Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time: Implementazione e analisi di un algoritmo autoadattivo per la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche.

Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time. Implementazione e analisi di un algoritmo autoadattivo per la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche.

Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time: Adattamento di un algoritmo di apprendimento automatico per la caratterizzazione e la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche

La tesi da me svolta durante questi ultimi sei mesi è stata sviluppata presso i laboratori di ricerca di IMA S.p.a.. IMA (Industria Macchine Automatiche) è una azienda italiana che naque nel 1961 a Bologna ed oggi riveste il ruolo di leader mondiale nella produzione di macchine automatiche per il packaging di medicinali. Vorrei subito mettere in luce che in tale contesto applicativo l’utilizzo di algoritmi di data-mining risulta essere ostico a causa dei due ambienti in cui mi trovo. Il primo è quello delle macchine automatiche che operano con sistemi in tempo reale dato che non presentano a pieno le risorse di cui necessitano tali algoritmi. Il secondo è relativo alla produzione di farmaci in quanto vige una normativa internazionale molto restrittiva che impone il tracciamento di tutti gli eventi trascorsi durante l’impacchettamento ma che non permette la visione al mondo esterno di questi dati sensibili. Emerge immediatamente l’interesse nell’utilizzo di tali informazioni che potrebbero far affiorare degli eventi riconducibili a un problema della macchina o a un qualche tipo di errore al fine di migliorare l’efficacia e l’efficienza dei prodotti IMA. Lo sforzo maggiore per riuscire ad ideare una strategia applicativa è stata nella comprensione ed interpretazione dei messaggi relativi agli aspetti software. Essendo i dati molti, chiusi, e le macchine con scarse risorse per poter applicare a dovere gli algoritmi di data mining ho provveduto ad adottare diversi approcci in diversi contesti applicativi: • Sistema di identificazione automatica di errore al fine di aumentare di diminuire i tempi di correzione di essi. • Modifica di un algoritmo di letteratura per la caratterizzazione della macchina. La trattazione è così strutturata: • Capitolo 1: descrive la macchina automatica IMA Adapta della quale ci sono stati forniti i vari file di log. Essendo lei l’oggetto di analisi per questo lavoro verranno anche riportati quali sono i flussi di informazioni che essa genera. • Capitolo 2: verranno riportati degli screenshoot dei dati in mio possesso al fine di, tramite un’analisi esplorativa, interpretarli e produrre una formulazione di idee/proposte applicabili agli algoritmi di Machine Learning noti in letteratura. • Capitolo 3 (identificazione di errore): in questo capitolo vengono riportati i contesti applicativi da me progettati al fine di implementare una infrastruttura che possa soddisfare il requisito, titolo di questo capitolo. • Capitolo 4 (caratterizzazione della macchina): definirò l’algoritmo utilizzato, FP-Growth, e mostrerò le modifiche effettuate al fine di poterlo impiegare all’interno di macchine automatiche rispettando i limiti stringenti di: tempo di cpu, memoria, operazioni di I/O e soprattutto la non possibilità di aver a disposizione l’intero dataset ma solamente delle sottoporzioni. Inoltre verranno generati dei DataSet per il testing di dell’algoritmo FP-Growth modificato.

Validazione di un modello real-time di un turboalbero aeronautico

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare e validare un modello del propulsore Allison 250 c18 realizzato in Simulink. In particolare utilizzando i dati provenienti da prove sperimentali effettuate al banco prova del laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Archittetura vengono dapprima create le mappe prestazionali dei singoli componenti. Esse sono poi implementate all'interno del modello in Simulink, realizzato con struttura modulare a blocchi permettendo il modellamento di ogni singolo componente del motore. Successivamente i dati provenienti dalle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali, riscontrando risultati soddisfacenti. In ultimo si riporta brevemente una descrizione della compilazione del modello da utilizzare in una interfaccia LabVIEW per verificarne il funzionamento del modello in real-time.

Sviluppo di un modulo di visualizzazione, memorizzazione e analisi dati in real-time con elevato parallelismo

Progettazione e implementazione dei moduli di visualizzazione, memorizzazione e analisi di un sistema software di acquisizione dati in real-time da dispositivi prodotti da Elements s.r.l. La tesi mostra tutte le fasi di analisi, progettazione, implementazione e testing dei moduli sviluppati.

