Application-oriented Mixed Integer Non-Linear Programming

In the most recent years there is a renovate interest for Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) problems. This can be explained for different reasons: (i) the performance of solvers handling non-linear constraints was largely improved; (ii) the awareness that most of the applications from the real-world can be modeled as an MINLP problem; (iii) the challenging nature of this very general class of problems. It is well-known that MINLP problems are NP-hard because they are the generalization of MILP problems, which are NP-hard themselves. However, MINLPs are, in general, also hard to solve in practice. We address to non-convex MINLPs, i.e. having non-convex continuous relaxations: the presence of non-convexities in the model makes these problems usually even harder to solve. The aim of this Ph.D. thesis is to give a flavor of different possible approaches that one can study to attack MINLP problems with non-convexities, with a special attention to real-world problems. In Part 1 of the thesis we introduce the problem and present three special cases of general MINLPs and the most common methods used to solve them. These techniques play a fundamental role in the resolution of general MINLP problems. Then we describe algorithms addressing general MINLPs. Parts 2 and 3 contain the main contributions of the Ph.D. thesis. In particular, in Part 2 four different methods aimed at solving different classes of MINLP problems are presented. Part 3 of the thesis is devoted to real-world applications: two different problems and approaches to MINLPs are presented, namely Scheduling and Unit Commitment for Hydro-Plants and Water Network Design problems. The results show that each of these different methods has advantages and disadvantages. Thus, typically the method to be adopted to solve a real-world problem should be tailored on the characteristics, structure and size of the problem. Part 4 of the thesis consists of a brief review on tools commonly used for general MINLP problems, constituted an integral part of the development of this Ph.D. thesis (especially the use and development of open-source software). We present the main characteristics of solvers for each special case of MINLP.

Specification and Verification of Declarative Open Interaction Models - A Logic-based framework

The advent of distributed and heterogeneous systems has laid the foundation for the birth of new architectural paradigms, in which many separated and autonomous entities collaborate and interact to the aim of achieving complex strategic goals, impossible to be accomplished on their own. A non exhaustive list of systems targeted by such paradigms includes Business Process Management, Clinical Guidelines and Careflow Protocols, Service-Oriented and Multi-Agent Systems. It is largely recognized that engineering these systems requires novel modeling techniques. In particular, many authors are claiming that an open, declarative perspective is needed to complement the closed, procedural nature of the state of the art specification languages. For example, the ConDec language has been recently proposed to target the declarative and open specification of Business Processes, overcoming the over-specification and over-constraining issues of classical procedural approaches. On the one hand, the success of such novel modeling languages strongly depends on their usability by non-IT savvy: they must provide an appealing, intuitive graphical front-end. On the other hand, they must be prone to verification, in order to guarantee the trustworthiness and reliability of the developed model, as well as to ensure that the actual executions of the system effectively comply with it. In this dissertation, we claim that Computational Logic is a suitable framework for dealing with the specification, verification, execution, monitoring and analysis of these systems. We propose to adopt an extended version of the ConDec language for specifying interaction models with a declarative, open flavor. We show how all the (extended) ConDec constructs can be automatically translated to the CLIMB Computational Logic-based language, and illustrate how its corresponding reasoning techniques can be successfully exploited to provide support and verification capabilities along the whole life cycle of the targeted systems.

