Interazione tra perdite ed energia in reti idriche alimentate da pompe a giri variabili

Attualmente le tematiche legate alla produzione e all’uso dell’energia rivestono grande importanza, anche in relazione agli obiettivi in termini di riduzione delle emissioni di gas partecipanti all’effetto serra prefissati dal Protocollo di Kyoto, che impongono il contenimento dei consumi energetici. Andando a ricercare i fattori che alterano i consumi energetici dei sistemi acquedottistici, accanto a quelli legati all’efficienza degli impianti e alle condizioni delle condotte, si deve tener conto anche della presenza delle perdite idriche in rete. Infatti nel valutare il problema delle perdite idriche esclusivamente come quantitativo di acqua di elevata qualità dispersa nell’ambiente, si trascura di considerare il contenuto energetico che ad essa viene conferito mediante attività di pompaggio durante le fasi di prelievo, potabilizzazione, adduzione e distribuzione all’utenza. L’efficienza invece varia in funzione di fattori oggettivi strettamente legati alle caratteristiche del territorio da servire, ma anche in funzione delle scelte effettuate in fase di progettazione e di esercizio. Da questa premessa discendono due importanti considerazioni. Il primo aspetto consiste nel poter valutare separatamente l’influenza sul consumo energetico dell’efficienza dei pompaggi e della rete, in modo da identificare l’impatto di singoli interventi, in particolare la riduzione delle perdite idriche (Colombo & Karney, 2002, 2004; Walski, 2004; Artina et al. 2007, 2008) ed il miglioramento dello stato dell’infrastruttura acquedottistica. Alla luce degli studi già svolti, sarà approfondita l’analisi del legame tra perdite idriche e aumento del consumo energetico, valutandola su modello numerico con riferimento a un caso di studio reale, costituito da un distretto monitorato della rete acquedottistica di Mirabello (Ferrara) alimentato mediante un sistema bypass-pompaggio a giri variabili. Il secondo aspetto riguarda la necessità di individuare dei termini di paragone che consentano di formulare un giudizio nei confronti del quantitativo di energia attualmente impiegato in un sistema acquedottistico. Su tale linea saranno analizzati alcuni indicatori per esprimere i consumi energetici dei sistemi acquedottistici.

Lo sviluppo nuovo prodotti nel settore auto motive: analisi dei processi organizzativi attraverso lo studio di un caso

Mappatura dei processo organizzativi, della struttura organizzativa e dei sistemi informativi di supporto. analisi di alcune problematiche riscontrate

Accounting per servizi di presenza in IMS

Studio delle possibilità di accounting per i servizi di presenza in IMS (IP Multimedia Subsystem)

Modelli affidabilistico-diagnostici per i componenti delle reti elettriche

L’oggetto della presente dissertazione è inerente aspetti affidabilistici e diagnostici dei componenti delle reti elettriche. Sono stati condotti studi sul ruolo svolto dai parametri presenti nei modelli affidabilistici utilizzati in presenza di regimi distorti. I risultati ottenuti nel corso della ricerca, indicano chiaramente come anche il fattore efficace Krms e, soprattutto, il fattore di forma, Kf, sotto certe condizioni, possano avere effetti considerevoli sulla degradazione degli isolanti (a volte con contributi perfino maggiori di quello dato dal ben noto fattore di picco, Kp, considerato predominante). Viene inoltre riportata un’indagine sviluppata sui principali Dispositivi Automatizzati per il Controllo degli Isolamenti (AIMS), attualmente disponibili sul mercato. Sono illustrati e discussi innovativi modelli di rischio integrati, sviluppati per integrare informazioni fornite dall’analisi affidabilistica tradizionale con misure di proprietà diagnostiche, acquisite grazie ad un monitoraggio costante dei componenti in servizio. L’impiego di tali modelli permetterebbe di ottenere una manutenzione di tipo affidabilistico-diagnostico, basata sull’effettiva condizione del componente in esame (manutenzione tipo CBM), piuttosto che su scadenze temporali fissate a priori (manutenzione di tipo TBM).