Modellazione zero-dimensionale del motopropulsore per applicazioni real-time

Descrizione del lavoro svolto nella modellazione zero-dimensionale e ai valori medi di un motopropulsore. Lo scopo finale del modello è un funzionamento HIL.

Protocolli e applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR).

Con il seguente lavoro di tesi si propone un excursus dell’evoluzione della tecnica che ha permesso l’amplificazione del DNA in laboratorio, spiegandone i principi elementari di base. La scoperta che il DNA è il depositario dell’informazione genica ha aperto la strada a una nuova disciplina: la biologia molecolare, dove molte delle tecniche utilizzate limitano le funzioni naturali degli acidi nucleici. Dalla sua introduzione, la tecnologia PCR ha modificato il modo nel quale l’analisi del DNA viene condotta nei laboratori di ricerca e di diagnostica. Con lo scopo di rilevare direttamente sequenze genomiche specifiche in un campione biologico nasce l’esigenza di avere a disposizione metodologie con un’elevata soglia di sensibilità e specificità. Il primo capitolo di questo elaborato introduce la PCR nella sua prima formulazione. A partire da quantità estremamente ridotte di DNA, questa tecnica di amplificazione in vitro, consente di ottenere rapidamente milioni di molecole identiche della sequenza bersaglio di acido nucleico. A seguire, nel secondo capitolo, verrà trattata un’implementazione della PCR: la real-time PCR. La RT-PCR, introduce nuove opportunità poiché rende possibile la misurazione diretta e la quantificazione della reazione mentre è in atto. Con l’utilizzo di molecole fluorescenti che vengono incorporate nel prodotto in formazione o che si intercalano alla doppia elica, si può monitorare la formazione del prodotto di amplificazione in tempo reale seguendone l’assorbimento con un sistema spettrofotometrico, in un sistema automatizzato che provvede anche alle routine della PCR. Nel terzo e ultimo capitolo si analizza una nuova tecnologia recentemente commercializzata: la PCR in formato digitale. Verranno prese in esame essenzialmente due metodologie, la dPCR su chip e la ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction).

Real-time control of an Electrodynamic Shaker

Questa tesi è essenzialmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per uno Shaker Elettrodinamico usato per riprodurre profili di vibrazione ambientale registrati in contesti reali e di interesse per il recupero di energia. Grazie all'utilizzo di uno shaker elettrodinamico è quindi possibile riprodurre scenari di vibrazione reale in laboratorio e valutare più agevolmente le prestazioni dei trasduttori meccanici. Tuttavia, è richiesto un controllo dello Shaker non solo in termini di stabilità ma anche per garantire l'esatta riproduzione del segnale registrato nel contesto reale. In questa tesi, si è scelto di sviluppare un controllo adattivo nel dominio del tempo per garantire la corretta riproduzione del profilo di accelerazione desiderato. L'algoritmo è stato poi implementato sul sistema di prototipazione rapida dSPACE DS1104 basata su microprocessore PowerPC. La natura adattiva dell'algoritmo proposto permette di identificare cambiamenti nella risposta dinamica del sistema, e di regolare di conseguenza i parametri del controllore. Il controllo del sistema è stato ottenuto anteponendo al sistema un filtro adattivo la cui funzione di trasferimento viene continuamente adattata per rappresentare al meglio la funzione di trasferimento inversa del sistema da controllare. Esperimenti in laboratorio confermano l'efficacia del controllo nella riproduzione di segnali reali e in tipici test di sweep frequenziale.

Information Filtering for Ultrasound-based Real-time Registration

This paper presents methods based on Information Filters for solving matching problems with emphasis on real-time, or effectively real-time applications. Both applications discussed in this work deal with ultrasound-based rigid registration in computer-assisted orthopedic surgery. In the first application, the usual workflow of rigid registration is reformulated such that registration algorithms would iterate while the surgeon is acquiring ultrasound images of the anatomy to be operated. Using this effectively real-time approach to registration, the surgeon would then receive feedback in order to better gauge the quality of the final registration outcome. The second application considered in this paper circumvents the need to attach physical markers to bones for anatomical referencing. Experiments using anatomical objects immersed in water are performed in order to evaluate and compare the different methods presented herein, using both 2D as well as real-time 3D ultrasound.