Implementation of a non ground meta interpreter for defeasible logic

Human reasoning is a fascinating and complex cognitive process that can be applied in different research areas such as philosophy, psychology, laws and financial. Unfortunately, developing supporting software (to those different areas) able to cope such as complex reasoning it’s difficult and requires a suitable logic abstract formalism. In this thesis we aim to develop a program, that has the job to evaluate a theory (a set of rules) w.r.t. a Goal, and provide some results such as “The Goal is derivable from the KB5 (of the theory)”. In order to achieve this goal we need to analyse different logics and choose the one that best meets our needs. In logic, usually, we try to determine if a given conclusion is logically implied by a set of assumptions T (theory). However, when we deal with programming logic we need an efficient algorithm in order to find such implications. In this work we use a logic rather similar to human logic. Indeed, human reasoning requires an extension of the first order logic able to reach a conclusion depending on not definitely true6 premises belonging to a incomplete set of knowledge. Thus, we implemented a defeasible logic7 framework able to manipulate defeasible rules. Defeasible logic is a non-monotonic logic designed for efficient defeasible reasoning by Nute (see Chapter 2). Those kind of applications are useful in laws area especially if they offer an implementation of an argumentation framework that provides a formal modelling of game. Roughly speaking, let the theory is the set of laws, a keyclaim is the conclusion that one of the party wants to prove (and the other one wants to defeat) and adding dynamic assertion of rules, namely, facts putted forward by the parties, then, we can play an argumentative challenge between two players and decide if the conclusion is provable or not depending on the different strategies performed by the players. Implementing a game model requires one more meta-interpreter able to evaluate the defeasible logic framework; indeed, according to Göedel theorem (see on page 127), we cannot evaluate the meaning of a language using the tools provided by the language itself, but we need a meta-language able to manipulate the object language8. Thus, rather than a simple meta-interpreter, we propose a Meta-level containing different Meta-evaluators. The former has been explained above, the second one is needed to perform the game model, and the last one will be used to change game execution and tree derivation strategies.

Rassegna dei framework per lo sviluppo di applicazioni mobili

Lo stato attuale del mercato continua a dimostrare come l'interesse del pubblico verso i dispositivi mobili sia in costante crescita; se fino a pochi anni fa il termine smartphone era ai piu' privo di significato, ora e' abbastanza comune per giovani e adulti essere concentrati su piccoli dispositivi dove si possono contattare i clienti via e-mail, verificare lo stato di avanzamento dei processi aziendali, consultare il web e cosi' via. L'obiettivo di questa tesi e' introdurre l'utilizzo di diverse tipologie di framework, prendendo come riferimento i sistemi operativi per i dispositivi mobili e quello di presentare soluzioni (attraverso i framework) per lo sviluppo di applicazioni mobili su diverse piattaforme software.

Packet Level Coding for Mobile Broadcasting

The thesis deals with channel coding theory applied to upper layers in the protocol stack of a communication link and it is the outcome of four year research activity. A specific aspect of this activity has been the continuous interaction between the natural curiosity related to the academic blue-sky research and the system oriented design deriving from the collaboration with European industry in the framework of European funded research projects. In this dissertation, the classical channel coding techniques, that are traditionally applied at physical layer, find their application at upper layers where the encoding units (symbols) are packets of bits and not just single bits, thus explaining why such upper layer coding techniques are usually referred to as packet layer coding. The rationale behind the adoption of packet layer techniques is in that physical layer channel coding is a suitable countermeasure to cope with small-scale fading, while it is less efficient against large-scale fading. This is mainly due to the limitation of the time diversity inherent in the necessity of adopting a physical layer interleaver of a reasonable size so as to avoid increasing the modem complexity and the latency of all services. Packet layer techniques, thanks to the longer codeword duration (each codeword is composed of several packets of bits), have an intrinsic longer protection against long fading events. Furthermore, being they are implemented at upper layer, Packet layer techniques have the indisputable advantages of simpler implementations (very close to software implementation) and of a selective applicability to different services, thus enabling a better matching with the service requirements (e.g. latency constraints). Packet coding technique improvement has been largely recognized in the recent communication standards as a viable and efficient coding solution: Digital Video Broadcasting standards, like DVB-H, DVB-SH, and DVB-RCS mobile, and 3GPP standards (MBMS) employ packet coding techniques working at layers higher than the physical one. In this framework, the aim of the research work has been the study of the state-of-the-art coding techniques working at upper layer, the performance evaluation of these techniques in realistic propagation scenario, and the design of new coding schemes for upper layer applications. After a review of the most important packet layer codes, i.e. Reed Solomon, LDPC and Fountain codes, in the thesis focus our attention on the performance evaluation of ideal codes (i.e. Maximum Distance Separable codes) working at UL. In particular, we analyze the performance of UL-FEC techniques in Land Mobile Satellite channels. We derive an analytical framework which is a useful tool for system design allowing to foresee the performance of the upper layer decoder. We also analyze a system in which upper layer and physical layer codes work together, and we derive the optimal splitting of redundancy when a frequency non-selective slowly varying fading channel is taken into account. The whole analysis is supported and validated through computer simulation. In the last part of the dissertation, we propose LDPC Convolutional Codes (LDPCCC) as possible coding scheme for future UL-FEC application. Since one of the main drawbacks related to the adoption of packet layer codes is the large decoding latency, we introduce a latency-constrained decoder for LDPCCC (called windowed erasure decoder). We analyze the performance of the state-of-the-art LDPCCC when our decoder is adopted. Finally, we propose a design rule which allows to trade-off performance and latency.