Teoria e applicazioni sul tema della logistica urbana

Il tema della Logistica Urbana è un argomento complesso che coinvolge diverse discipline. Infatti, non è possibile affrontare la distribuzione delle merci da un solo punto di vista. Da un lato, infatti, manifesta l’esigenza della città e della società in generale di migliorare la qualità della vita anche attraverso azioni di contenimento del traffico, dell’inquinamento e degli sprechi energetici. A questo riguardo, è utile ricordare che il trasporto merci su gomma costituisce uno dei maggiori fattori di impatto su ambiente, sicurezza stradale e congestione della viabilità urbana. Dall’altro lato vi sono le esigenze di sviluppo economico e di crescita del territorio dalle quali non è possibile prescindere. In questa chiave, le applicazioni inerenti la logistica urbana si rivolgono alla ricerca di soluzioni bilanciate che possano arrecare benefici sociali ed economici al territorio anche attraverso progetti concertati tra i diversi attori coinvolti. Alla base di tali proposte di pratiche e progetti, si pone il concetto di esternalità inteso come l’insieme dei costi esterni sostenuti dalla società imputabili al trasporto, in particolare al trasporto merci su gomma. La valutazione di questi costi, che rappresentano spesso una misurazione qualitativa, è un argomento delicato in quanto, come è facile immaginare, non può essere frutto di misure dirette, ma deve essere dedotto attraverso meccanismi inferenziali. Tuttavia una corretta definizione delle esternalità definisce un importante punto di partenza per qualsiasi approccio al problema della Logistica Urbana. Tra gli altri fattori determinanti che sono stati esplorati con maggiore dettaglio nel testo integrale della tesi, va qui accennata l’importanza assunta dal cosiddetto Supply Chain Management nell’attuale assetto organizzativo industriale. Da esso dipendono approvvigionamenti di materie prime e consegne dei prodotti finiti, ma non solo. Il sistema stesso della distribuzione fa oggi parte di quei servizi che si integrano con la qualità del prodotto e dell’immagine della Azienda. L’importanza di questo settore è accentuata dal fatto che le evoluzioni del commercio e l’appiattimento dei differenziali tra i sistemi di produzione hanno portato agli estremi la competizione. In questa ottica, minimi vantaggi in termini di servizio e di qualità si traducono in enormi vantaggi in termini di competitività e di acquisizione di mercato. A questo si aggiunge una nuova logica di taglio dei costi che porta a ridurre le giacenze di magazzino accorciando la pipeline di produzione ai minimi termini in tutte le fasi di filiera. Naturalmente questo si traduce, al punto vendita in una quasi totale assenza di magazzino. Tecnicamente, il nuovo modello di approvvigionamento viene chiamato just-in-time. La ricerca che è stata sviluppata in questi tre anni di Dottorato, sotto la supervisione del Prof. Piero Secondini, ha portato ad un approfondimento di questi aspetti in una chiave di lettura ad ampio spettro. La ricerca si è quindi articolata in 5 fasi: 1. Ricognizione della letteratura italiana e straniera in materia di logistica e di logistica urbana; 2. Studio delle pratiche nazionali ed europee 3. Analisi delle esperienze realizzate e delle problematiche operative legate ai progetti sostenuti dalla Regione Emilia Romagna 4. Il caso di studio di Reggio Emilia e redazione di più proposte progettuali 5. Valutazione dei risultati e conclusioni Come prima cosa si è quindi studiata la letteratura in materia di Logistica Urbana a livello nazionale. Data la relativamente recente datazione dei primi approcci nazionali ed europei al problema, non erano presenti molti testi in lingua italiana. Per contro, la letteratura straniera si riferisce generalmente a sistemi urbani di dimensione e configurazione non confrontabili con le realtà nazionali. Ad esempio, una delle nazioni che hanno affrontato per prime tale tematica e sviluppato un certo numero di soluzioni è stata il Giappone. Naturalmente, città come Tokyo e Kyoto sono notevolmente diverse dalle città europee ed hanno necessità ed esigenze assai diverse. Pertanto, soluzioni tecnologiche e organizzative applicate in questi contesti sono per la maggior parte inattuabili nei contesti del vecchio continente. Le fonti che hanno costituito maggiore riferimento per lo sviluppo del costrutto teorico della tesi, quindi, sono state i saggi che la Regione Emilia Romagna ha prodotto in occasione dello sviluppo del progetto City Ports di cui la Regione stessa era coordinatore di numerosi partners nazionali ed europei. In ragione di questo progetto di ricerca internazionale, l’Emilia Romagna ha incluso il trattamento della logistica delle merci negli “Accordi di Programma per il miglioramento della qualità dell’aria” con le province ed i capoluoghi. In Questo modo si è posta l’attenzione sulla sensibilizzazione delle Pubbliche Amministrazioni locali verso la mobilità sostenibile anche nell’ambito di distribuzione urbana delle merci. Si noti infatti che l’impatto sulle esternalità dei veicoli leggeri per il trasporto merci, quelli cioè che si occupano del cosiddetto “ultimo miglio” sono di due ordini di grandezza superiori rispetto a quelli dei