Rainfall spatial predictions: a two-part model and its assessment

Spatial prediction of hourly rainfall via radar calibration is addressed. The change of support problem (COSP), arising when the spatial supports of different data sources do not coincide, is faced in a non-Gaussian setting; in fact, hourly rainfall in Emilia-Romagna region, in Italy, is characterized by abundance of zero values and right-skeweness of the distribution of positive amounts. Rain gauge direct measurements on sparsely distributed locations and hourly cumulated radar grids are provided by the ARPA-SIMC Emilia-Romagna. We propose a three-stage Bayesian hierarchical model for radar calibration, exploiting rain gauges as reference measure. Rain probability and amounts are modeled via linear relationships with radar in the log scale; spatial correlated Gaussian effects capture the residual information. We employ a probit link for rainfall probability and Gamma distribution for rainfall positive amounts; the two steps are joined via a two-part semicontinuous model. Three model specifications differently addressing COSP are presented; in particular, a stochastic weighting of all radar pixels, driven by a latent Gaussian process defined on the grid, is employed. Estimation is performed via MCMC procedures implemented in C, linked to R software. Communication and evaluation of probabilistic, point and interval predictions is investigated. A non-randomized PIT histogram is proposed for correctly assessing calibration and coverage of two-part semicontinuous models. Predictions obtained with the different model specifications are evaluated via graphical tools (Reliability Plot, Sharpness Histogram, PIT Histogram, Brier Score Plot and Quantile Decomposition Plot), proper scoring rules (Brier Score, Continuous Rank Probability Score) and consistent scoring functions (Root Mean Square Error and Mean Absolute Error addressing the predictive mean and median, respectively). Calibration is reached and the inclusion of neighbouring information slightly improves predictions. All specifications outperform a benchmark model with incorrelated effects, confirming the relevance of spatial correlation for modeling rainfall probability and accumulation.

Keplero e la musica. Il Libro III dell'Harmonice mundi (Linz, 1619): traduzione e Introduzione

Questo lavoro si concentra su un particolare aspetto della sfaccettata ricerca scientifica di Johannes Kepler (1571-1630), ossia quello teorico-musicale. I pensieri dell’astronomo tedesco riguardanti tale campo sono concentrati – oltre che in alcuni capitoli del Mysterium cosmographicum (1596) ed in alcune sue lettere – nel Libro III dell’Harmonices mundi libri quinque (1619), che, per la sua posizione mediana all’interno dell’opera, tra i primi due libri geometrici e gli ultimi due astronomici, e per la sua funzione di raccordo tra la «speculazione astratta» della geometria e la concretizzazione degli archetipi geometrici nel mondo fisico, assume la struttura di un vero e proprio trattato musicale sul modello di quelli rinascimentali, nel quale la «musica speculativa», dedicata alla teoria delle consonanze e alla loro deduzione geometrica precede la «musica activa», dedicata alla pratica del canto dell’uomo nelle sue differenze, generi e modi. La tesi contiene la traduzione italiana, con testo latino a fronte, del Libro III dell’Harmonice, e un’ampia introduzione che percorre le tappe fondamentali del percorso biografico e scientifico che hanno portato alla concezione di quest’opera – soffermandosi in particolare sulla formazione musicale ricevuta da Keplero, sulle pagine di argomento musicale del Mysterium e delle lettere, e sulle riflessioni filosofico-armoniche sviluppate negli anni di ricerca – e offre gli elementi fondamentali per poter comprendere l’Harmonice mundi in generale e il Libro III in particolare. A ciò si aggiunge, in Appendice, la traduzione, anch’essa con testo latino a fronte, della Sectio V, dedicata alla musica, del Liber IX dell’Almagestum novum (1651) di Giovanni Battista Riccioli (1598-1671), interessante sia dal punto di vista della recezione delle teorie di Keplero che dal punto di vista della storia delle idee musicali.

Le tecniche di machine learning per il trattamento della sindrome dell'arto fantasma

Questo elaborato ha come scopo quello di analizzare ed esaminare una patologia oggetto di attiva ricerca scientifica, la sindrome dell’arto fantasma o phantom limb pain: tracciando la storia delle terapie più utilizzate per la sua attenuazione, si è giunti ad analizzarne lo stato dell’arte. Consapevoli che la sindrome dell’arto fantasma costituisce, oltre che un disturbo per chi la prova, uno strumento assai utile per l’analisi delle attività nervose del segmento corporeo superstite (moncone), si è svolta un’attività al centro Inail di Vigorso di Budrio finalizzata a rilevare segnali elettrici provenienti dai monconi superiori dei pazienti che hanno subito un’amputazione. Avendo preliminarmente trattato l’argomento “Machine learning” per raggiungere una maggiore consapevolezza delle potenzialità dell’apprendimento automatico, si sono analizzate la attività neuronali dei pazienti mentre questi muovevano il loro arto fantasma per riuscire a settare nuove tipologie di protesi mobili in base ai segnali ricevuti dal moncone.

