Discrete Event Systems based Design Patterns for Diagnosability Analysis of Automated Manufacturing Systems

The main goal of this thesis is to facilitate the process of industrial automated systems development applying formal methods to ensure the reliability of systems. A new formulation of distributed diagnosability problem in terms of Discrete Event Systems theory and automata framework is presented, which is then used to enforce the desired property of the system, rather then just verifying it. This approach tackles the state explosion problem with modeling patterns and new algorithms, aimed for verification of diagnosability property in the context of the distributed diagnosability problem. The concepts are validated with a newly developed software tool.

Ruolo delle alterazioni mitocondriali indotte dall'ipossia nella patogenesi della malattia di alzheimer

Le alterazioni della funzionalità mitocondriale detengono un ruolo cruciale nella patogenesi della malattia di Alzheimer (AD), sostenendo il processo neurodegenerativo attraverso meccanismi quali la riduzione della disponibilità energetica e la iperproduzione di ROS. Alle numerose ipotesi di patogenesi dell’AD, si è recentemente affiancata la cosiddetta ipotesi vascolare. Nei soggetti AD è stata riscontrata una significativa riduzione della disponibilità di ossigeno a livello neuronale (ipossia neuronale). Da numerosi studi è poi emerso che l’ipossia gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo dell’AD contribuendo a più vie patogenetiche contemporaneamente. Tuttavia, non sono stati ancora chiariti tutti i meccanismi attraverso cui l’ipossia esplica la sua azione di danno. Lo scopo di questo studio è stato quello di contribuire a chiarire il ruolo patologico dell’ipossia nell’AD, analizzando principalmente le alterazioni della funzionalità mitocondriale indotte dalla riduzione della disponibilità di ossigeno. Nella prima fase dello studio cellule PC12 sono state coltivate in presenza di β-amiloide e ipossia. In questo modello abbiamo osservato un potenziamento dei fenomeni di deplezione dell’ATP e di generazione delle ROS indotti dalla Aβ quando anche l’ipossia era presente come fonte di danno cellulare, ipotizzando per i due fattori un effetto congiunto di tipo additivo. Nella seconda fase abbiamo esposto all’ipossia fibroblasti prelevati da pazienti AD portatori di mutazioni a carico dei geni APP e PSEN. La presenza di mutazioni predisponenti ad un fenotipo AD era in grado di determinare un danno bioenergetico e ossidativo. Le alterazioni bioenergetiche riscontrate in normossia risultavano ulteriormente potenziate quando i fibroblasti erano coltivati in ipossia, mentre lo stato di stress ossidativo veniva evidenziato solo in condizioni ipossiche. Sulla base dei risultati finora conseguiti si può ipotizzare che uno dei meccanismi attraverso cui l’ipossia esplica la sua azione di danno nella AD, possa essere dovuto alla capacità di potenziare ulteriormente le alterazioni della funzionalità mitocondriale.

Applicazione mobile per supporto alla didattica

Questa tesi descrive le fasi della progettazione e dell'implementazione di una applicazione mobile per il supporto alla didattica del corso di Programmazione del CdL di Ingegneria e Scienze Informatiche del Campus di Cesena. Il progetto ha lo scopo di mettere a disposizione degli studenti e dei docenti una applicazione per dispositivi Android che permetta di usufruire dei servizi attualmente forniti dal portale ufficiale del corso. Le funzionalità principali consistono nell'accesso ai materiali didattici e nella gestione delle consegne di esercizi propedeutici alla prova finale per quanto concerne gli studenti; ai professori è invece fornita la possibilità di eseguire la correzione degli elaborati e seguirne lo stato di avanzamento. Visto l'elevato numero di utenti che utilizzava il portale esistente tramite tablet e smartphone si è ritenuto necessario lo sviluppo di questo prodotto che possa fornire una user experience ottimizzata per questi dispositivi. Durante la progettazione è stata data particolare importanza all'ottimizzazione delle prestazioni, sfruttando gli strumenti più recenti forniti agli sviluppatori, e alla conformità con i principali design pattern della programmazione per dispositivi Android. Allo scopo di fornire un prodotto utilizzabile dalla maggior parte dell'utenza potenziale, si è inoltre data priorità alla compatibilità con tutti i dispositivi e le versioni del sistema operativo, senza rinunciare ad alcuna funzionalità. Il risultato del lavoro consiste in un prototipo pienamente funzionante e utilizzabile che mira a fornire una base stabile su cui eseguire future evoluzioni.