veicoli passeggeri. Nella seconda fase, la partecipazione a convegni di ambito regionale e nazionale ha permesso di arricchire le conoscenze delle best-practice attuate in Italia per lo sviluppo di strumenti finalizzati ad condividere i costi esterni della mobilità delle merci con gli operatori logistici. In questi contesti è stato possibile verificare la disponibilità di tre linee di azione sulle quali, all’interno del testo della tesi si farà riferimento molto spesso: - linea tecnologica; - linea amministrativa; - linea economico/finanziaria. Nel discutere di questa tematica, all’interno di questi contesti misti in cui partecipavano esponenti della cultura accademica, delle pubbliche amministrazioni e degli operatori, ci si è potuti confrontare con la complessità che il tema assume. La terza fase ha costituito la preparazione fondamentale allo studio del caso di studio. Come detto sopra, la Regione Emilia Romagna, all’interno degli Accordi di Programma con le Province, ha deliberato lo stanziamento di co-finanziamenti per lo sviluppo di progetti, integrati con le pratiche della mobilità, inerenti la distribuzione delle merci in città. Inizialmente, per tutti i capoluoghi di provincia, la misura 5.2 degli A.d.P. prevedeva la costruzione di un Centro di Distribuzione Urbana e l’individuazione di un gestore dei servizi resi dallo stesso. Successive considerazioni hanno poi portato a modifiche della misura lasciando una maggiore elasticità alle amministrazioni locali. Tramite una esperienza di ricerca parallela e compatibile con quella del Dottorato finanziata da un assegno di ricerca sostenuto dall’Azienda Consorziale Trasporti di Reggio Emilia, si è potuto partecipare a riunioni e seminari presentati dalla Regione Emilia Romagna in cui si è potuto prendere conoscenza delle proposte progettuali di tutte le province. L’esperienza di Reggio Emilia costituisce il caso di studio della tesi di Dottorato. Le molteplici problematiche che si sono affrontate si sono protratte per tempi lunghi che hanno visto anche modifiche consistenti nell’assetto della giunta e del consiglio comunali. Il fatto ha evidenziato l’ennesimo aspetto problematico legato al mantenimento del patrimonio conoscitivo acquisito, delle metodiche adottate e di mantenimento della coerenza dell’impostazione – in termini di finalità ed obiettivi – da parte dell’Amministrazione Pubblica. Essendo numerosi gli attori coinvolti, in un progetto di logistica urbana è determinante per la realizzazione e la riuscita del progetto che ogni fattore sia allineato e ben informato dell’evoluzione del progetto. In termini di programmazione economica e di pianificazione degli interventi, inoltre, la pubblica amministrazione deve essere estremamente coordinata internamente. Naturalmente, questi sono fattori determinanti per ogni progetto che riguarda le trasformazioni urbane e lo sviluppo delle città. In particolare, i diversi settori (assessorati) coinvolti su questa tematica, fanno o possno fare entrare in situazioni critiche e rischiose la solidità politica dello schieramento di maggioranza. Basti pensare che la distribuzione delle merci in città coinvolge gli assessorati della mobilità, del commercio, del centro storico, dell’ambiente, delle attività produttive. In funzione poi delle filiere che si ritiene di coinvolgere, anche la salute e la sicurezza posso partecipare al tavolo in quanto coinvolte rispettivamente nella distribuzione delle categorie merceologiche dei farmaci e nella security dei valori e della safety dei trasporti. L’esperienza di Reggio Emilia è stata una opportunità preziosissima da molteplici punti di vista. Innanzitutto ha dato modo di affrontare in termini pratici il problema, di constatare le difficoltà obiettive, ad esempio nella concertazione tra gli attori coinvolti, di verificare gli aspetti convergenti su questo tema. Non ultimo in termini di importanza, la relazione tra la sostenibilità economica del progetto in relazione alle esigenze degli operatori commerciali e produttivi che ne configurano gli spazi di azione. Le conclusioni del lavoro sono molteplici. Da quelle già accennate relative alla individuazione delle criticità e dei rischi a quelle dei punti di forza delle diverse soluzioni. Si sono affrontate, all’interno del testo, le problematiche più evidenti cercando di darne una lettura costruttiva. Si sono evidenziate anche le situazioni da evitare nel percorso di concertazione e si è proposto, in tal proposito, un assetto organizzativo efficiente. Si è presentato inoltre un modello di costruzione del progetto sulla base anche di una valutazione economica dei risultati per quanto riguarda il Business Plan del gestore in rapporto con gli investimenti della P.A.. Si sono descritti diversi modelli di ordinanza comunale per la regolamentazione della circolazione dei mezzi leggeri per la distribuzione delle merci in centro storico con una valutazione comparativa di meriti ed impatti negativi delle stesse. Sono inoltre state valutate alcune combinazioni di rapporto tra il risparmio in termini di costi esterni ed i possibili interventi economico finanziario. Infine si è analizzato il metodo City Ports evidenziando punti di forza e di debolezza emersi nelle esperienze applicative studiate.

