Ottimizzazione delle reti di distribuzione idrica tramite algoritmi genetici multi-obiettivo

Water distribution networks optimization is a challenging problem due to the dimension and the complexity of these systems. Since the last half of the twentieth century this field has been investigated by many authors. Recently, to overcome discrete nature of variables and non linearity of equations, the research has been focused on the development of heuristic algorithms. This algorithms do not require continuity and linearity of the problem functions because they are linked to an external hydraulic simulator that solve equations of mass continuity and of energy conservation of the network. In this work, a NSGA-II (Non-dominating Sorting Genetic Algorithm) has been used. This is a heuristic multi-objective genetic algorithm based on the analogy of evolution in nature. Starting from an initial random set of solutions, called population, it evolves them towards a front of solutions that minimize, separately and contemporaneously, all the objectives. This can be very useful in practical problems where multiple and discordant goals are common. Usually, one of the main drawback of these algorithms is related to time consuming: being a stochastic research, a lot of solutions must be analized before good ones are found. Results of this thesis about the classical optimal design problem shows that is possible to improve results modifying the mathematical definition of objective functions and the survival criterion, inserting good solutions created by a Cellular Automata and using rules created by classifier algorithm (C4.5). This part has been tested using the version of NSGA-II supplied by Centre for Water Systems (University of Exeter, UK) in MATLAB® environment. Even if orientating the research can constrain the algorithm with the risk of not finding the optimal set of solutions, it can greatly improve the results. Subsequently, thanks to CINECA help, a version of NSGA-II has been implemented in C language and parallelized: results about the global parallelization show the speed up, while results about the island parallelization show that communication among islands can improve the optimization. Finally, some tests about the optimization of pump scheduling have been carried out. In this case, good results are found for a small network, while the solutions of a big problem are affected by the lack of constraints on the number of pump switches. Possible future research is about the insertion of further constraints and the evolution guide. In the end, the optimization of water distribution systems is still far from a definitive solution, but the improvement in this field can be very useful in reducing the solutions cost of practical problems, where the high number of variables makes their management very difficult from human point of view.

Progetto di reti Sensori Wireless e tecniche di Fusione Sensoriale

Ambient Intelligence (AmI) envisions a world where smart, electronic environments are aware and responsive to their context. People moving into these settings engage many computational devices and systems simultaneously even if they are not aware of their presence. AmI stems from the convergence of three key technologies: ubiquitous computing, ubiquitous communication and natural interfaces. The dependence on a large amount of fixed and mobile sensors embedded into the environment makes of Wireless Sensor Networks one of the most relevant enabling technologies for AmI. WSN are complex systems made up of a number of sensor nodes, simple devices that typically embed a low power computational unit (microcontrollers, FPGAs etc.), a wireless communication unit, one or more sensors and a some form of energy supply (either batteries or energy scavenger modules). Low-cost, low-computational power, low energy consumption and small size are characteristics that must be taken into consideration when designing and dealing with WSNs. In order to handle the large amount of data generated by a WSN several multi sensor data fusion techniques have been developed. The aim of multisensor data fusion is to combine data to achieve better accuracy and inferences than could be achieved by the use of a single sensor alone. In this dissertation we present our results in building several AmI applications suitable for a WSN implementation. The work can be divided into two main areas: Multimodal Surveillance and Activity Recognition. Novel techniques to handle data from a network of low-cost, low-power Pyroelectric InfraRed (PIR) sensors are presented. Such techniques allow the detection of the number of people moving in the environment, their direction of movement and their position. We discuss how a mesh of PIR sensors can be integrated with a video surveillance system to increase its performance in people tracking. Furthermore we embed a PIR sensor within the design of a Wireless Video Sensor Node (WVSN) to extend its lifetime. Activity recognition is a fundamental block in natural interfaces. A challenging objective is to design an activity recognition system that is able to exploit a redundant but unreliable WSN. We present our activity in building a novel activity recognition architecture for such a dynamic system. The architecture has a hierarchical structure where simple nodes performs gesture classification and a high level meta classifiers fuses a changing number of classifier outputs. We demonstrate the benefit of such architecture in terms of increased recognition performance, and fault and noise robustness. Furthermore we show how we can extend network lifetime by performing a performance-power trade-off. Smart objects can enhance user experience within smart environments. We present our work in extending the capabilities of the Smart Micrel Cube (SMCube), a smart object used as tangible interface within a tangible computing framework, through the development of a gesture recognition algorithm suitable for this limited computational power device. Finally the development of activity recognition techniques can greatly benefit from the availability of shared dataset. We report our experience in building a dataset for activity recognition. Such dataset is freely available to the scientific community for research purposes and can be used as a testbench for developing, testing and comparing different activity recognition techniques.