Rivelatori di raggi X basati su cristalli organici semiconduttori

Negli ultimi anni, i progressi della ricerca scientifica nell'ambito dell'elettronica organica hanno messo in luce le proprietà dei cristalli organici che rendono possibile un loro potenziale utilizzo nel campo della rivelazione di radiazioni ionizzanti. All'interno di questa tesi, analizzeremo le prestazioni di rivelazione di raggi X da parte di due cristalli che si distinguono tra loro per proprietà chimiche e fisiche: l'NTI e il Rubrene. Questi due materiali verranno sottoposti a misure elettriche, svolte in diverse condizioni di irraggiamento, e dai dati ottenuti sarà possibile analizzare la risposta alla radiazione da parte di ciascun dispositivo. Verranno valutate le capacità di rivelazione da parte dei due materiali studiati, in base ai parametri che caratterizzano i rivelatori di radiazione a stato solido, e sarà inoltre possibile mettere a confronto i risultati ottenuti dai due diversi cristalli e osservare eventuali comportamenti differenti.

Architetture, tecnologie ed applicazioni dei droni

Le tematiche presentate in questa tesi fanno parte di una disciplina in ampio sviluppo nella ricerca scientifica moderna denominata “Dronistica”. I droni possiedono caratteristiche fisiche differenti in base alle esigenze dettate dall'ambito di utilizzo. La dronistica è infatti una disciplina molto varia e completa grazie alla versatilità dei dispositivi utilizzati, principalmente però tratta aeromobili a pilotaggio remoto e la loro applicazione nella computer vision. Nonostante il ricco hardware ed i molteplici software attualmente a disposizione dei ricercatori, questo settore è attualmente nelle prime fasi di vita; le prospettive di miglioramento e di sviluppo infatti sono ampie ed in mano a chi si occuperà di effettuare operazioni di ricerca e sperimentazione in tale campo. Nel seguente lavoro viene presentata la dronistica sotto ogni suo aspetto fondamentale, ponendo particolare attenzione ai dettagli tecnici ed alle applicazioni presenti e future. Il lavoro svolto inizia descrivendo la storia dei droni, presentando una panoramica sui modelli, le normative attualmente in vigore ed una classificazione delle applicazioni. La parte centrale della tesi tratta invece gli aspetti tecnici della dronistica, descrivendo le tecnologie hardware e le tecnologie software attualmente disponibili sul mercato. L'ultima parte descrive invece il legame tra i droni e la computer vision, il loro interfacciamento, le applicazioni ed i vantaggi di tale combinazione, mostrando inoltre casi di studio di diverse facoltà tra cui quella di Ingegneria e Scienze Informatiche di Cesena. Infine termina con una conclusione riguardante il lavoro svolto ed una prospettiva sugli sviluppi futuri.

Stima dei parametri spazio temporali del cammino a partire da sensori inerziali: Una revisione critica della letteratura

L’analisi del cammino è uno strumento in grado di fornire importanti informazioni sul ciclo del passo; in particolare è fondamentale per migliorare le conoscenze biomeccaniche del cammino, sia normale che patologico, e su come questo viene eseguito dai singoli soggetti. I parametri spazio temporali del passo rappresentano alcuni degli indici più interessanti per caratterizzare il cammino ed il passo nelle sue diverse fasi. Essi permettono infatti il confronto e il riconoscimento di patologie e disturbi dell’andatura. Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’impiego di sensori inerziali (Inertial Measurement Unit, IMU), che comprendono accelerometri, giroscopi e magnetometri. Questi dispositivi, utilizzati singolarmente o insieme, possono essere posizionati direttamente sul corpo dei pazienti e sono in grado fornire, rispettivamente, il segnale di accelerazione, di velocità angolare e del campo magnetico terrestre. A partire da questi segnali, ottenuti direttamente dal sensore, si è quindi cercato di ricavare i parametri caratteristici dell’andatura, per valutare il cammino anche al di fuori dell’ambiente di laboratorio. Vista la loro promettente utilità e la potenziale vasta applicabilità nell’analisi del ciclo del cammino; negli ultimi anni un vasto settore della ricerca scientifica si è dedicata allo sviluppo di algoritmi e metodi per l’estrazione dei parametri spazio temporali a partire da dati misurati mediante sensori inerziali. Data la grande quantità di lavori pubblicati e di studi proposti è emersa la necessità di fare chiarezza, riassumendo e confrontando i metodi conosciuti, valutando le prestazioni degli algoritmi, l’accuratezza dei parametri ricavati, anche in base alla tipologia del sensore e al suo collocamento sull’individuo, e gli eventuali limiti. Lo scopo della presente tesi è quindi l’esecuzione di una revisione sistematica della letteratura riguardante la stima dei parametri spazio temporali mediante sensori inerziali. L’intento è di analizzare le varie tecniche di estrazione dei parametri spazio temporali a partire da dati misurati con sensori inerziali, utilizzate fino ad oggi ed indagate nella letteratura più recente; verrà utilizzato un approccio prettamente metodologico, tralasciando l’aspetto clinico dei risultati.