Studio e sviluppo di un motore a 2 tempi diesel veloce di nuova concezione per applicazioni automobilistiche

The Department of Mechanical and Civil Engineering (DIMeC) of the University of Modena and Reggio Emilia is developing a new type of small capacity HSDI 2-Stroke Diesel engine (called HSD2), featuring a specifically designed combustion system, aimed to reduce weight, size and manufacturing costs, and improving pollutant emissions at partial load. The present work is focused on the analysis of the combustion and the scavenging process, investigated by means of a version of the KIVA-3V code customized by the University of Chalmers and modified by DIMeC. The customization of the KIVA-3V code includes a detailed combustion chemistry approach, coupled with a comprehensive oxidation mechanism for diesel oil surrogate and the modeling of turbulence/chemistry interaction through the PaSR (Partially Stirred Reactor) model. A four stroke automobile Diesel engine featuring a very close bore size is taken as a reference, for both the numerical models calibration and for a comparison with the 2-Stroke engine. Analysis is carried out trough a comparison between HSD2 and FIAT 1300 MultiJet in several operating conditions, at full and partial load. Such a comparison clearly demonstrates the effectiveness of the two stroke concept in terms of emissions reduction and high power density. However, HSD2 is still a virtual engine, and experimental results are needed to assume the reliability of numerical results.

