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.

Reliable and Variation-Tolerant Interconnection Network for Low Power MPSOCS

Multi-Processor SoC (MPSOC) design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. Scaling down of process technologies has increased process and dynamic variations as well as transistor wearout. Because of this, delay variations increase and impact the performance of the MPSoCs. The interconnect architecture inMPSoCs becomes a single point of failure as it connects all other components of the system together. A faulty processing element may be shut down entirely, but the interconnect architecture must be able to tolerate partial failure and variations and operate with performance, power or latency overhead. This dissertation focuses on techniques at different levels of abstraction to face with the reliability and variability issues in on-chip interconnection networks. By showing the test results of a GALS NoC testchip this dissertation motivates the need for techniques to detect and work around manufacturing faults and process variations in MPSoCs’ interconnection infrastructure. As a physical design technique, we propose the bundle routing framework as an effective way to route the Network on Chips’ global links. For architecture-level design, two cases are addressed: (I) Intra-cluster communication where we propose a low-latency interconnect with variability robustness (ii) Inter-cluster communication where an online functional testing with a reliable NoC configuration are proposed. We also propose dualVdd as an orthogonal way of compensating variability at the post-fabrication stage. This is an alternative strategy with respect to the design techniques, since it enforces the compensation at post silicon stage.

Variability-tolerant High-reliability Multicore Platforms

Next generation electronic devices have to guarantee high performance while being less power-consuming and highly reliable for several application domains ranging from the entertainment to the business. In this context, multicore platforms have proven the most efficient design choice but new challenges have to be faced. The ever-increasing miniaturization of the components produces unexpected variations on technological parameters and wear-out characterized by soft and hard errors. Even though hardware techniques, which lend themselves to be applied at design time, have been studied with the objective to mitigate these effects, they are not sufficient; thus software adaptive techniques are necessary. In this thesis we focus on multicore task allocation strategies to minimize the energy consumption while meeting performance constraints. We firstly devise a technique based on an Integer Linear Problem formulation which provides the optimal solution but cannot be applied on-line since the algorithm it needs is time-demanding; then we propose a sub-optimal technique based on two steps which can be applied on-line. We demonstrate the effectiveness of the latter solution through an exhaustive comparison against the optimal solution, state-of-the-art policies, and variability-agnostic task allocations by running multimedia applications on the virtual prototype of a next generation industrial multicore platform. We also face the problem of the performance and lifetime degradation. We firstly focus on embedded multicore platforms and propose an idleness distribution policy that increases core expected lifetimes by duty cycling their activity; then, we investigate the use of micro thermoelectrical coolers in general-purpose multicore processors to control the temperature of the cores at runtime with the objective of meeting lifetime constraints without performance loss.

A Design Methodology for Computer Security Testing

The field of "computer security" is often considered something in between Art and Science. This is partly due to the lack of widely agreed and standardized methodologies to evaluate the degree of the security of a system. This dissertation intends to contribute to this area by investigating the most common security testing strategies applied nowadays and by proposing an enhanced methodology that may be effectively applied to different threat scenarios with the same degree of effectiveness. Security testing methodologies are the first step towards standardized security evaluation processes and understanding of how the security threats evolve over time. This dissertation analyzes some of the most used identifying differences and commonalities, useful to compare them and assess their quality. The dissertation then proposes a new enhanced methodology built by keeping the best of every analyzed methodology. The designed methodology is tested over different systems with very effective results, which is the main evidence that it could really be applied in practical cases. Most of the dissertation discusses and proves how the presented testing methodology could be applied to such different systems and even to evade security measures by inverting goals and scopes. Real cases are often hard to find in methodology' documents, in contrary this dissertation wants to show real and practical cases offering technical details about how to apply it. Electronic voting systems are the first field test considered, and Pvote and Scantegrity are the two tested electronic voting systems. The usability and effectiveness of the designed methodology for electronic voting systems is proved thanks to this field cases analysis. Furthermore reputation and anti virus engines have also be analyzed with similar results. The dissertation concludes by presenting some general guidelines to build a coordination-based approach of electronic voting systems to improve the security without decreasing the system modularity.

