Supporting semantic web technologies in the pervasive service ecosystems middleware

Semantic Web technologies are strategic in order to fulfill the openness requirement of Self-Aware Pervasive Service Ecosystems. In fact they provide agents with the ability to cope with distributed data, using RDF to represent information, ontologies to describe relations between concepts from any domain (e.g. equivalence, specialization/extension, and so on) and reasoners to extract implicit knowledge. The aim of this thesis is to study these technologies and design an extension of a pervasive service ecosystems middleware capable of exploiting semantic power, and deepening performance implications.

MetaVaccinology: a new vaccine discovery tool

In the last decade, the reverse vaccinology approach shifted the paradigm of vaccine discovery from conventional culture-based methods to high-throughput genome-based approaches for the development of recombinant protein-based vaccines against pathogenic bacteria. Besides reaching its main goal of identifying new vaccine candidates, this new procedure produced also a huge amount of molecular knowledge related to them. In the present work, we explored this knowledge in a species-independent way and we performed a systematic in silico molecular analysis of more than 100 protective antigens, looking at their sequence similarity, domain composition and protein architecture in order to identify possible common molecular features. This meta-analysis revealed that, beside a low sequence similarity, most of the known bacterial protective antigens shared structural/functional Pfam domains as well as specific protein architectures. Based on this, we formulated the hypothesis that the occurrence of these molecular signatures can be predictive of possible protective properties of other proteins in different bacterial species. We tested this hypothesis in Streptococcus agalactiae and identified four new protective antigens. Moreover, in order to provide a second proof of the concept for our approach, we used Staphyloccus aureus as a second pathogen and identified five new protective antigens. This new knowledge-driven selection process, named MetaVaccinology, represents the first in silico vaccine discovery tool based on conserved and predictive molecular and structural features of bacterial protective antigens and not dependent upon the prediction of their sub-cellular localization.

Semantic Enrichment of Scientific Documents with Semantic Lenses – Developing methodologies, tools and prototypes for their concrete use

Con questa dissertazione di tesi miro ad illustrare i risultati della mia ricerca nel campo del Semantic Publishing, consistenti nello sviluppo di un insieme di metodologie, strumenti e prototipi, uniti allo studio di un caso d‟uso concreto, finalizzati all‟applicazione ed alla focalizzazione di Lenti Semantiche (Semantic Lenses).

Conversione per il Semantic Web di dati Turistico-Culturali: il progetto QRPlaces - Semantic Events

Il progetto QRPlaces - Semantic Events, oggetto di questo lavoro, focalizza l’attenzione sull’analisi, la progettazione e l’implementazione di un sistema che sia in grado di modellare i dati, relativi a diversi eventi facenti parte del patrimonio turistico - culturale della Regione Emilia Romagna 1, rendendo evidenti i vantaggi associati ad una rappresentazione formale incentrata sulla Semantica. I dati turistico - culturali sono intesi in questo ambito sia come una rappresentazione di “qualcosa che accade in un certo punto ad un certo momento” (come ad esempio un concerto, una sagra, una raccolta fondi, una rappresentazione teatrale e quant’altro) sia come tradizioni e costumi che costituiscono il patrimonio turistico-culturale e a cui si fa spesso riferimento con il nome di “Cultural Heritage”. Essi hanno la caratteristica intrinseca di richiedere una conoscenza completa di diverse informa- zioni correlata, come informazioni di geo localizzazione relative al luogo fisico che ospita l’evento, dati biografici riferiti all’autore o al soggetto che è presente nell’evento piuttosto che riferirsi ad informazioni che descrivono nel dettaglio tutti gli oggetti, come teatri, cinema, compagnie teatrali che caratterizzano l’evento stesso. Una corretta rappresentazione della conoscenza ad essi legata richiede, pertanto, una modellazione in cui i dati possano essere interconnessi, rivelando un valore informativo che altrimenti resterebbe nascosto. Il lavoro svolto ha avuto lo scopo di realizzare un dataset rispondente alle caratteristiche tipiche del Semantic Web grazie al quale è stato possibile potenziare il circuito di comunicazione e informazione turistica QRPlaces 2. Nello specifico, attraverso la conversione ontologica di dati di vario genere relativi ad eventi dislocati nel territorio, e sfruttando i principi e le tecnologie del Linked Data, si è cercato di ottenere un modello informativo quanto più possibile correlato e arricchito da dati esterni. L’obiettivo finale è stato quello di ottenere una sorgente informativa di dati interconnessi non solo tra loro ma anche con quelli presenti in sorgenti esterne, dando vita ad un percorso di collegamenti in grado di evidenziare una ricchezza informativa utilizzabile per la creazione di valore aggiunto che altrimenti non sarebbe possibile ottenere. Questo aspetto è stato realizzato attraverso un’in- terfaccia di MashUp che utilizza come sorgente il dataset creato e tutti i collegamenti con la rete del Linked Data, in grado di reperire informazioni aggiuntive multi dominio.