Sulla ricerca del minimo dei consumi per vetture sportive

La ricerca oggetto di questa tesi, come si evince dal titolo stesso, è volta alla riduzione dei consumi per vetture a forte carattere sportivo ed elevate prestazioni specifiche. In particolare, tutte le attività descritte fanno riferimento ad un ben definito modello di vettura, ovvero la Maserati Quattroporte. Lo scenario all’interno del quale questo lavoro si inquadra, è quello di una forte spinta alla riduzione dei cosiddetti gas serra, ossia dell’anidride carbonica, in linea con quelle che sono le disposizioni dettate dal protocollo di Kyoto. La necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di CO2 sta condizionando tutti i settori della società: dal riscaldamento degli edifici privati a quello degli stabilimenti industriali, dalla generazione di energia ai processi produttivi in senso lato. Nell’ambito di questo panorama, chiaramente, sono chiamati ad uno sforzo considerevole i costruttori di automobili, alle quali è imputata una percentuale considerevole dell’anidride carbonica prodotta ogni giorno e riversata nell’atmosfera. Al delicato problema inquinamento ne va aggiunto uno forse ancor più contingente e diretto, legato a ragioni di carattere economico. I combustibili fossili, come tutti sanno, sono una fonte di energia non rinnovabile, la cui disponibilità è legata a giacimenti situati in opportune zone del pianeta e non inesauribili. Per di più, la situazione socio politica che il medio oriente sta affrontando, unita alla crescente domanda da parte di quei paesi in cui il processo di industrializzazione è partito da poco a ritmi vertiginosi, hanno letteralmente fatto lievitare il prezzo del petrolio. A causa di ciò, avere una vettura efficiente in senso lato e, quindi, a ridotti consumi, è a tutti gli effetti un contenuto di prodotto apprezzato dal punto di vista del marketing, anche per i segmenti vettura più alti. Nell’ambito di questa ricerca il problema dei consumi è stato affrontato come una conseguenza del comportamento globale della vettura in termini di efficienza, valutando il miglior compromesso fra le diverse aree funzionali costituenti il veicolo. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata alla messa a punto di un modello di calcolo, attraverso il quale eseguire una serie di analisi di sensibilità sull’influenza dei diversi parametri vettura sul consumo complessivo di carburante. Sulla base di tali indicazioni, è stata proposta una modifica dei rapporti del cambio elettro-attuato con lo scopo di ottimizzare il compromesso tra consumi e prestazioni, senza inficiare considerevolmente queste ultime. La soluzione proposta è stata effettivamente realizzata e provata su vettura, dando la possibilità di verificare i risultati ed operare un’approfondita attività di correlazione del modello di calcolo per i consumi. Il beneficio ottenuto in termini di autonomia è stato decisamente significativo con riferimento sia ai cicli di omologazione europei, che a quelli statunitensi. Sono state inoltre analizzate le ripercussioni dal punto di vista delle prestazioni ed anche in questo caso i numerosi dati rilevati hanno permesso di migliorare il livello di correlazione del modello di simulazione per le prestazioni. La vettura con la nuova rapportatura proposta è stata poi confrontata con un prototipo di Maserati Quattroporte avente cambio automatico e convertitore di coppia. Questa ulteriore attività ha permesso di valutare il differente comportamento tra le due soluzioni, sia in termini di consumo istantaneo, che di consumo complessivo rilevato durante le principali missioni su banco a rulli previste dalle normative. L’ultima sezione del lavoro è stata dedicata alla valutazione dell’efficienza energetica del sistema vettura, intesa come resistenza all’avanzamento incontrata durante il moto ad una determinata velocità. Sono state indagate sperimentalmente le curve di “coast down” della Quattroporte e di alcune concorrenti e sono stati proposti degli interventi volti alla riduzione del coefficiente di penetrazione aerodinamica, pur con il vincolo di non alterare lo stile vettura.

Creazione e sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per un sistema fuel cell

The control of a proton exchange membrane fuel cell system (PEM FC) for domestic heat and power supply requires extensive control measures to handle the complicated process. Highly dynamic and non linear behavior, increase drastically the difficulties to find the optimal design and control strategies. The objective is to design, implement and commission a controller for the entire fuel cell system. The fuel cell process and the control system are engineered simultaneously; therefore there is no access to the process hardware during the control system development. Therefore the method of choice was a model based design approach, following the rapid control prototyping (RCP) methodology. The fuel cell system is simulated using a fuel cell library which allowed thermodynamic calculations. In the course of the development the process model is continuously adapted to the real system. The controller application is designed and developed in parallel and thereby tested and verified against the process model. Furthermore, after the commissioning of the real system, the process model can be also better identified and parameterized utilizing measurement data to perform optimization procedures. The process model and the controller application are implemented in Simulink using Mathworks` Real Time Workshop (RTW) and the xPC development suite for MiL (model-in-theloop) and HiL (hardware-in-the-loop) testing. It is possible to completely develop, verify and validate the controller application without depending on the real fuel cell system, which is not available for testing during the development process. The fuel cell system can be immediately taken into operation after connecting the controller to the process.