Architectures and design patterns for functional design of logic control and diagnostics in industrial automation

Recently in most of the industrial automation process an ever increasing degree of automation has been observed. This increasing is motivated by the higher requirement of systems with great performance in terms of quality of products/services generated, productivity, efficiency and low costs in the design, realization and maintenance. This trend in the growth of complex automation systems is rapidly spreading over automated manufacturing systems (AMS), where the integration of the mechanical and electronic technology, typical of the Mechatronics, is merging with other technologies such as Informatics and the communication networks. An AMS is a very complex system that can be thought constituted by a set of flexible working stations, one or more transportation systems. To understand how this machine are important in our society let considerate that every day most of us use bottles of water or soda, buy product in box like food or cigarets and so on. Another important consideration from its complexity derive from the fact that the the consortium of machine producers has estimated around 350 types of manufacturing machine. A large number of manufacturing machine industry are presented in Italy and notably packaging machine industry,in particular a great concentration of this kind of industry is located in Bologna area; for this reason the Bologna area is called “packaging valley”. Usually, the various parts of the AMS interact among them in a concurrent and asynchronous way, and coordinate the parts of the machine to obtain a desiderated overall behaviour is an hard task. Often, this is the case in large scale systems, organized in a modular and distributed manner. Even if the success of a modern AMS from a functional and behavioural point of view is still to attribute to the design choices operated in the definition of the mechanical structure and electrical electronic architecture, the system that governs the control of the plant is becoming crucial, because of the large number of duties associated to it. Apart from the activity inherent to the automation of themachine cycles, the supervisory system is called to perform other main functions such as: emulating the behaviour of traditional mechanical members thus allowing a drastic constructive simplification of the machine and a crucial functional flexibility; dynamically adapting the control strategies according to the different productive needs and to the different operational scenarios; obtaining a high quality of the final product through the verification of the correctness of the processing; addressing the operator devoted to themachine to promptly and carefully take the actions devoted to establish or restore the optimal operating conditions; managing in real time information on diagnostics, as a support of the maintenance operations of the machine. The kind of facilities that designers can directly find on themarket, in terms of software component libraries provides in fact an adequate support as regard the implementation of either top-level or bottom-level functionalities, typically pertaining to the domains of user-friendly HMIs, closed-loop regulation and motion control, fieldbus-based interconnection of remote smart devices. What is still lacking is a reference framework comprising a comprehensive set of highly reusable logic control components that, focussing on the cross-cutting functionalities characterizing the automation domain, may help the designers in the process of modelling and structuring their applications according to the specific needs. Historically, the design and verification process for complex automated industrial systems is performed in empirical way, without a clear distinction between functional and technological-implementation concepts and without a systematic method to organically deal with the complete system. Traditionally, in the field of analog and digital control design and verification through formal and simulation tools have been adopted since a long time ago, at least for multivariable and/or nonlinear controllers for complex time-driven dynamics as in the fields of vehicles, aircrafts, robots, electric drives and complex power electronics equipments. Moving to the field of logic control, typical for industrial manufacturing automation, the design and verification process is approached in a completely different way, usually very “unstructured”. No clear distinction between functions and implementations, between functional architectures and