Semantic Service Architectures for Smart Environments

Many industries and academic institutions share the vision that an appropriate use of information originated from the environment may add value to services in multiple domains and may help humans in dealing with the growing information overload which often seems to jeopardize our life. It is also clear that information sharing and mutual understanding between software agents may impact complex processes where many actors (humans and machines) are involved, leading to relevant socioeconomic benefits. Starting from these two input, architectural and technological solutions to enable “environment-related cooperative digital services” are here explored. The proposed analysis starts from the consideration that our environment is physical space and here diversity is a major value. On the other side diversity is detrimental to common technological solutions, and it is an obstacle to mutual understanding. An appropriate environment abstraction and a shared information model are needed to provide the required levels of interoperability in our heterogeneous habitat. This thesis reviews several approaches to support environment related applications and intends to demonstrate that smart-space-based, ontology-driven, information-sharing platforms may become a flexible and powerful solution to support interoperable services in virtually any domain and even in cross-domain scenarios. It also shows that semantic technologies can be fruitfully applied not only to represent application domain knowledge. For example semantic modeling of Human-Computer Interaction may support interaction interoperability and transformation of interaction primitives into actions, and the thesis shows how smart-space-based platforms driven by an interaction ontology may enable natural ad flexible ways of accessing resources and services, e.g, with gestures. An ontology for computational flow execution has also been built to represent abstract computation, with the goal of exploring new ways of scheduling computation flows with smart-space-based semantic platforms.

Semantic under-determinacy, Content and Context

The aim of the thesis is to investigate the topic of semantic under-determinacy, i.e. the failure of the semantic content of certain expressions to determine a truth-evaluable utterance content. In the first part of the thesis, I engage with the problem of setting apart semantic under-determinacy as opposed to other phenomena such as ambiguity, vagueness, indexicality. As I will argue, the feature that distinguishes semantic under-determinacy from these phenomena is its being explainable solely in terms of under-articulation. In the second part of the thesis, I discuss the topic of how communication is possible, despite the semantic under-determinacy of language. I discuss a number of answers that have been offered: (i) the Radical Contextualist explanation which emphasises the role of pragmatic processes in utterance comprehension; (ii) the Indexicalist explanation in terms of hidden syntactic positions; (iii) the Relativist account, which regards sentences as true or false relative to extra coordinates in the circumstances of evaluation (besides possible worlds). In the final chapter, I propose an account of the comprehension of utterances of semantically under-determined sentences in terms of conceptual constraints, i.e. ways of organising information which regulate thought and discourse on certain matters. Conceptual constraints help the hearer to work out the truth-conditions of an utterance of a semantically under-determined sentence. Their role is clearly semantic, in that they contribute to “what is said” (rather than to “what is implied”); however, they do not respond to any syntactic constraint. The view I propose therefore differs, on the one hand, from Radical Contextualism, because it stresses the role of semantic-governed processes as opposed to pragmatics-governed processes; on the other hand, it differs from Indexicalism in its not endorsing any commitment as to hidden syntactic positions; and it differs from Relativism in that it maintains a monadic notion if truth.