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Analisi di pH, ORP e DO finalizzata all'utilizzo di segnali indiretti per il monitoraggio e il controllo automatico di impianti di depurazione a fanghi attivi

Con il presente lavoro di tesi si è studiata la possibilità di estrarre informazioni sugli andamenti dei processi biologici dall’osservazione dei segnali di pH, potenziale di ossido riduzione (ORP) e ossigeno disciolto (DO) nelle vasche di processo di un impianto a fanghi attivi a flusso continuo (predenitro/nitro) per verificare la possibilità di utilizzare questo tipo di sonde per lo sviluppo di sistemi per il controllo automatico e la gestione intelligente, eventualmente remota, degli impianti di depurazione. Il lavoro di sperimentazione è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro – nitro, costruito ed installato presso i laboratori della sede Enea di Bologna (Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche). L’obiettivo primario della sperimentazione è stato quello di portare il sistema in uno stato stazionario di equilibrio, così da poter stabilire delle condizioni di funzionamento note e costanti, riscontrabili anche nei segnali di riferimento. Tali condizioni sono state definite prendendo come riferimento un impianto reale noto, funzionante in condizioni di processo costanti e medie, definendo contestualmente test sperimentali che riproducessero condizioni riscontrabili sullo stesso impianto reale. Le condizioni del sistema sono state monitorate costantemente, attraverso il monitoraggio giornaliero dei processi, effettuato con attività di campionamento e di analisi, osservando costantemente i segnali indiretti.

Argumentation and artifacts for intelligent multi-agent systems

Reasoning under uncertainty is a human capacity that in software system is necessary and often hidden. Argumentation theory and logic make explicit non-monotonic information in order to enable automatic forms of reasoning under uncertainty. In human organization Distributed Cognition and Activity Theory explain how artifacts are fundamental in all cognitive process. Then, in this thesis we search to understand the use of cognitive artifacts in an new argumentation framework for an agent-based artificial society.

Enabling computationally intensive bioinformatics applications on the Grid platform

Bioinformatics is a recent and emerging discipline which aims at studying biological problems through computational approaches. Most branches of bioinformatics such as Genomics, Proteomics and Molecular Dynamics are particularly computationally intensive, requiring huge amount of computational resources for running algorithms of everincreasing complexity over data of everincreasing size. In the search for computational power, the EGEE Grid platform, world's largest community of interconnected clusters load balanced as a whole, seems particularly promising and is considered the new hope for satisfying the everincreasing computational requirements of bioinformatics, as well as physics and other computational sciences. The EGEE platform, however, is rather new and not yet free of problems. In addition, specific requirements of bioinformatics need to be addressed in order to use this new platform effectively for bioinformatics tasks. In my three years' Ph.D. work I addressed numerous aspects of this Grid platform, with particular attention to those needed by the bioinformatics domain. I hence created three major frameworks, Vnas, GridDBManager and SETest, plus an additional smaller standalone solution, to enhance the support for bioinformatics applications in the Grid environment and to reduce the effort needed to create new applications, additionally addressing numerous existing Grid issues and performing a series of optimizations. The Vnas framework is an advanced system for the submission and monitoring of Grid jobs that provides an abstraction with reliability over the Grid platform. In addition, Vnas greatly simplifies the development of new Grid applications by providing a callback system to simplify the creation of arbitrarily complex multistage computational pipelines and provides an abstracted virtual sandbox which bypasses Grid limitations. Vnas also reduces the usage of Grid bandwidth and storage resources by transparently detecting equality of virtual sandbox files based on content, across different submissions, even when performed by different users. BGBlast, evolution of the earlier project GridBlast, now provides a Grid Database Manager (GridDBManager) component for managing and automatically updating biological flatfile databases in the Grid environment. GridDBManager sports very novel features such as an adaptive replication algorithm that constantly optimizes the number of replicas of the managed databases in the Grid environment, balancing between response times (performances) and storage costs according to a programmed cost formula. GridDBManager also provides a very optimized automated management for older versions of the databases based on reverse delta files, which reduces the storage costs required to keep such older versions available in the Grid environment by two orders of magnitude. The SETest framework provides a way to the user to test and regressiontest Python applications completely scattered with side effects (this is a common case with Grid computational pipelines), which could not easily be tested using the more standard methods of unit testing or test cases. The technique is based on a new concept of datasets containing invocations and results of filtered calls. The framework hence significantly accelerates the development of new applications and computational pipelines for the Grid environment, and the efforts required for maintenance. An analysis of the impact of these solutions will be provided in this thesis. This Ph.D. work originated various publications in journals and conference proceedings as reported in the Appendix. Also, I orally presented my work at numerous international conferences related to Grid and bioinformatics.