Il monitoraggio della qualità di vita e dei bisogni di pazienti oncologici e caregiver: il caso ANT

La Fondazione ANT rappresenta una delle più ampie esperienze al mondo di assistenza socio-sanitaria gratuita a domicilio ai malati di tumore, tramite équipe di specialisti costituite da medici, psicologi e infermieri. La patologia oncologica ha un enorme impatto sul benessere dei pazienti. Un modo per raggruppare i diversi sintomi di disagio psicologico è utilizzare il concetto di distress, che sarebbe importante monitorare in modo semplice e veloce. Primo studio: 66 pazienti oncologici (40% uomini; età media 54 anni) in cure palliative domiciliari. Il 79% dei pazienti ha mostrato livelli clinicamente significativi di distress. Il 55% dei partecipanti allo studio ha riportato alti livelli di ansia, e l'81% dei pazienti ha riportato alti livelli di depressione. Dall'analisi delle curve ROC il singolo item del Distress Thermometer, con un cut-off maggiore o uguale a 4, è stato in grado di rilevare il 97% dei soggetti con punteggi clinici di ansia e depressione, quindi può essere utilizzato anche come uno strumento di screening precoce rapido ed affidabile per i disturbi dell'umore. I familiari sono la prima risorsa dei malati di tumore, e l'identificazione dei loro bisogni è utile per individuare chi ha maggiore necessità di aiuto ed in quali aree. Secondo studio: 115 caregiver di pazienti oncologici (37% uomini; età media 52 anni). Di seguito i bisogni più frequenti. Salute psicofisica: “preoccupazioni circa il/la paziente” (72%), ansia (53%) e rabbia (52%). Informazioni: “come prendersi cura del paziente” (64%), “terapie alternative e/o complementari” (64%) e “come gestire lo stress” (57%). Servizi e strutture sanitarie: “un operatore di riferimento”, (65%), “cure infermieristiche a domicilio” (62%), “indicazioni su servizi ospedalieri” (57%), ed “assistenza per caregiver, ad esempio consulenza psicologica” (55%). Il monitoraggio dei bisogni consentirebbe un'ottimizzazione dell'assistenza, prevenendo situazioni che potrebbero compromettere il benessere della famiglia e la qualità dell'assistenza fornita al paziente.

A new method for the estimation of the reverberation time from measured room impulse responses with application to Italian opera houses

The Schroeder's backward integration method is the most used method to extract the decay curve of an acoustic impulse response and to calculate the reverberation time from this curve. In the literature the limits and the possible improvements of this method are widely discussed. In this work a new method is proposed for the evaluation of the energy decay curve. The new method has been implemented in a Matlab toolbox. Its performance has been tested versus the most accredited literature method. The values of EDT and reverberation time extracted from the energy decay curves calculated with both methods have been compared in terms of the values themselves and in terms of their statistical representativeness. The main case study consists of nine Italian historical theatres in which acoustical measurements were performed. The comparison of the two extraction methods has also been applied to a critical case, i.e. the structural impulse responses of some building elements. The comparison underlines that both methods return a comparable value of the T30. Decreasing the range of evaluation, they reveal increasing differences; in particular, the main differences are in the first part of the decay, where the EDT is evaluated. This is a consequence of the fact that the new method returns a “locally" defined energy decay curve, whereas the Schroeder's method accumulates energy from the tail to the beginning of the impulse response. Another characteristic of the new method for the energy decay extraction curve is its independence on the background noise estimation. Finally, a statistical analysis is performed on the T30 and EDT values calculated from the impulse responses measurements in the Italian historical theatres. The aim of this evaluation is to know whether a subset of measurements could be considered representative for a complete characterization of these opera houses.