Una rassegna di protocolli di routing per reti radio cognitive ad hoc

Questa tesi si propone di presentare e classificare per caratteristiche simili i protocolli di routing che ad oggi sono utilizzati nelle Cognitive Radio Ad Hoc Networks. Pertanto dapprima nel Capitolo 1 si introdurranno le radio cognitive con i concetti che sono alla base di questa tecnologia e le principali motivazioni che hanno portato alla loro nascita e poi al loro sviluppo. Nel Capitolo 2 si parlerà delle cognitive networks o meglio delle cognitive radio networks, e delle loro peculiarità. Nel terzo e nel quarto capitolo si affronteranno le CRAHNs e in particolare quali sono le sfide a cui devono far fronte i protocolli di routing che operano su di essa, partendo dall'esaminare quali sono le differenze che distinguono questa tipologia di rete da una classica rete wireless ad hoc con nodi in grado di muoversi nello spazio (una MANET). Infine nell'ultimo capitolo si cercherà di classificare i protocolli in base ad alcune loro caratteristiche, vedendo poi più nel dettaglio alcuni tra i protocolli più usati.

Progetto e valutazione di un protocollo MAC per reti wireless ad-hoc

Per dare supporto al traffico multimediale in una rete totalmente distribuita come le reti ad-hoc, il protocollo MAC deve fornire garanzie di QoS. L'IEEE ha sviluppato un standard per supportare le QoS chiamato 802.11e, facente parte della famiglia 802.11. Per dare supporto al QoS viene proposto un nuovo protocollo chiamato PAB che consiste in un accesso al canale preceduto da una serie di invii di burst, inviati alla stessa frequenza dei dati, che inibiscono la trasmissione di stazioni avente minore priorità. Lo scopo di questo protocollo è fornire servizi QoS, evitare starvation e fornire un accesso equo tra le stazioni.

Area archeologica di Classe : memoria e identità di un luogo sepolto

Il progetto è incentrato sulla riqualificazione dell’area occupata dai vecchi stabilimenti dell’Eridania a Forlì risalenti al 1900, ora di proprietà della Cooperativa Muratori di Verucchio. L’area è situata in una zona a Nord del centro storico, adiacente alla linea ferroviaria. Attualmente verte in stato di forte abbandono dal 1973, anno della chiusura dello stabilimento: è la più vasta area dismessa in prossimità del centro storico, una ferita aperta nel cuore della città. Le dimensioni e la vicinanza al centro cittadino costituiscono il maggiore potenziale dell’area che si presta per questo all’introduzione di funzioni di pubblico interesse, spazi per la cultura e lo svago, edifici residenziali e commerciali; inoltre, essendo caratterizzata da una prevalenza di spazi verdi, nasce spontanea l’ipotesi di un nuovo grande parco urbano al servizio della comunità. Oltre al valore dell’area è da sottolineare il pregio architettonico di alcuni degli edifici che possiamo considerare come grandiosi esempi di archeologia industriale. Gli edifici, attualmente, versano in un notevole stato di degrado dovuto all’abbandono dello stabilimento e al grave incendio che nel 1989 ha distrutto i capannoni di deposito, risparmiando però il corpo principale dell’intervento. Nonostante ciò, gli edifici hanno conservato pressoché intatta la loro struttura e, di conseguenza, l’immagine originaria nel suo complesso. È quindi possibile ipotizzarne il mantenimento, una volta effettuati i necessari interventi di consolidamento strutturale e ristrutturazione architettonica. Il progetto di recupero dell’area nasce quindi da un’esigenza concreta e fortemente sentita dalla cittadinanza. Si deve inoltre considerare che, senza un intervento tempestivo, si va incontro all’aggravamento dello stato delle strutture superstiti, fino ad un possibile collasso, rischiando così di perdere definitivamente un prezioso bene del patrimonio architettonico della città. Il dibattito sull’ex Eridania e le sue possibilità di trasformazione si è riacceso negli ultimi anni, soprattutto in seguito all’incendio dell’89. In particolare, il PRG di Forlì del 2003, successivamente adeguato alla legge regionale 20/2000 nel 2007, definisce un nuovo piano di riqualificazione per le aree dismesse e le aree ferroviarie, con nuovi contenuti e procedure d’intervento. Nel 2008 la Cooperativa Muratori di Verucchio, proprietaria dell’area e degli stabilimenti, ha proposto un accordo di programma che prevedeva per il corpo centrale dello zuccherificio la destinazione a caserma delle forze dell’ordine, e per gli spazi circostanti la costruzione di case popolari, di un centro sportivo, di residenze private, edifici per uffici e negozi, oltre al mantenimento di ampie aree verdi. Il progetto non è stato finora realizzato a causa degli alti costi d’intervento per la messa in sicurezza degli edifici preesistenti. Nello steso anno l’associazione Italia Nostra ha proposto l’organizzazione di un concorso di idee per il recupero dell’area, ipotizzando per lo stabilimento principale la trasformazione in un ampio spazio coperto, aperto a diverse e numerose possibilità di destinazione rivolte alla collettività. Gli alti costi di recupero, insieme all’immobilismo amministrativo e ai limiti legati a una burocrazia complessa, e spesso inefficace, hanno finora invalidato qualsiasi tipo d’intervento e, ad oggi, la questione del riutilizzo dello zuccherificio rimane una domanda aperta ancora senza risposta. E’ quindi importante continuare ad interrogarsi sul futuro dell’area progredendo, se non con fatti concreti, con nuove idee e proposte, in attesa che si creino le condizioni necessarie ad intervenire e ridare alla città una parte di sé, arricchita di nuovo valore.