Semantic-based middleware solutions to support context-aware service provisioning in pervasive environments

The dynamicity and heterogeneity that characterize pervasive environments raise new challenges in the design of mobile middleware. Pervasive environments are characterized by a significant degree of heterogeneity, variability, and dynamicity that conventional middleware solutions are not able to adequately manage. Originally designed for use in a relatively static context, such middleware systems tend to hide low-level details to provide applications with a transparent view on the underlying execution platform. In mobile environments, however, the context is extremely dynamic and cannot be managed by a priori assumptions. Novel middleware should therefore support mobile computing applications in the task of adapting their behavior to frequent changes in the execution context, that is, it should become context-aware. In particular, this thesis has identified the following key requirements for novel context-aware middleware that existing solutions do not fulfil yet. (i) Middleware solutions should support interoperability between possibly unknown entities by providing expressive representation models that allow to describe interacting entities, their operating conditions and the surrounding world, i.e., their context, according to an unambiguous semantics. (ii) Middleware solutions should support distributed applications in the task of reconfiguring and adapting their behavior/results to ongoing context changes. (iii) Context-aware middleware support should be deployed on heterogeneous devices under variable operating conditions, such as different user needs, application requirements, available connectivity and device computational capabilities, as well as changing environmental conditions. Our main claim is that the adoption of semantic metadata to represent context information and context-dependent adaptation strategies allows to build context-aware middleware suitable for all dynamically available portable devices. Semantic metadata provide powerful knowledge representation means to model even complex context information, and allow to perform automated reasoning to infer additional and/or more complex knowledge from available context data. In addition, we suggest that, by adopting proper configuration and deployment strategies, semantic support features can be provided to differentiated users and devices according to their specific needs and current context. This thesis has investigated novel design guidelines and implementation options for semantic-based context-aware middleware solutions targeted to pervasive environments. These guidelines have been applied to different application areas within pervasive computing that would particularly benefit from the exploitation of context. Common to all applications is the key role of context in enabling mobile users to personalize applications based on their needs and current situation. The main contributions of this thesis are (i) the definition of a metadata model to represent and reason about context, (ii) the definition of a model for the design and development of context-aware middleware based on semantic metadata, (iii) the design of three novel middleware architectures and the development of a prototypal implementation for each of these architectures, and (iv) the proposal of a viable approach to portability issues raised by the adoption of semantic support services in pervasive applications.

