Multi-Model Data Fusion to Improve an Early Warning System for Hypo-/Hyperglycemic Events

Correct predictions of future blood glucose levels in individuals with Type 1 Diabetes (T1D) can be used to provide early warning of upcoming hypo-/hyperglycemic events and thus to improve the patient's safety. To increase prediction accuracy and efficiency, various approaches have been proposed which combine multiple predictors to produce superior results compared to single predictors. Three methods for model fusion are presented and comparatively assessed. Data from 23 T1D subjects under sensor-augmented pump (SAP) therapy were used in two adaptive data-driven models (an autoregressive model with output correction - cARX, and a recurrent neural network - RNN). Data fusion techniques based on i) Dempster-Shafer Evidential Theory (DST), ii) Genetic Algorithms (GA), and iii) Genetic Programming (GP) were used to merge the complimentary performances of the prediction models. The fused output is used in a warning algorithm to issue alarms of upcoming hypo-/hyperglycemic events. The fusion schemes showed improved performance with lower root mean square errors, lower time lags, and higher correlation. In the warning algorithm, median daily false alarms (DFA) of 0.25%, and 100% correct alarms (CA) were obtained for both event types. The detection times (DT) before occurrence of events were 13.0 and 12.1 min respectively for hypo-/hyperglycemic events. Compared to the cARX and RNN models, and a linear fusion of the two, the proposed fusion schemes represents a significant improvement.

Everything in di Dark Muss Come to Light: A Postcolonial Investigation of the Practice of Extra Lessons at the Secondary Level in Jamaica's Education System

Despite the vast research examining the evolution of Caribbean education systems, little is chronologically tied to the postcolonial theoretical perspectives of specific island-state systems, such as the Jamaican education system and its relationship with the underground shadow education system. This dissertation study sought to address the gaps in the literature by critically positioning postcolonial theories in education to examine the macro- and micro-level impacts of extra lessons on secondary education in Jamaica. The following postcolonial theoretical (PCT) tenets in education were contextualized from a review of the literature: (a) PCT in education uses colonial discourse analysis to critically deconstruct and decolonize imperialistic and colonial representations of knowledge throughout history; (b) PCT in education uses an anti-colonial discursive framework to re-position indigenous knowledge in schools, colleges, and universities to challenge hegemonic knowledge; (c) PCT in education involves the "unlearning" of dominant, normative ideologies, the use of self-reflexivity, and deconstruction; and (d) PCT in education calls for critical pedagogical approaches that reject the banking concept of education and introduces inclusive pedagogy to facilitate "the passage from naïve to critical transitivity" (Freire, 1973, p. 32). Specifically, using a transformative mixed-methods design, grounded and informed by a postcolonial theoretical lens, I quantitatively uncovered and then qualitatively highlighted how if at all extra lessons can improve educational outcomes for students at the secondary level in Jamaica. Accordingly, the quantitative data was used to test the hypotheses that the practice of extra lessons in schools is related to student academic achievement and the practice of critical-inclusive pedagogy in extra lessons is related to academic achievement. The two-level hierarchical linear model analysis revealed that hours spent in extra lessons, average household monthly income, and critical-inclusive pedagogical tents were the best predictors for academic achievement. Alternatively, the holistic multi-case study explored how extra-lessons produces increased academic achievement. The data revealed new ways of knowledge construction and critical pedagogical approaches to galvanize systemic change in secondary education. Furthermore, the data showed that extra lessons can improve educational outcomes for students at the secondary level if the conditions for learning are met. This study sets the stage for new forms of knowledge construction and implications for policy change.

