei protocolli, e di conseguenza, l'introduzione di SSL all'interno di essi, realizzata tramite la classe SSLProtocol. Questa classe contiene ed implementa i concetti analizzati nel capitolo riguardante Java, adattandoli all'architettura ed alla progettazione pensata appositamente per Jolie; è stata quindi effettuata un'analisi del codice e della gestione della classe SSLEngine per realizzare comunicazioni sicure. Infine, per verificare l’effettivo funzionamento, sono stati creati due semplici casi d’uso per poter sfruttare i vantaggi offerti da Jolie, il quale è particolarmente indicato per la creazione di applicazioni orientate ai servizi.

Strumenti e framework per lo sviluppo di linguaggi di programmazione e linguaggi domain-specific in java

La tesi ha lo scopo di indagare le tecnologie disponibili per la realizzazione di linguaggi di programmazione e linguaggi domain specific in ambiente Java. In particolare, vengono proposti e analizzati tre strumenti presenti sul mercato: JavaCC, ANTLR e Xtext. Al termine dell’elaborato, il lettore dovrebbe avere un’idea generale dei principali meccanismi e sistemi utilizzati (come lexer, parser, AST, parse trees, etc.), oltre che del funzionamento dei tre tools presentati. Inoltre, si vogliono individuare vantaggi e svantaggi di ciascuno strumento attraverso un’analisi delle funzionalità offerte, così da fornire un giudizio critico per la scelta e la valutazione dei sistemi da utilizzare.

Information and communication technologies nella gestione integrata del diabete mellito: stato dell'arte, progetto Metabo come caso di studio

Il Diabete, modello paradigmatico delle malattie croniche, sta assumendo negli ultimi anni le proporzioni di una pandemia, che non ha intenzione di arrestarsi, ma del quale, con l’aumento dei fattori di rischio, aumentano prevalenza e incidenza. Secondo stime autorevoli il numero delle persone con diabete nel 2035 aumenterà fino a raggiungere i 382 milioni di casi. Una patologia complessa che richiede lo sforzo di una vasta gamma di professionisti, per ridurre in futuro in maniera significativa i costi legati a questa patologia e nel contempo mantenere e addirittura migliorare gli standard di cura. Una soluzione è rappresentata dall'impiego delle ICT, Information and Communication Technologies. La continua innovazione tecnologica dei medical device per diabetici lascia ben sperare, dietro la spinta di capitali sempre più ingenti che iniziano a muoversi in questo mercato del futuro. Sempre più device tecnologicamente avanzati, all’avanguardia e performanti, sono a disposizione del paziente diabetico, che può migliorare tutti processi della cura, contenendo le spese. Di fondamentale importanza sono le BAN reti di sensori e wearable device, i cui dati diventano parte di un sistema di gestione delle cure più ampio. A questo proposito METABO è un progetto ICT europeo dedicato allo studio ed al supporto di gestione metabolica del diabete. Si concentra sul miglioramento della gestione della malattia, fornendo a pazienti e medici una piattaforma software tecnologicamente avanzata semplice e intuitiva, per aiutarli a gestire tutte le informazioni relative al trattamento del diabete. Innovativo il Clinical Pathway, che a partire da un modello Standard con procedimenti semplici e l’utilizzo di feedback del paziente, viene progressivamente personalizzato con le progressive modificazioni dello stato patologico, psicologico e non solo. La possibilità di e-prescribing per farmaci e device, e-learning per educare il paziente, tenerlo sotto stretto monitoraggio anche alla guida della propria auto, la rendono uno strumento utile e accattivante.

Backport di una applicazione da Java 8 a Java 7

In Java 8, ultimo aggiornamento ufficiale del linguaggio Java, sono state introdotte alcune nuove funzionalità che permettono l’integrazione di alcuni meccanismi legati ai linguaggi dinamici o funzionali, come le espressioni lambda, l’utilizzo degli stream e la dichiarazione di metodi statici all’interno di interfacce. Se si volesse installare un’applicazione scritta in Java 8 su Android, Dalvik VM, la JVM in esso presente, fallirà il processo di traduzione del bytecode. In questa tesi quindi esplorerò, sia ad alto livello che a basso livello, l’origine del problema e presenterò una soluzione di backporting per un’applicazione esistente.

Mobile phone technologies and advanced data analysis towards the enhancement of diabetes self-management

Advances in the area of mobile and wireless communication for healthcare (m-Health) along with the improvements in information science allow the design and development of new patient-centric models for the provision of personalised healthcare services, increase of patient independence and improvement of patient's self-control and self-management capabilities. This paper comprises a brief overview of the m-Health applications towards the self-management of individuals with diabetes mellitus and the enhancement of their quality of life. Furthermore, the design and development of a mobile phone application for Type 1 Diabetes Mellitus (T1DM) self-management is presented. The technical evaluation of the application, which permits the management of blood glucose measurements, blood pressure measurements, insulin dosage, food/drink intake and physical activity, has shown that the use of the mobile phone technologies along with data analysis methods might improve the self-management of T1DM.

MooseJEE: A Moose Extension to Enable the assessment of JEAs

Java Enterprise Applications (JEAs) are large systems that integrate multiple technologies and programming languages. With the purpose to support the analysis of JEAs we have developed MooseJEE an extension of the \emphMoose environment capable to model the typical elements of JEAs.