On the path of Exploratory Search Users - A Semantic Web tool

L’Exploratory Search, paradigma di ricerca basato sulle attività di scoperta e d’apprendimento, è stato per diverso tempo ignorato dai motori di ricerca tradizionali. Invece, è spesso dalle ricerche esplorative che nascono le idee più innovative. Le recenti tecnologie del Semantic Web forniscono le soluzioni che permettono d’implementare dei motori di ricerca capaci di accompagnare gli utenti impegnati in tale tipo di ricerca. Aemoo, motore di ricerca sul quale s’appoggia questa tesi ne è un esempio efficace. A partire da quest’ultimo e sempre con l’aiuto delle tecnologie del Web of Data, questo lavoro si propone di fornire una metodologia che permette di prendere in considerazione la singolarità del profilo di ciascun utente al fine di guidarlo nella sua ricerca esplorativa in modo personalizzato. Il criterio di personalizzazione che abbiamo scelto è comportamentale, ovvero basato sulle decisioni che l’utente prende ad ogni tappa che ritma il processo di ricerca. Implementando un prototipo, abbiamo potuto testare la validità di quest’approccio permettendo quindi all’utente di non essere più solo nel lungo e tortuoso cammino che porta alla conoscenza.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Una base dati per il knowledge discovery in genetica medica

L'innovazione delle tecnologie di sequenziamento negli ultimi anni ha reso possibile la catalogazione delle varianti genetiche nei campioni umani, portando nuove scoperte e comprensioni nella ricerca medica, farmaceutica, dell'evoluzione e negli studi sulla popolazione. La quantità di sequenze prodotta è molto cospicua, e per giungere all'identificazione delle varianti sono necessari diversi stadi di elaborazione delle informazioni genetiche in cui, ad ogni passo, vengono generate ulteriori informazioni. Insieme a questa immensa accumulazione di dati, è nata la necessità da parte della comunità scientifica di organizzare i dati in repository, dapprima solo per condividere i risultati delle ricerche, poi per permettere studi statistici direttamente sui dati genetici. Gli studi su larga scala coinvolgono quantità di dati nell'ordine dei petabyte, il cui mantenimento continua a rappresentare una sfida per le infrastrutture. Per la varietà e la quantità di dati prodotti, i database giocano un ruolo di primaria importanza in questa sfida. Modelli e organizzazione dei dati in questo campo possono fare la differenza non soltanto per la scalabilità, ma anche e soprattutto per la predisposizione al data mining. Infatti, la memorizzazione di questi dati in file con formati quasi-standard, la dimensione di questi file, e i requisiti computazionali richiesti, rendono difficile la scrittura di software di analisi efficienti e scoraggiano studi su larga scala e su dati eterogenei. Prima di progettare il database si è perciò studiata l’evoluzione, negli ultimi vent’anni, dei formati quasi-standard per i flat file biologici, contenenti metadati eterogenei e sequenze nucleotidiche vere e proprie, con record privi di relazioni strutturali. Recentemente questa evoluzione è culminata nell’utilizzo dello standard XML, ma i flat file delimitati continuano a essere gli standard più supportati da tools e piattaforme online. È seguita poi un’analisi dell’organizzazione interna dei dati per i database biologici pubblici. Queste basi di dati contengono geni, varianti genetiche, strutture proteiche, ontologie fenotipiche, relazioni tra malattie e geni, relazioni tra farmaci e geni. Tra i database pubblici studiati rientrano OMIM, Entrez, KEGG, UniProt, GO. L'obiettivo principale nello studio e nella modellazione del database genetico è stato quello di strutturare i dati in modo da integrare insieme i dati eterogenei prodotti e rendere computazionalmente possibili i processi di data mining. La scelta di tecnologia Hadoop/MapReduce risulta in questo caso particolarmente incisiva, per la scalabilità garantita e per l’efficienza nelle analisi statistiche più complesse e parallele, come quelle riguardanti le varianti alleliche multi-locus.