Testo e memoria tra semiotica e scienze cognitive: una situazione sperimentale intorno al ricordo di un film

The research project presented in this dissertation is about text and memory. The title of the work is "Text and memory between Semiotics and Cognitive Science: an experimental setting about remembering a movie". The object of the research is the relationship between texts or "textuality" - using a more general semiotic term - and memory. The goal is to analyze the link between those semiotic artifacts that a culture defines as autonomous meaningful objects - namely texts - and the cognitive performance of memory that allows to remember them. An active dialogue between Semiotics and Cognitive Science is the theoretical paradigm in which this research is set, the major intend is to establish a productive alignment between the "theory of text" developed in Semiotics and the "theory of memory" outlined in Cognitive Science. In particular the research is an attempt to study how human subjects remember and/or misremember a film, as a specific case study; in semiotics, films are “cinematographic texts”. The research is based on the production of a corpus of data gained through the qualitative method of interviewing. After an initial screening of a fulllength feature film each participant of the experiment has been interviewed twice, according to a pre-established set of questions. The first interview immediately after the screening: the subsequent, follow-up interview three months from screening. The purpose of this design is to elicit two types of recall from the participants. In order to conduce a comparative inquiry, three films have been used in the experimental setting. Each film has been watched by thirteen subjects, that have been interviewed twice. The corpus of data is then made by seventy-eight interviews. The present dissertation displays the results of the investigation of these interviews. It is divided into six main parts. Chapter one presents a theoretical framework about the two main issues: memory and text. The issue of the memory is introduced through many recherches drown up in the field of Cognitive Science and Neuroscience. It is developed, at the same time, a possible relationship with a semiotic approach. The theoretical debate about textuality, characterizing the field of Semiotics, is examined in the same chapter. Chapter two deals with methodology, showing the process of definition of the whole method used for production of the corpus of data. The interview is explored in detail: how it is born, what are the expected results, what are the main underlying hypothesis. In Chapter three the investigation of the answers given by the spectators starts. It is examined the phenomenon of the outstanding details of the process of remembering, trying to define them in a semiotic way. Moreover there is an investigation of the most remembered scenes in the movie. Chapter four considers how the spectators deal with the whole narrative. At the same time it is examined what they think about the global meaning of the film. Chapter five is about affects. It tries to define the role of emotions in the process of comprehension and remembering. Chapter six presents a study of how the spectators account for a single scene of the movie. The complete work offers a broad perspective about the semiotic issue of textuality, using both a semiotic competence and a cognitive one. At the same time it presents a new outlook on the issue of memory, opening several direction of research.