Real-Time Multimodal Retinal Image Registration for a Computer Assisted Laser Photocoagulation System

An algorithm for the real-time registration of a retinal video sequence captured with a scanning digital ophthalmoscope (SDO) to a retinal composite image is presented. This method is designed for a computer-assisted retinal laser photocoagulation system to compensate for retinal motion and hence enhance the accuracy, speed, and patient safety of retinal laser treatments. The procedure combines intensity and feature-based registration techniques. For the registration of an individual frame, the translational frame-to-frame motion between preceding and current frame is detected by normalized cross correlation. Next, vessel points on the current video frame are identified and an initial transformation estimate is constructed from the calculated translation vector and the quadratic registration matrix of the previous frame. The vessel points are then iteratively matched to the segmented vessel centerline of the composite image to refine the initial transformation and register the video frame to the composite image. Criteria for image quality and algorithm convergence are introduced, which assess the exclusion of single frames from the registration process and enable a loss of tracking signal if necessary. The algorithm was successfully applied to ten different video sequences recorded from patients. It revealed an average accuracy of 2.47 ± 2.0 pixels (∼23.2 ± 18.8 μm) for 2764 evaluated video frames and demonstrated that it meets the clinical requirements.

Laboratory-based ROTEM(®) analysis: implementing pneumatic tube transport and real-time graphic transmission

ROTEM(®) is considered a helpful point-of-care device to monitor blood coagulation. Centrally performed analysis is desirable but rapid transport of blood samples and real-time transmission of graphic results are an important prerequisite. The effect of sample transport through a pneumatic tube system on ROTEM(®) results is unknown. The aims of the present work were (i) to determine the influence of blood sample transport through a pneumatic tube system on ROTEM(®) parameters compared to manual transportation, and (ii) to verify whether graphic results can be transmitted on line via virtual network computing using local area network to the physician in charge of the patient.

Increasing Utilization of US Electric Grids via Smart Technologies: Integration of Load Management, Real Time Pricing, Renewables, EVs and Smart Grid Sensors

Electric power grids throughout the world suffer from serious inefficiencies associated with under-utilization due to demand patterns, engineering design and load following approaches in use today. These grids consume much of the world’s energy and represent a large carbon footprint. From material utilization perspectives significant hardware is manufactured and installed for this infrastructure often to be used at less than 20-40% of its operational capacity for most of its lifetime. These inefficiencies lead engineers to require additional grid support and conventional generation capacity additions when renewable technologies (such as solar and wind) and electric vehicles are to be added to the utility demand/supply mix. Using actual data from the PJM [PJM 2009] the work shows that consumer load management, real time price signals, sensors and intelligent demand/supply control offer a compelling path forward to increase the efficient utilization and carbon footprint reduction of the world’s grids. Underutilization factors from many distribution companies indicate that distribution feeders are often operated at only 70-80% of their peak capacity for a few hours per year, and on average are loaded to less than 30-40% of their capability. By creating strong societal connections between consumers and energy providers technology can radically change this situation. Intelligent deployment of smart sensors, smart electric vehicles, consumer-based load management technology very high saturations of intermittent renewable energy supplies can be effectively controlled and dispatched to increase the levels of utilization of existing utility distribution, substation, transmission, and generation equipment. The strengthening of these technology, society and consumer relationships requires rapid dissemination of knowledge (real time prices, costs & benefit sharing, demand response requirements) in order to incentivize behaviors that can increase the effective use of technological equipment that represents one of the largest capital assets modern society has created.

Radio-guided surgery: advantages of a new portable γ-camera (Sentinella(®) ) for intraoperative real time imaging and detection of sentinel lymph nodes in cutaneous malignancies

The histological status of the sentinel lymph node (SLN) is one of the most relevant prognostic factors for the overall survival of patients with cutaneous malignancies, independent of tumour depth of the primary tumour.