Linked Data e bibliometriche: un indice di multidisciplinarieta nel Semantic Publishing

Nel presente lavoro si introduce un nuovo indice per la valutazione dei prodotti della ricerca: l'indice di multidisciplinarieta`. Questa nuova metrica puo` essere un interessante parametro di valutazione: il panorama degli studi multidisciplinari e` vasto ed eterogeneo, ed all'interno di questo sono richieste necessarie competenze trasversali. Le attuali metriche adottate nella valutazione di un accademico, di un journal, o di una conferenza non tengono conto di queste situazioni intermedie, e limitano la loro valutazione dell'impatto al semplice conteggio delle citazioni ricevute. Il risultato di tale valutazione consiste in un valore dell'impatto della ricerca senza una connotazione della direzione e della rilevanza di questa nel contesto delle altre discipline. L'indice di multidisciplinarieta` proposto si integrerebbe allora all'interno dell'attuale panorama delle metriche di valutazione della ricerca, offrendo -accanto ad una quantificazione dell'impatto- una quantificazione della varieta` dei contesti disciplinari nei quali si inserisce.

A Semantic-based Framework for Digital Survey of Architectural Heritage

The research aims at developing a framework for semantic-based digital survey of architectural heritage. Rooted in knowledge-based modeling which extracts mathematical constraints of geometry from architectural treatises, as-built information of architecture obtained from image-based modeling is integrated with the ideal model in BIM platform. The knowledge-based modeling transforms the geometry and parametric relation of architectural components from 2D printings to 3D digital models, and create large amount variations based on shape grammar in real time thanks to parametric modeling. It also provides prior knowledge for semantically segmenting unorganized survey data. The emergence of SfM (Structure from Motion) provides access to reconstruct large complex architectural scenes with high flexibility, low cost and full automation, but low reliability of metric accuracy. We solve this problem by combing photogrammetric approaches which consists of camera configuration, image enhancement, and bundle adjustment, etc. Experiments show the accuracy of image-based modeling following our workflow is comparable to that from range-based modeling. We also demonstrate positive results of our optimized approach in digital reconstruction of portico where low-texture-vault and dramatical transition of illumination bring huge difficulties in the workflow without optimization. Once the as-built model is obtained, it is integrated with the ideal model in BIM platform which allows multiple data enrichment. In spite of its promising prospect in AEC industry, BIM is developed with limited consideration of reverse-engineering from survey data. Besides representing the architectural heritage in parallel ways (ideal model and as-built model) and comparing their difference, we concern how to create as-built model in BIM software which is still an open area to be addressed. The research is supposed to be fundamental for research of architectural history, documentation and conservation of architectural heritage, and renovation of existing buildings.

Discovery and Pharmacological Characterization of a Novel Small Molecule Antagonist of Integrin α4β1: Focus on Antiallergic Activity

Allergy is a common hypersensitivity disorder that affects 15% to 20% of the population and its prevalence is increasing worldwide. Its severity correlates with the degree of eosinophil infiltration into the conjunctiva, which is mediated by chemokines that stimulate the production of adhesion molecules like intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) and vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on the endothelial cell surface. The α4β1 and α4β7 integrins are expressed in eosinophils and contribute to their activation and infiltration in AC through the binding to VCAM-1 or fibronectin, expressed on vascular endothelial cells. Blockade of α4 integrins might be a therapeutical achievement in allergic eye diseases. DS 70, that show an IC50 in the nanomolar range against α4β1 integrin in Jurkat cells and in the eosinophilic cell line EOL-1. This compound was able to prevent cell adhesion to VCAM-1 and FN in vitro. In a scintillation proximity assay DS70 displaced 125I-FN binding to human α4β1 integrin and, in flow cytometry analysis, it antagonized the binding of a primary antibody to α4β1 integrin expressed on the Jurkat cells surface as well. Furthermore, we analysed also its effects on integrin α4β1 signalling. In an vivo model of allergic conjunctivitis, topical DS70 reduced the clinical aspects of EPR (early phase reaction) and LPR (late phase reaction), by reducing clinical score, eosinophil accumulation, mRNA levels of cytochines and chemochines pro-inflammatory and the conjunctival expression of α4 integrin. In conclusion, DS70 seems a novel antiallergic ocular agent that has significant effects on both early and late phases of ocular allergy.