technological architectures and platforms is considered. Probably this difference is due to the different “dynamical framework”of logic control with respect to analog/digital control. As a matter of facts, in logic control discrete-events dynamics replace time-driven dynamics; hence most of the formal and mathematical tools of analog/digital control cannot be directly migrated to logic control to enlighten the distinction between functions and implementations. In addition, in the common view of application technicians, logic control design is strictly connected to the adopted implementation technology (relays in the past, software nowadays), leading again to a deep confusion among functional view and technological view. In Industrial automation software engineering, concepts as modularity, encapsulation, composability and reusability are strongly emphasized and profitably realized in the so-calledobject-oriented methodologies. Industrial automation is receiving lately this approach, as testified by some IEC standards IEC 611313, IEC 61499 which have been considered in commercial products only recently. On the other hand, in the scientific and technical literature many contributions have been already proposed to establish a suitable modelling framework for industrial automation. During last years it was possible to note a considerable growth in the exploitation of innovative concepts and technologies from ICT world in industrial automation systems. For what concerns the logic control design, Model Based Design (MBD) is being imported in industrial automation from software engineering field. Another key-point in industrial automated systems is the growth of requirements in terms of availability, reliability and safety for technological systems. In other words, the control system should not only deal with the nominal behaviour, but should also deal with other important duties, such as diagnosis and faults isolations, recovery and safety management. Indeed, together with high performance, in complex systems fault occurrences increase. This is a consequence of the fact that, as it typically occurs in reliable mechatronic systems, in complex systems such as AMS, together with reliable mechanical elements, an increasing number of electronic devices are also present, that are more vulnerable by their own nature. The diagnosis problem and the faults isolation in a generic dynamical system consists in the design of an elaboration unit that, appropriately processing the inputs and outputs of the dynamical system, is also capable of detecting incipient faults on the plant devices, reconfiguring the control system so as to guarantee satisfactory performance. The designer should be able to formally verify the product, certifying that, in its final implementation, it will perform itsrequired function guarantying the desired level of reliability and safety; the next step is that of preventing faults and eventually reconfiguring the control system so that faults are tolerated. On this topic an important improvement to formal verification of logic control, fault diagnosis and fault tolerant control results derive from Discrete Event Systems theory. The aimof this work is to define a design pattern and a control architecture to help the designer of control logic in industrial automated systems. The work starts with a brief discussion on main characteristics and description of industrial automated systems on Chapter 1. In Chapter 2 a survey on the state of the software engineering paradigm applied to industrial automation is discussed. Chapter 3 presentes a architecture for industrial automated systems based on the new concept of Generalized Actuator showing its benefits, while in Chapter 4 this architecture is refined using a novel entity, the Generalized Device in order to have a better reusability and modularity of the control logic. In Chapter 5 a new approach will be present based on Discrete Event Systems for the problemof software formal verification and an active fault tolerant control architecture using online diagnostic. Finally conclusive remarks and some ideas on new directions to explore are given. In Appendix A are briefly reported some concepts and results about Discrete Event Systems which should help the reader in understanding some crucial points in chapter 5; while in Appendix B an overview on the experimental testbed of the Laboratory of Automation of University of Bologna, is reported to validated the approach presented in chapter 3, chapter 4 and chapter 5. In Appendix C some components model used in chapter 5 for formal verification are reported.