Simulazione della gestione dei materiali dell'azienda Robopac

L’elaborato verte sulla simulazione della gestione dei materiali dell’azienda Robopac. Il modello esposto è stato creato tramite il software Arena, il quale permette la riproduzione di una struttura aziendale reale ed è, per questo, uno strumento validissimo per esaminare situazioni critiche, nonché per confrontare alternative progettuali e validarle. Nello specifico, in tale tesi ci si propone di verificare, attraverso un’attenta analisi, come l’azienda Robopac gestisca i materiali nel suo percorso di elaborazione e trasformazione. Per gestione dei materiali si intende il coordinamento degli arrivi, il controllo sulle materie, il trasporto di tali materiali nei magazzini appositi e il successivo spostamento in linea. Questa indagine permetterà di valutare l’efficienza e l’utilizzo delle risorse, le tempistiche delle movimentazioni e l’eventuale creazione di code, così da cercare soluzioni che potrebbero migliorare e ottimizzare le operazioni. Il modello creato con Arena considera i sei codici-prodotto più rappresentativi e rende possibile una riproduzione conforme a ciò che è stato osservato. Inoltre sono analizzati i report forniti automaticamente da tale software e valutati l’utilizzo delle risorse e le giacenze a magazzino. Sarebbe interessante ampliare la simulazione esposta, prendendo in considerazione l’intero numero di codici prodotti, così da poter analizzare la totale gestione dei materiali e considerare eventuali differenze o scostamenti rispetto a quanto svolto in questa tesi. Un ulteriore ampliamento altrettanto valido potrebbe essere quello di coniugare la simulazione della gestione dei materiali con il modello della linea produttiva principale già realizzato con Arena. Ciò permetterebbe una più completa visione dell’azienda e l’indagine della realtà imprenditoriale diventerebbe più ampia, approfondita e dettagliata.

Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale è la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilità della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilità sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da più di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ciò significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati più precisi ed accurati, questo metodo è estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi è la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealità come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto è preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.

Developing of Distributed Virtual Laboratories for Smart Sensor System Design Based on Multi-Dimensional Access Method

In the article it is considered preconditions and main principles of creation of virtual laboratories for computer-aided design, as tools for interdisciplinary researches. Virtual laboratory, what are offered, is worth to be used on the stage of the requirements specification or EFT-stage, because it gives the possibility of fast estimating of the project realization, certain characteristics and, as a result, expected benefit of its applications. Using of these technologies already increase automation level of design stages of new devices for different purposes. Proposed computer technology gives possibility to specialists from such scientific fields, as chemistry, biology, biochemistry, physics etc, to check possibility of device creating on the basis of developed sensors. It lets to reduce terms and costs of designing of computer devices and systems on the early stages of designing, for example on the stage of requirements specification or EFT-stage. An important feature of this project is using the advanced multi-dimensional access method for organizing the information base of the Virtual laboratory.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

Ottimizzazione di una testata per un motore diesel aeronautico

In questo elaborato di tesi ci si è occupati di riprogettare la testata del motore bicilindrico Twin Air del gruppo Fiat. La testata viene ridisegnata al fine di poter destinare questo motore, particolarmente leggero flessibile e dai bassi consumi, ad un uso aeronautico. In questa tesi si è appunto realizzata una nuova testata inserendovi 3 valvole, due di aspirazione e una di scarico, e 2 iniettori per cilinrdo. Una volta completato il disegno sono stati realizzati diversi test attraverso un software di simulazione. In particolare ci si è accertati che la camera di combustione realizzata possa resistere alle alte pressioni e temperature in gioco e che i fluidi scorrano al meglio all'interno dei condotti. Si sono utilizzati i risultati ottenuti per riprogettare iterattivamente la testa ed arrivare a un risultato finale soddisfacente.

Studio e realizzazione dell’emulatore μARM e del progetto JaeOS per la didattica dei Sistemi Operativi

La maggior parte degli strumenti per la didattica dei sistemi operativi sono basati sull'architettura MIPS, che è ampiamente superata. Questo lavoro introduce μARM, un emulatore, basato su architettura ARM7TDMI adeguato all'insegnamento a livello universitario. Inoltre viene presentato JaeOS, un manuale di specifiche per un sistema operativo multi-strato che supporti esecuzione multi-processo, memoria virtuale, sincronizzazione dei thread, gestione di dispositivi esterni ed un file system. I progetti tradizionali, come OSP2 o OS/161, forniscono un buon quantitativo di codice già sviluppato agli studenti, i quali devono modificare i moduli del sistema già implementati ed aggiungerne di nuovi. Con μARM/JaeOS gli studenti sono sottoposti ad un'esperienza pedagogicamente differente, partendo dal solo emulatore hardware e finendo con un sistema operativo, interamente sviluppato da loro, in grado di eseguire programmi sviluppati dagli studenti stessi.