Networks, Uncertainty, Applications and a Crusade for Optimality

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

Teoria e pratica dell'architettura solare - Morfologia, rendimento, strategia progettuale

La recente Direttiva 31/2010 dell’Unione Europea impone agli stati membri di riorganizzare il quadro legislativo nazionale in materia di prestazione energetica degli edifici, affinchè tutte le nuove costruzioni presentino dal 1° gennaio 2021 un bilancio energetico tendente allo zero; termine peraltro anticipato al 1° gennaio 2019 per gli edifici pubblici. La concezione di edifici a energia “quasi” zero (nZEB) parte dal presupposto di un involucro energeticamente di standard passivo per arrivare a compensare, attraverso la produzione preferibilmente in sito di energia da fonti rinnovabili, gli esigui consumi richiesti su base annuale. In quest’ottica la riconsiderazione delle potenzialità dell’architettura solare individua degli strumenti concreti e delle valide metodologie per supportare la progettazione di involucri sempre più performanti che sfruttino pienamente una risorsa inesauribile, diffusa e alla portata di tutti come quella solare. Tutto ciò in considerazione anche della non più procrastinabile necessità di ridurre il carico energetico imputabile agli edifici, responsabili come noto di oltre il 40% dei consumi mondiali e del 24% delle emissioni di gas climalteranti. Secondo queste premesse la ricerca pone come centrale il tema dell’integrazione dei sistemi di guadagno termico, cosiddetti passivi, e di produzione energetica, cosiddetti attivi, da fonte solare nell’involucro architettonico. Il percorso sia analitico che operativo effettuato si è posto la finalità di fornire degli strumenti metodologici e pratici al progetto dell’architettura, bisognoso di un nuovo approccio integrato mirato al raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico. Attraverso una ricognizione generale del concetto di architettura solare e dei presupposti teorici e terminologici che stanno alla base della stessa, la ricerca ha prefigurato tre tipologie di esito finale: una codificazione delle morfologie ricorrenti nelle realizzazioni solari, un’analisi comparata del rendimento solare nelle principali aggregazioni tipologiche edilizie e una parte importante di verifica progettuale dove sono stati applicati gli assunti delle categorie precedenti

Cattura neutronica su u-238: Studio della regione delle risonanze risolte.

Le attuali sezioni d’urto di reazioni indotte da neutroni non sono sufficientemente accurate per essere utilizzate in progetti di ricerca di frontiera. Per soddisfare la richiesta di nuovi dati nucleari è stata recentemente costruita al CERN di Ginevra la facility n_TOF (neutron Time Of Flight). Le caratteristiche che contraddistinguono questa facility sono l’elevato flusso istantaneo di neutroni, l’ampio spettro energetico e l’eccellente risoluzione energetica. In questa tesi viene analizzata la sezione d’urto di cattura neutronica su 238U, fondamentale per la realizzazione dei reattori nucleari di nuova generazione che prevedono la sostituzione del combustibile 235U con 238U, molto più abbondante in natura e che permette di ridurre drasticamente l’accumulo di scorie nucleari. Nonostante le numerose misure già effettuate su questo elemento, ancora non si è raggiunta la precisione necessaria per le tecnologie nucleari emergenti quali i reattori di quarta generazione e gli ADS (Accelerator Drive System). Inoltre la parametrizzazione della sezione d’urto in termini di matrice R, non è così accurata quanto richiesto. In questo lavoro si è dapprima studiata l’assegnazione dello spin delle risonanze riportata in letteratura, elemento fondamentale per la successiva analisi delle risonanze e la parametrizzazione della sezione d’urto della reazione 238U(n, ). Parallelamente a questa attività si è studiata la funzione di risposta dello spettrometro n_TOF, che descrive la risoluzione energetica dei neutroni incidenti e va quindi a modificare la forma delle risonanze. I risultati ottenuti sono quindi stati confrontati con quelli in letteratura per poter essere validati e per poter verificare eventuali migliorie.

Taratura di un calibratore di attività per radionuclidi emettitori di positroni a brevissimo tempo di dimezzamento