Sviluppo di modelli motore e veicolo per l'analisi di strategie di controllo in applicazioni Software e Hardware In the Loop

This work describes the development of a simulation tool which allows the simulation of the Internal Combustion Engine (ICE), the transmission and the vehicle dynamics. It is a control oriented simulation tool, designed in order to perform both off-line (Software In the Loop) and on-line (Hardware In the Loop) simulation. In the first case the simulation tool can be used in order to optimize Engine Control Unit strategies (as far as regard, for example, the fuel consumption or the performance of the engine), while in the second case it can be used in order to test the control system. In recent years the use of HIL simulations has proved to be very useful in developing and testing of control systems. Hardware In the Loop simulation is a technology where the actual vehicles, engines or other components are replaced by a real time simulation, based on a mathematical model and running in a real time processor. The processor reads ECU (Engine Control Unit) output signals which would normally feed the actuators and, by using mathematical models, provides the signals which would be produced by the actual sensors. The simulation tool, fully designed within Simulink, includes the possibility to simulate the only engine, the transmission and vehicle dynamics and the engine along with the vehicle and transmission dynamics, allowing in this case to evaluate the performance and the operating conditions of the Internal Combustion Engine, once it is installed on a given vehicle. Furthermore the simulation tool includes different level of complexity, since it is possible to use, for example, either a zero-dimensional or a one-dimensional model of the intake system (in this case only for off-line application, because of the higher computational effort). Given these preliminary remarks, an important goal of this work is the development of a simulation environment that can be easily adapted to different engine types (single- or multi-cylinder, four-stroke or two-stroke, diesel or gasoline) and transmission architecture without reprogramming. Also, the same simulation tool can be rapidly configured both for off-line and real-time application. The Matlab-Simulink environment has been adopted to achieve such objectives, since its graphical programming interface allows building flexible and reconfigurable models, and real-time simulation is possible with standard, off-the-shelf software and hardware platforms (such as dSPACE systems).

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

COBAMOS: Endnutzerprogrammierung auf Basis nachrichtenbasierter Komponentenvernetzung

Die Aufgabenstellung, welche dieser Dissertation zugrunde liegt, lässt sich kurz als die Untersuchung von komponentenbasierten Konzepten zum Einsatz in der Softwareentwicklung durch Endanwender beschreiben. In den letzten 20 bis 30 Jahren hat sich das technische Umfeld, in dem ein Großteil der Arbeitnehmer seine täglichen Aufgaben verrichtet, grundlegend verändert. Der Computer, früher in Form eines Großrechners ausschließlich die Domäne von Spezialisten, ist nun ein selbstverständlicher Bestandteil der täglichen Arbeit. Der Umgang mit Anwendungsprogrammen, die dem Nutzer erlauben in einem gewissen Rahmen neue, eigene Funktionalität zu definieren, ist in vielen Bereichen so selbstverständlich, dass viele dieser Tätigkeiten nicht bewusst als Programmieren wahrgenommen werden. Da diese Nutzer nicht notwendigerweise in der Entwicklung von Software ausgebildet sind, benötigen sie entsprechende Unterstützung bei diesen Tätigkeiten. Dies macht deutlich, welche praktische Relevanz die Untersuchungen in diesem Bereich haben. Zur Erstellung eines Programmiersystems für Endanwender wird zunächst ein flexibler Anwendungsrahmen entwickelt, welcher sich als Basis zur Erstellung solcher Systeme eignet. In Softwareprojekten sind sich ändernde Anforderungen und daraus resultierende Notwendigkeiten ein wichtiger Aspekt. Dies wird im Entwurf des Frameworks durch Konzepte zur Bereitstellung von wieder verwendbarer Funktionalität durch das Framework und Möglichkeiten zur Anpassung und Erweiterung der vorhandenen Funktionalität berücksichtigt. Hier ist zum einen der Einsatz einer serviceorientierten Architektur innerhalb der Anwendung und zum anderen eine komponentenorientierte Variante des Kommando-Musters zu nennen. Zum anderen wird ein Konzept zur Kapselung von Endnutzerprogrammiermodellen in Komponenten erarbeitet. Dieser Ansatz ermöglicht es, unterschiedliche Modelle als Grundlage der entworfenen Entwicklungsumgebung zu verwenden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird ein Programmiermodell entworfen und unter Verwendung des zuvor genannten Frameworks implementiert. Damit dieses zur Nutzung durch Endanwender geeignet ist, ist eine Anhebung der zur Beschreibung eines Softwaresystems verwendeten Abstraktionsebene notwendig. Dies wird durch die Verwendung von Komponenten und einem nachrichtenbasierten Kompositionsmechanismus erreicht. Die vorgenommene Realisierung ist dabei noch nicht auf konkrete Anwendungsfamilien bezogen, diese Anpassungen erfolgen in einem weiteren Schritt für zwei unterschiedliche Anwendungsbereiche.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