Feasibility study and flow scheduling optimization of a multi-product pipeline system

The first goal of this study is to analyse a real-world multiproduct onshore pipeline system in order to verify its hydraulic configuration and operational feasibility by constructing a simulation model step by step from its elementary building blocks that permits to copy the operation of the real system as precisely as possible. The second goal is to develop this simulation model into a user-friendly tool that one could use to find an “optimal” or “best” product batch schedule for a one year time period. Such a batch schedule could change dynamically as perturbations occur during operation that influence the behaviour of the entire system. The result of the simulation, the ‘best’ batch schedule is the one that minimizes the operational costs in the system. The costs involved in the simulation are inventory costs, interface costs, pumping costs, and penalty costs assigned to any unforeseen situations. The key factor to determine the performance of the simulation model is the way time is represented. In our model an event based discrete time representation is selected as most appropriate for our purposes. This means that the time horizon is divided into intervals of unequal lengths based on events that change the state of the system. These events are the arrival/departure of the tanker ships, the openings and closures of loading/unloading valves of storage tanks at both terminals, and the arrivals/departures of trains/trucks at the Delivery Terminal. In the feasibility study we analyse the system’s operational performance with different Head Terminal storage capacity configurations. For these alternative configurations we evaluated the effect of different tanker ship delay magnitudes on the number of critical events and product interfaces generated, on the duration of pipeline stoppages, the satisfaction of the product demand and on the operative costs. Based on the results and the bottlenecks identified, we propose modifications in the original setup.

Simulazione Monte Carlo del muon veto dell'esperimento XENON1T

Numerose osservazioni astrofisiche e cosmologiche compiute a partire dagli anni '30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e, forse, debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande, a causa della piccola probabilità di interazione, e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Risulta necessario inoltre l'utilizzo di uno schermo attivo che individui particelle di alta energia, in particolare muoni cosmici, che possono produrre falsi segnali. È stato realizzato a tale scopo un sistema di Muon Veto composto da un grande cilindro d'acqua posto attorno alla TPC, equipaggiato con 84 fotorivelatori atti ad osservare i fotoni ottici emessi per effetto Čherenkov dai raggi cosmici. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di un programma di simulazione Monte Carlo, creato per realizzare virtualmente l'esperimento XENON1T e per effettuare studi preliminari. Lo scopo di tale lavoro è stato quello di contribuire alla scrittura e alla verifica del codice di simulazione e allo studio di eventi di muoni cosmici da esso generati. L'analisi dati è stata effettuata scrivendo un programma in C++ in grado di analizzare i risultati forniti dal simulatore e di generare degli Event Display statici e dinamici per una visualizzazione efficace degli eventi.

Distributed Large-scale Mixed-Integer Optimization with Application to Energy and Multi-robot Networks