I calibratori di attività sono strumenti fondamentali in medicina nucleare, utilizzati da ogni struttura al fine di quantificare l’attività di radiofarmaco da somministrare al paziente. L'accurata taratura di questi strumenti richiederebbe la disponibilità di sorgenti di riferimento certificate per ciascun radionuclide di interesse; tuttavia vi è una importante serie di casi in cui questo metodo non è praticabile a causa delle caratteristiche del radionuclide, come ad esempio il brevissimo tempo di dimezzamento. Lo scopo di questo studio è stato determinare il fattore di taratura per un radioisotopo PET a brevissimo tempo di dimezzamento, il 11C, per il quale non sono commercialmente reperibili delle sorgenti certificate, eseguendo un’accurata misura dell’efficienza di rivelazione di un moderno rivelatore per spettrometria allo specifico valore di energia di 511 keV dei fotoni di annichilazione. Lo strumento utilizzato è un nuovo rivelatore a CZT (tellururo di cadmio-zinco), il Kromek GR1, un rivelatore compatto che opera a temperatura ambiente, caratterizzato da una interessante risoluzione energetica e da una efficienza di rivelazione contenuta, quest’ultima adeguata per l’analisi di campioni che hanno un’attività relativamente elevata, come di frequente accade nei siti di produzione dei nuclidi radioattivi. Le misure sperimentali sono state eseguite cercando di ottimizzare ogni passaggio al fine di minimizzare le incertezze, in modo da ottenere una stima accurata del fattore di taratura, secondo una modalità tracciabile ad uno standard accreditato NIST e riproducibile per qualunque altro radioisotopo PET. Potranno quindi essere constatati i fattori di taratura noti di altri radionuclidi e successivamente stimati i fattori per radioisotopi sperimentali anche mediante diversi modelli di calibratori.

Microscopia elettronica di nanoparticelle mg-pd e mg-ti per stoccaggio di idrogeno.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico �è negli ultimi anni uno dei temi in maggior rilievo riguardo la sostenibilit�à energetica, questo per via della sua abbondanza in natura, della sua elevata energia chimica per unità di massa, e della non tossicità dei prodotti della sua combustione. Tuttavia non si conosce ancora una maniera e�fficiente di immagazzinarlo per poterlo utilizzare per applicazioni mobili. In questo lavoro di tesi sono state cresciute, e analizzate mediante microscopia elettronica, nanoparticelle di magnesio decorate con metalli di transizione (Pd e Ti), che si collocano tra i candidati più promettenti per lo stoccaggio di idrogeno a stato solido.

Un algoritmo genetico parallelo per la k-colorabilità

Implementazione mediante librerie MPI di un algoritmo genetico parallelo per risolvere il problema sulla k-colorabilità. La tesi descrive la versione sequenziale dell'algoritmo genetico di riferimento e l'implementazione della sua versione parallela. Vi è una fase di analisi dei risultati ottenuti dai test effettuati su una macchina ad architettura parallela.

Geotermia a bassa entalpia: Validazione dei software applicativi.

Trovare una fonte alternativa ai combustibili fossili non costituisce più una scelta, ma un obbligo. Lo sfruttamento dell’energia geotermica sta diventando una realtà sempre più diffusa, in quanto una forma di energia rinnovabile, pulita, economicamente conveniente, e con una giusta politica energetica potrebbe dare il suo importante contributo all’energia ottenuta da fonte rinnovabile. Ci sono però dei fattori da non sottovalutare, l’installazione e il funzionamento di impianti geotermici per il riscaldamento o raffrescamento di edifici può produrre alterazioni sull’ambiente circostante e nella falda acquifera. Attraverso un attento studio vengono presi in considerazione tutti i fattori che potrebbero provocare un cambiamento dell’equilibrio preesistente, e vengono individuate le soluzioni che permettono la fattibilità del progetto rispettando i parametri imposti dalla legge. Nell’istallazione di sistemi geotermici a bassa entalpia, il principale elemento da tenere sotto osservazione riguarda la previsione e il controllo delle temperature, in modo tale da impedire lo sviluppo di anomalie termiche. Il sistema preso in considerazione in questa tesi è un sistema geotermico open loop: attraverso un pozzo di adduzione viene prelevata acqua direttamente dalla falda acquifera, per il riscaldamento o il raffrescamento di un edificio, e reimmessa, ad una temperatura diversa, attraverso un pozzo di reimmissione. Si valuta l’impatto del sistema nel sottosuolo e le temperature raggiunte a seguito della messa in opera dell’impianto. In particolare, è proposto un modello numerico MODFLOW di un sistema open loop in un acquifero di sabbia e ghiaia, al fine di determinare l’influenza della reimmissione dal punto di vista idrico e termico. I dati risultanti da questo modello saranno confrontati con quelli ottenuti utilizzando un potente software, COMSOL MULTIPHYSICS. Infine si effettua l’analisi e il confronto dei dati ottenuti dai due software nelle diverse configurazioni del sistema e se ne individua la più adatta alle caratteristiche del sito in esame.