Models for the Study of Cortical Activity During Cognitive ans Motor Tasks

This thesis is mainly devoted to show how EEG data and related phenomena can be reproduced and analyzed using mathematical models of neural masses (NMM). The aim is to describe some of these phenomena, to show in which ways the design of the models architecture is influenced by such phenomena, point out the difficulties of tuning the dozens of parameters of the models in order to reproduce the activity recorded with EEG systems during different kinds of experiments, and suggest some strategies to cope with these problems. In particular the chapters are organized as follows: chapter I gives a brief overview of the aims and issues addressed in the thesis; in chapter II the main characteristics of the cortical column, of the EEG signal and of the neural mass models will be presented, in order to show the relationships that hold between these entities; chapter III describes a study in which a NMM from the literature has been used to assess brain connectivity changes in tetraplegic patients; in chapter IV a modified version of the NMM is presented, which has been developed to overcomes some of the previous version’s intrinsic limitations; chapter V describes a study in which the new NMM has been used to reproduce the electrical activity evoked in the cortex by the transcranial magnetic stimulation (TMS); chapter VI presents some preliminary results obtained in the simulation of the neural rhythms associated with memory recall; finally, some general conclusions are drawn in chapter VII.

Fiber-Optic Technologies for Wireline and Wireless In-building Networks

This doctoral dissertation aims to establish fiber-optic technologies overcoming the limiting issues of data communications in indoor environments. Specific applications are broadband mobile distribution in different in-building scenarios and high-speed digital transmission over short-range wired optical systems. Two key enabling technologies are considered: Radio over Fiber (RoF) techniques over standard silica fibers for distributed antenna systems (DAS) and plastic optical fibers (POFs) for short-range communications. Hence, the objectives and achievements of this thesis are related to the application of RoF and POF technologies in different in-building scenarios. On one hand, a theoretical and experimental analysis combined with demonstration activities has been performed on cost-effective RoF systems. An extensive modeling on modal noise impact both on linear and non-linear characteristics of RoF link over silica multimode fiber has been performed to achieve link design rules for an optimum choice of the transmitter, receiver and launching technique. A successful transmission of Long Term Evolution (LTE) mobile signals on the resulting optimized RoF system over silica multimode fiber employing a Fabry-Perot LD, central launch technique and a photodiode with a built-in ball lens was demonstrated up to 525m with performances well compliant with standard requirements. On the other hand, digital signal processing techniques to overcome the bandwidth limitation of POF have been investigated. An uncoded net bit-rate of 5.15Gbit/s was obtained on a 50m long POF link employing an eye-safe transmitter, a silicon photodiode, and DMT modulation with bit and power loading algorithm. With the insertion of 3x2N quadrature amplitude modulation constellation formats, an uncoded net-bit-rate of 5.4Gbit/s was obtained on a 50 m long POF link employing an eye-safe transmitter and a silicon avalanche photodiode. Moreover, simultaneous transmission of baseband 2Gbit/s with DMT and 200Mbit/s with an ultra-wideband radio signal has been validated over a 50m long POF link.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Metodi e strumenti di business intelligence per i processi di ciclo attivo: un caso di studio in un?azienda di servizi

Relazione tecnica e funzionale, con rimandi teorici disciplinari, riguardo la realizzazione di un sistema informatico su piattaforma Microsoft per l'organizzazione e la fruizione delle informazioni di Ciclo attivo in un'azienda di servizi di grandi dimensioni.

Antropologia ed organizzazione delle imprese creative dell'ICT - Analisi della nascita, ascesa e suicidio organizzativo di un micro-distretto di aziende di comunicazione multimediale

Analisi "dall'interno" del settore della comunicazione multimediale, attraverso l'analisi di un caso aziendale complesso vissuto in prima persona dall'autrice. Il caso tratta di un micro-distretto di aziende della Grafica, del Web e del Multimedia nel suo ciclo di vita dal 1998 al 2003, analizzando le mutazioni del comportamento organizzativo nelle sue differenti fasi di nascita, ascesa e declino. L'obiettivo è quello di identificare i comportamenti organizzativi favorevoli e contrari alla sopravvivenza nel settore, fornendo indicazioni per un corretto comportamento manageriale in un ambito creativo relativo ad una rete di imprese co-specializzate.