Middleware per la gestione di interfacce di comunicazione e di sorgenti di contesto in ambienti wireless eterogenei

The full exploitation of multi-hop multi-path connectivity opportunities offered by heterogeneous wireless interfaces could enable innovative Always Best Served (ABS) deployment scenarios where mobile clients dynamically self-organize to offer/exploit Internet connectivity at best. Only novel middleware solutions based on heterogeneous context information can seamlessly enable this scenario: middleware solutions should i) provide a translucent access to low-level components, to achieve both fully aware and simplified pre-configured interactions, ii) permit to fully exploit communication interface capabilities, i.e., not only getting but also providing connectivity in a peer-to-peer fashion, thus relieving final users and application developers from the burden of directly managing wireless interface heterogeneity, and iii) consider user mobility as crucial context information evaluating at provision time the suitability of available Internet points of access differently when the mobile client is still or in motion. The novelty of this research work resides in three primary points. First of all, it proposes a novel model and taxonomy providing a common vocabulary to easily describe and position solutions in the area of context-aware autonomic management of preferred network opportunities. Secondly, it presents PoSIM, a context-aware middleware for the synergic exploitation and control of heterogeneous positioning systems that facilitates the development and portability of location-based services. PoSIM is translucent, i.e., it can provide application developers with differentiated visibility of data characteristics and control possibilities of available positioning solutions, thus dynamically adapting to application-specific deployment requirements and enabling cross-layer management decisions. Finally, it provides the MMHC solution for the self-organization of multi-hop multi-path heterogeneous connectivity. MMHC considers a limited set of practical indicators on node mobility and wireless network characteristics for a coarsegrained estimation of expected reliability/quality of multi-hop paths available at runtime. In particular, MMHC manages the durability/throughput-aware formation and selection of different multi-hop paths simultaneously. Furthermore, MMHC provides a novel solution based on adaptive buffers, proactively managed based on handover prediction, to support continuous services, especially by pre-fetching multimedia contents to avoid streaming interruptions.

Management and routing algorithms for ad-hoc and sensor networks

Large scale wireless adhoc networks of computers, sensors, PDAs etc. (i.e. nodes) are revolutionizing connectivity and leading to a paradigm shift from centralized systems to highly distributed and dynamic environments. An example of adhoc networks are sensor networks, which are usually composed by small units able to sense and transmit to a sink elementary data which are successively processed by an external machine. Recent improvements in the memory and computational power of sensors, together with the reduction of energy consumptions, are rapidly changing the potential of such systems, moving the attention towards datacentric sensor networks. A plethora of routing and data management algorithms have been proposed for the network path discovery ranging from broadcasting/floodingbased approaches to those using global positioning systems (GPS). We studied WGrid, a novel decentralized infrastructure that organizes wireless devices in an adhoc manner, where each node has one or more virtual coordinates through which both message routing and data management occur without reliance on either flooding/broadcasting operations or GPS. The resulting adhoc network does not suffer from the deadend problem, which happens in geographicbased routing when a node is unable to locate a neighbor closer to the destination than itself. WGrid allow multidimensional data management capability since nodes' virtual coordinates can act as a distributed database without needing neither special implementation or reorganization. Any kind of data (both single and multidimensional) can be distributed, stored and managed. We will show how a location service can be easily implemented so that any search is reduced to a simple query, like for any other data type. WGrid has then been extended by adopting a replication methodology. We called the resulting algorithm WRGrid. Just like WGrid, WRGrid acts as a distributed database without needing neither special implementation nor reorganization and any kind of data can be distributed, stored and managed. We have evaluated the benefits of replication on data management, finding out, from experimental results, that it can halve the average number of hops in the network. The direct consequence of this fact are a significant improvement on energy consumption and a workload balancing among sensors (number of messages routed by each node). Finally, thanks to the replications, whose number can be arbitrarily chosen, the resulting sensor network can face sensors disconnections/connections, due to failures of sensors, without data loss. Another extension to {WGrid} is {W*Grid} which extends it by strongly improving network recovery performance from link and/or device failures that may happen due to crashes or battery exhaustion of devices or to temporary obstacles. W*Grid guarantees, by construction, at least two disjoint paths between each couple of nodes. This implies that the recovery in W*Grid occurs without broadcasting transmissions and guaranteeing robustness while drastically reducing the energy consumption. An extensive number of simulations shows the efficiency, robustness and traffic road of resulting networks under several scenarios of device density and of number of coordinates. Performance analysis have been compared to existent algorithms in order to validate the results.