Il fascicolo sanitario elettronico tra Semantic Web e diritto alla privacy

Principale obiettivo della ricerca è quello di ricostruire lo stato dell’arte in materia di sanità elettronica e Fascicolo Sanitario Elettronico, con una precipua attenzione ai temi della protezione dei dati personali e dell’interoperabilità. A tal fine sono stati esaminati i documenti, vincolanti e non, dell’Unione europea nonché selezionati progetti europei e nazionali (come “Smart Open Services for European Patients” (EU); “Elektronische Gesundheitsakte” (Austria); “MedCom” (Danimarca); “Infrastruttura tecnologica del Fascicolo Sanitario Elettronico”, “OpenInFSE: Realizzazione di un’infrastruttura operativa a supporto dell’interoperabilità delle soluzioni territoriali di fascicolo sanitario elettronico nel contesto del sistema pubblico di connettività”, “Evoluzione e interoperabilità tecnologica del Fascicolo Sanitario Elettronico”, “IPSE - Sperimentazione di un sistema per l’interoperabilità europea e nazionale delle soluzioni di Fascicolo Sanitario Elettronico: componenti Patient Summary e ePrescription” (Italia)). Le analisi giuridiche e tecniche mostrano il bisogno urgente di definire modelli che incoraggino l’utilizzo di dati sanitari ed implementino strategie effettive per l’utilizzo con finalità secondarie di dati sanitari digitali , come Open Data e Linked Open Data. L’armonizzazione giuridica e tecnologica è vista come aspetto strategico per ridurre i conflitti in materia di protezione di dati personali esistenti nei Paesi membri nonché la mancanza di interoperabilità tra i sistemi informativi europei sui Fascicoli Sanitari Elettronici. A questo scopo sono state individuate tre linee guida: (1) armonizzazione normativa, (2) armonizzazione delle regole, (3) armonizzazione del design dei sistemi informativi. I principi della Privacy by Design (“prottivi” e “win-win”), così come gli standard del Semantic Web, sono considerate chiavi risolutive per il suddetto cambiamento.

La gestione delle relazioni tra soggetto produttore e risorse archivistiche nel semantic web. Un modello ontologico

La ricerca nel campo del cultural heritage management ha adottato negli ultimi decenni le tecnologie web quali strumenti privilegiati per stabilire i nuovi approcci e indirizzi nella valorizzazione della conoscenza. Questa tesi si colloca nell'ambito interdisciplinare tra le scienze umanistiche e informatiche e si fonda sulla consapevolezza del reciproco arricchimento che può derivare dal continuo confronto, le une disponendo di mezzi più espressivi e popolari per divulgare il proprio patrimonio e le altre usufruendo di “materia prima” autorevole (ossia dati strutturati di qualità e alto livello di fiducia) in fase di sperimentazione. Lo studio dei punti di tangenza tra le discipline muove da due ambiti precisi, ovvero le applicazioni informatiche nel campo dell'archivistica e gli sviluppi del semantic web nel settore delle digital humanities.

Semantic publishing: analisi di Linked Open Dataset

Il presente lavoro si occupa di fare una rassegna esaustiva di alcuni Linked Open Dataset nel contesto delle pubblicazioni scientifiche, cercando di inquadrare la loro eterogeneità ed identificando i principali pregi e difetti di ciascuno. Inoltre, descriviamo il nostro prototipo GReAT (Giorgi's Redundant Authors Tool), creato per il corretto riconoscimento e disambiguazione degli autori.