Il cloud computing : le esperienze aziendali in un'analisi empirica

Nel ramo della Information Tecnology, recentemente, nascono sistemi informativi adibiti alla gestione di risorse hardware e software distribuite e visualizzate in rete. Uno degli strumenti più utilizzati e commercializzati per l'utilizzo di tale tipo di tecnologie è rappresentato dal cloud computing. Secondo una ricerca del "Il Sole 24 Ore'' in Italia il 25% delle aziende italiane intende adottare il cloud nei prossimi 12 mesi. E' un mercato da 287 milioni di euro nel 2011, +41% sul 2010, e passerà a 394 milioni nel 2012 per poi risalire a 671 nel 2014. Questa tesi si basa su un lavoro di ricerca precedentemente alla stessa in cui ho esaminato esperienze aziendali o riflessioni di queste ultime sull'applicazione e l'utilizzo della tecnologia cloud come modello di business. Il lavoro si è svolto leggendo ed analizzando due quotidiani italiani (Il Corriere della Sera e il Il Sole 24 Ore), un quotidiano inglese (Financial Times) e un settimanale londinese (The Economist) nell'arco di due anni a questa parte. Attraverso l'analisi degli articoli ottenuti è stata redatta una sintesi degli stessi pervenendo ad una riflessione che ha rappresentato lo spunto di tale tesi. Spesso si discuteva di problemi legati al cloud ma solo in pochi articoli vi era presente una vera e propria case history con analisi di eventuali difficoltà o benefici riscontrati. Da questo l'inizio di tale attività che pone l'obbiettivo di capire, in parte, il perché di così tanta riluttanza verso uno strumento che sembra rappresentare la scelta tecnologicamente più appropriata e strategicamente ottimale. Il cuore della ricerca è rappresentato dalle interviste svolte ad alcune aziende in merito all'utilizzo della "nuvola'' nel loro sistema informatico. Questa tesi si suddividerà: -Descrizione storica della nascita e dello sviluppo del cloud computing -Analisi delle tecnologie attualmente esistenti e dei modelli di distribuzione -Opportunità e minacce legate all'utilizzo di tale tecnologia in un ambiente aziendale -Studio ed analisi di alcuni casi aziendali e del ruolo che svolge l'uso del cloud nel proprio modello di business -Valutazione dell'attuale situazione del cloud computing e delle prospettive future legate all'utilizzo della tecnologia in analisi

Algoritmi per la distribuzione dei dati in reti non cablate di sensori

Le reti di sensori non cablate producono una grande quantità di informazioni sotto forma di flusso continuo di dati, provenienti da una certa area fisica. Individualmente, ogni sensore è autonomo, dotato di batteria limitata e possiede una piccola antenna per la comunicazione; collettivamente, i sensori cooperano su un’ area più o meno vasta per far giungere i dati gene- rati ad un unità centrale. Poiché la sostituzione delle batterie è spesso un operazione troppo costosa o inattuabile, l’efficienza energetica è considerata una metrica prioritaria durante la progettazione delle reti di sensori non cablate. Si richiede non solo di ridurre le richieste energetiche di ogni singolo nodo, ma anche di massimizzare il tempo di vita dell’intera rete, considerando i costi di comunicazione tra sensori. Ciò ha portato allo studio di come rimuo- vere le inefficienze energetiche sotto ogni aspetto: dalla piattaforma hardware, al software di base, ai protocolli di comunicazione al software applicativo. Nella tesi è illustrata una tecnica per il risparmio energetico che consiste nell’applicare memorie fisiche ad alcuni nodi della rete, in modo da accumulare in esse porzioni dei dati ge- nerati; successivamente le informazioni possono essere recuperate dall’unità centrale tramite interrogazioni. Questo permette di ridurre il numero di dati trasmessi, e conseguentemente diminuire l’assorbimento energetico della rete. Scopo della presente tesi è individuare algo- ritmi per determinare la disposizione ottima delle memorie tra i nodi.