Several decision and control tasks in cyber-physical networks can be formulated as large- scale optimization problems with coupling constraints. In these "constraint-coupled" problems, each agent is associated to a local decision variable, subject to individual constraints. This thesis explores the use of primal decomposition techniques to develop tailored distributed algorithms for this challenging set-up over graphs. We first develop a distributed scheme for convex problems over random time-varying graphs with non-uniform edge probabilities. The approach is then extended to unknown cost functions estimated online. Subsequently, we consider Mixed-Integer Linear Programs (MILPs), which are of great interest in smart grid control and cooperative robotics. We propose a distributed methodological framework to compute a feasible solution to the original MILP, with guaranteed suboptimality bounds, and extend it to general nonconvex problems. Monte Carlo simulations highlight that the approach represents a substantial breakthrough with respect to the state of the art, thus representing a valuable solution for new toolboxes addressing large-scale MILPs. We then propose a distributed Benders decomposition algorithm for asynchronous unreliable networks. The framework has been then used as starting point to develop distributed methodologies for a microgrid optimal control scenario. We develop an ad-hoc distributed strategy for a stochastic set-up with renewable energy sources, and show a case study with samples generated using Generative Adversarial Networks (GANs). We then introduce a software toolbox named ChoiRbot, based on the novel Robot Operating System 2, and show how it facilitates simulations and experiments in distributed multi-robot scenarios. Finally, we consider a Pickup-and-Delivery Vehicle Routing Problem for which we design a distributed method inspired to the approach of general MILPs, and show the efficacy through simulations and experiments in ChoiRbot with ground and aerial robots.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Analisi costi-benefici del Building Information Modeling (BIM) mediante casi studio e simulazione

Il lavoro svolto in questa tesi vuole proporsi come un’analisi critica ed economica di ciò che il Building Information Modeling (BIM) rappresenta. La tesi si articola in una prima introduzione sul panorama attuale, identificando il problema che costituisce la sfida ingegneristica: l’ottimizzazione dei processi tecnici e realizzativi dell’industria delle costruzioni, migliorandone l’interoperabilità. Di seguito, dopo un’attenta valutazione della letteratura disponibile, si desumeranno quanti più dati validi per dare compiutezza alle analisi che verranno svolte dopo, in merito agli aspetti tecnici, pratici, e ai risvolti economici annessi. Si è scelto come oggetto di studio un esperimento di collaborazione con l’Università di Ferrara. Per dimostrare le potenzialità del BIM, si è voluto riproporre in ambito accademico un’anteprima della realtà professionale, affinché la simulazione possa essere quanto più fedele alle problematiche discusse. Il lavoro svolto ha previsto la creazione del modello architettonico e strutturale del Co-Housing San Rocco, un complesso di edifici di nuova realizzazione proposto nella tesi di Bulletti. Il compito di ogni tesista è ben definito: Bulletti Simone, studente di Architettura dell’Università di Ferrara, ha trattato gli aspetti architettonici del progetto. L’autore della presente tesi ha invece sviluppato il modello strutturale, svolgendo in seguito un’analisi dei vantaggi economici e gestionali che questa metodologia ha offerto.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Multi-organ support device for combined extracorporeal carbon dioxide removal and hemofiltration treatments with pump-free solution for ultrafiltration

The use of extracorporeal organ support (ECOS) devices is increasingly widespread, to temporarily sustain or replace the functions of impaired organs in critically ill patients. Among ECOS, respiratory functions are supplied by extracorporeal life support (ECLS) therapies like extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) and extracorporeal carbon dioxide removal (ECCO2R), and renal replacement therapies (RRT) are used to support kidney functions. However, the leading cause of mortality in critically ill patients is multi-organ dysfunction syndrome (MODS), which requires a complex therapeutic strategy where extracorporeal treatments are often integrated to pharmacological approach. Recently, the concept of multi-organ support therapy (MOST) has been introduced, and several forms of isolated ECOS devices are sequentially connected to provide simultaneous support to different organ systems. The future of critical illness goes towards the development of extracorporeal devices offering multiple organ support therapies on demand by a single hardware platform, where treatment lines can be used alternately or in conjunction. The aim of this industrial PhD project is to design and validate a device for multi-organ support, developing an auxiliary line for renal replacement therapy (hemofiltration) to be integrated on a platform for ECCO2R. The intended purpose of the ancillary line, which can be connected on demand, is to remove excess fluids by ultrafiltration and achieve volume control by the infusion of a replacement solution, as patients undergoing respiratory support are particularly prone to develop fluid overload. Furthermore, an ultrafiltration regulation system shall be developed using a powered and software-modulated pinch-valve on the effluent line of the hemofilter, proposed as an alternative to the state-of-the-art solution with peristaltic pump.