Progettazione ed implementazione di strumenti per la valutazione di reti complesse con proprietà scale-free

Il cervello è una rete di cellule nervose connesse da assoni e le cellule stesse sono reti di molecole connesse da reazioni biochimiche. Anche le società sono reti di persone collegate da rapporti di amicizia, parentela e legami professionali. Su più larga scala, catene alimentari ed ecosistemi possono essere rappresentati come reti di specie viventi. E le reti pervadono la tecnologia: Internet, reti elettriche e sistemi di trasporto non sono che pochi degli esempi possibili. Anche il linguaggio che si sta usando in questo momento per veicolare questi ragionamenti a chi legge è una rete, fatta di parole connesse da relazioni sintattiche. A dispetto dell'importanza e della pervasività delle reti, gli scienziati hanno sempre avuto poca comprensione delle loro strutture e proprietà. In che modo le interazioni di alcuni nodi non funzionanti in una complessa rete genetica possono generare il cancro? Come può avvenire così rapidamente la diffusione in taluni sistemi sociali e di comunicazioni, portando ad epidemie di malattie e a virus informatici? Come possono alcune reti continuare a funzionare anche dopo che la maggioranza dei loro nodi ha, invece, smesso di farlo? [...] Le reti reali sono realmente casuali?

Architetture di interconnessione per sistemi su singolo chip e per sistemi ad integrazione tridimensionale

I continui sviluppi nel campo della fabbricazione dei circuiti integrati hanno comportato frequenti travolgimenti nel design, nell’implementazione e nella scalabilità dei device elettronici, così come nel modo di utilizzarli. Anche se la legge di Moore ha anticipato e caratterizzato questo trend nelle ultime decadi, essa stessa si trova a fronteggiare attualmente enormi limitazioni, superabili solo attraverso un diverso approccio nella produzione di chip, consistente in pratica nella sovrapposizione verticale di diversi strati collegati elettricamente attraverso speciali vias. Sul singolo strato, le network on chip sono state suggerite per ovviare le profonde limitazioni dovute allo scaling di strutture di comunicazione condivise. Questa tesi si colloca principalmente nel contesto delle nascenti piattaforme multicore ad alte prestazioni basate sulle 3D NoC, in cui la network on chip viene estesa nelle 3 direzioni. L’obiettivo di questo lavoro è quello di fornire una serie di strumenti e tecniche per poter costruire e aratterizzare una piattaforma tridimensionale, cosi come dimostrato nella realizzazione del testchip 3D NOC fabbricato presso la fonderia IMEC. Il primo contributo è costituito sia una accurata caratterizzazione delle interconnessioni verticali (TSVs) (ovvero delle speciali vias che attraversano l’intero substrato del die), sia dalla caratterizzazione dei router 3D (in cui una o più porte sono estese nella direzione verticale) ed infine dal setup di un design flow 3D utilizzando interamente CAD 2D. Questo primo step ci ha permesso di effettuare delle analisi dettagliate sia sul costo sia sulle varie implicazioni. Il secondo contributo è costituito dallo sviluppo di alcuni blocchi funzionali necessari per garantire il corretto funziomento della 3D NoC, in presenza sia di guasti nelle TSVs (fault tolerant links) che di deriva termica nei vari clock tree dei vari die (alberi di clock indipendenti). Questo secondo contributo è costituito dallo sviluppo delle seguenti soluzioni circuitali: 3D fault tolerant link, Look Up Table riconfigurabili e un sicnronizzatore mesocrono. Il primo è costituito fondamentalmente un bus verticale equipaggiato con delle TSV di riserva da utilizzare per rimpiazzare le vias guaste, più la logica di controllo per effettuare il test e la riconfigurazione. Il secondo è rappresentato da una Look Up Table riconfigurabile, ad alte prestazioni e dal costo contenuto, necesaria per bilanciare sia il traffico nella NoC che per bypassare link non riparabili. Infine la terza soluzione circuitale è rappresentata da un sincronizzatore mesocrono necessario per garantire la sincronizzazione nel trasferimento dati da un layer and un altro nelle 3D Noc. Il terzo contributo di questa tesi è dato dalla realizzazione di un interfaccia multicore per memorie 3D (stacked 3D DRAM) ad alte prestazioni, e dall’esplorazione architetturale dei benefici e del costo di questo nuovo sistema in cui il la memoria principale non è piu il collo di bottiglia dell’intero sistema. Il quarto ed ultimo contributo è rappresentato dalla realizzazione di un 3D NoC test chip presso la fonderia IMEC, e di un circuito full custom per la caratterizzazione della variability dei parametri RC delle interconnessioni verticali.