La conservazione del documento informatico

Fino a qualche anno fa, la conversione di documenti cartacei in documenti digitali appariva come una vera e propria utopia. Quest’oggi invece pensiamo al digitale di qualsiasi tipologia come fosse un fattore prioritario, scontato ed immediato, da poterlo considerare una vera a propria dipendenza. Mentre una volta i documenti venivano depositati in archivi talvolta rudi e polverosi, spiacevoli da recuperare, sia per tempistiche sia per condizioni, oggi la quotidianità è così frenetica che occorre ottenere tutto in modo tempestivo. Un’ evoluzione socio-culturale ha portato all’elaborazione di tecniche sempre più sofisticate di ottimizzazione nel campo; si parla di “dematerializzazione dei documenti” o “processo di conservazione sostitutiva”, innovazione che ha determinato una vera e propria rivoluzione nella Pubblica Amministrazione, nei rapporti tra privati, nell’Ordinamento Giuridico e nella scienza del diritto, poiché è radicalmente mutata la concezione di “documento” così com’è conosciuto da migliaia di anni, nella sua natura res signata, “cosa “ che riporta informazioni. Il concetto di ”smaterializzazione” non è un’ assoluta novità se si pensa alle transazioni finanziarie di enormi quantità di denaro, che da anni avvengono in tutto il mondo, grazie a “documenti informatici”, senza che passi di mano una sola banconota. Lo scopo di questa tesi è approfondire il processo di conservazione sostitutiva, partendo dalle figure ad esso legate, per poi continuare con le regole tecniche di adozione, la validità probatoria dei documenti informatici, i formati, i metadati utilizzati, e così via.

Operational research applied to regional healthcare system

In this thesis we focus on optimization and simulation techniques applied to solve strategic, tactical and operational problems rising in the healthcare sector. At first we present three applications to Emilia-Romagna Public Health System (SSR) developed in collaboration with Agenzia Sanitaria e Sociale dell'Emilia-Romagna (ASSR), a regional center for innovation and improvement in health. Agenzia launched a strategic campaign aimed at introducing Operations Research techniques as decision making tools to support technological and organizational innovations. The three applications focus on forecast and fund allocation of medical specialty positions, breast screening program extension and operating theater planning. The case studies exploit the potential of combinatorial optimization, discrete event simulation and system dynamics techniques to solve resource constrained problem arising within Emilia-Romagna territory. We then present an application in collaboration with Dipartimento di Epidemiologia del Lazio that focuses on population demand of service allocation to regional emergency departments. Finally, a simulation-optimization approach, developed in collaboration with INESC TECH center of Porto, to evaluate matching policies for the kidney exchange problem is discussed.

Decomposition Methods and Network Design Problems

Decomposition based approaches are recalled from primal and dual point of view. The possibility of building partially disaggregated reduced master problems is investigated. This extends the idea of aggregated-versus-disaggregated formulation to a gradual choice of alternative level of aggregation. Partial aggregation is applied to the linear multicommodity minimum cost flow problem. The possibility of having only partially aggregated bundles opens a wide range of alternatives with different trade-offs between the number of iterations and the required computation for solving it. This trade-off is explored for several sets of instances and the results are compared with the ones obtained by directly solving the natural node-arc formulation. An iterative solution process to the route assignment problem is proposed, based on the well-known Frank Wolfe algorithm. In order to provide a first feasible solution to the Frank Wolfe algorithm, a linear multicommodity min-cost flow problem is solved to optimality by using the decomposition techniques mentioned above. Solutions of this problem are useful for network orientation and design, especially in relation with public transportation systems as the Personal Rapid Transit. A single-commodity robust network design problem is addressed. In this, an undirected graph with edge costs is given together with a discrete set of balance matrices, representing different supply/demand scenarios. The goal is to determine the minimum cost installation of capacities on the edges such that the flow exchange is feasible for every scenario. A set of new instances that are computationally hard for the natural flow formulation are solved by means of a new heuristic algorithm. Finally, an efficient decomposition-based heuristic approach for a large scale stochastic unit commitment problem is presented. The addressed real-world stochastic problem employs at its core a deterministic unit commitment planning model developed by the California Independent System Operator (ISO).