Hardware/Software Design of Dynamic Real-Time Schedulers for Embedded Multiprocessor Systems

The new generation of multicore processors opens new perspectives for the design of embedded systems. Multiprocessing, however, poses new challenges to the scheduling of real-time applications, in which the ever-increasing computational demands are constantly flanked by the need of meeting critical time constraints. Many research works have contributed to this field introducing new advanced scheduling algorithms. However, despite many of these works have solidly demonstrated their effectiveness, the actual support for multiprocessor real-time scheduling offered by current operating systems is still very limited. This dissertation deals with implementative aspects of real-time schedulers in modern embedded multiprocessor systems. The first contribution is represented by an open-source scheduling framework, which is capable of realizing complex multiprocessor scheduling policies, such as G-EDF, on conventional operating systems exploiting only their native scheduler from user-space. A set of experimental evaluations compare the proposed solution to other research projects that pursue the same goals by means of kernel modifications, highlighting comparable scheduling performances. The principles that underpin the operation of the framework, originally designed for symmetric multiprocessors, have been further extended first to asymmetric ones, which are subjected to major restrictions such as the lack of support for task migrations, and later to re-programmable hardware architectures (FPGAs). In the latter case, this work introduces a scheduling accelerator, which offloads most of the scheduling operations to the hardware and exhibits extremely low scheduling jitter. The realization of a portable scheduling framework presented many interesting software challenges. One of these has been represented by timekeeping. In this regard, a further contribution is represented by a novel data structure, called addressable binary heap (ABH). Such ABH, which is conceptually a pointer-based implementation of a binary heap, shows very interesting average and worst-case performances when addressing the problem of tick-less timekeeping of high-resolution timers.

Development of control-oriented models of Dual Clutch Transmission systems

A control-oriented model of a Dual Clutch Transmission was developed for real-time Hardware In the Loop (HIL) applications, to support model-based development of the DCT controller. The model is an innovative attempt to reproduce the fast dynamics of the actuation system while maintaining a step size large enough for real-time applications. The model comprehends a detailed physical description of hydraulic circuit, clutches, synchronizers and gears, and simplified vehicle and internal combustion engine sub-models. As the oil circulating in the system has a large bulk modulus, the pressure dynamics are very fast, possibly causing instability in a real-time simulation; the same challenge involves the servo valves dynamics, due to the very small masses of the moving elements. Therefore, the hydraulic circuit model has been modified and simplified without losing physical validity, in order to adapt it to the real-time simulation requirements. The results of offline simulations have been compared to on-board measurements to verify the validity of the developed model, that was then implemented in a HIL system and connected to the TCU (Transmission Control Unit). Several tests have been performed: electrical failure tests on sensors and actuators, hydraulic and mechanical failure tests on hydraulic valves, clutches and synchronizers, and application tests comprehending all the main features of the control performed by the TCU. Being based on physical laws, in every condition the model simulates a plausible reaction of the system. The first intensive use of the HIL application led to the validation of the new safety strategies implemented inside the TCU software. A test automation procedure has been developed to permit the execution of a pattern of tests without the interaction of the user; fully repeatable tests can be performed for non-regression verification, allowing the testing of new software releases in fully automatic mode.