Moisture and potential vorticity in medicanes: theoretical approach and case studies

Da poco più di 30 anni la comunità scientifica è a conoscenza dell’occasionale presenza di strutture cicloniche con alcune caratteristiche tropicali sul Mar Mediterraneo, i cosiddetti medicane. A differenza dei cicloni baroclini delle medie latitudini, essi posseggono una spiccata simmetria termica centrale che si estende per gran parte della troposfera, un occhio, talvolta privo di nubi, e una struttura nuvolosa a bande spiraleggianti. Ad oggi non esiste ancora una teoria completa che spieghi la loro formazione ed evoluzione. La trattazione di questa tesi, incentrata sull’analisi dei campi di vorticità potenziale e di umidità relativa, è sviluppata nell’ottica di una miglior comprensione delle dinamiche alla mesoscala più rilevanti per la nascita dei medicane. Lo sviluppo di tecniche avanzate di visualizzazione dei campi generati dal modello WRF, quali l’animazione tridimensionale delle masse d’aria aventi determinate caratteristiche, ha permesso l’individuazione di due zone di forti anomalie di due campi derivati dalla vorticità potenziale in avvicinamento reciproco, intensificazione e mutua interazione nelle ore precedenti la formazione dei medicane. Tramite la prima anomalia che è stata chiamata vorticità potenziale secca (DPV), viene proposta una nuova definizione di tropopausa dinamica, che non presenta i problemi riscontrati nella definizione classica. La seconda anomalia, chiamata vorticità potenziale umida (WPV), individua le aree di forte convezione e permette di avere una visione dinamica dello sviluppo dei medicane alle quote medio-basse. La creazione di pseudo immagini di vapore acqueo tramite la teoria del trasferimento radiativo e la comparazione di queste mappe con quelle effettivamente misurate nei canali nella banda del vapore acqueo dai sensori MVIRI e SEVIRI dei satelliti Meteosat hanno da un lato confermato l’analisi modellistica, dall’altro consentito di stimare gli errori spazio-temporali delle simulazioni. L’utilizzo dei dati di radianza nelle microonde, acquisiti dai sensori AMSU-B e MHS dei satelliti NOAA, ha aggiunto ulteriori informazioni sia sulle intrusioni di vorticità potenziale che sulla struttura degli elementi convettivi presenti sul dominio, in modo particolare sulla presenza di ghiaccio in nube. L’analisi dettagliata di tre casi di medicane avvenuti nel passato sul Mar Mediterraneo ha infine consentito di combinare gli elementi innovativi sviluppati in questo lavoro, apportando nuove basi teoriche e proponendo nuovi metodi di indagine non solo per lo studio di questi fenomeni ma anche per un’accurata ricerca scientifica su ciclogenesi di altro tipo.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, isolarono per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un eccellente trasporto termico ed elettrico ed un’ elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che la Comunità Europea ha approvato due dei più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa, tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Con Flagship Grafene l’Europa punta sul grafene, e lo fa in grande. L’obiettivo è dunque ambizioso. Il suddetto materiale è infatti non solo il più sottile che conosciamo, con uno spessore di un atomo di carbonio, ma è anche 100 volte più resistente dell’acciaio e al tempo stesso flessibile. E’ Inoltre trasparente e conduce l’energia elettrica e termica molto meglio del rame. Ergo, il grafene offre le stesse performance dei materiali usati attualmente nei nostri dispositivi, con l’aggiunta però di ulteriori funzionalità.

Realizzazione di un amplificatore lock-in digitale

Tra tutte le tecniche sviluppate per il recupero di segnali, i metodi basati sul principio di rilevazione sincrona, utilizzati dagli amplificatori lock-in, sono largamente i più usati in tutti i campi della ricerca scientifica. Gli amplificatori lock-in sono strumenti utilizzati per rilevare e misurare segnali in ambienti in cui il rumore di fondo può essere di diversi ordini di grandezza più grande del segnale che si intende misurare. In questo lavoro viene presentato un metodo per realizzare un amplificatore lock-in digitale su scheda hardware NI ELVIS II+ e software LabVIEW. In seguito viene descritto come, attraverso test opportuni, sono state analizzate le performance del sistema realizzato e sono state confrontate con i sistemi disponibili commercialmente. Infine, l’amplificatore lock-in realizzato è stato poi utilizzato in un esperimento di misura spettroscopica dell’energia di gap di un campione di Germanio per mezzo dell’effetto fotoelettrico interno.

L'altezza dei triangoli: dall'analisi storico-epistemologica alla sperimentazione didattica

La tesi a partire da un'analisi storico-epistemologica individua degli ostacoli storici legati al concetto di altezza. Dal confronto di questi con gli ostacoli di apprendimento riscontrati a partire da diverse fonti (Invalsi, ricerca scientifica, pretest in sei classi) si arriva a individuare quattro ostacoli che inducono il formarsi di diverse Concezioni legate al concetto di altezza dei triangoli. Si analizzano inoltre i risultati e le evidenze delle Concezione riscontrate nella sperimentazione didattica.

Innovazioni nel campo dell'ElettroEncefalografia

Il funzionamento del cervello umano, organo responsabile di ogni nostra azione e pensiero, è sempre stato di grande interesse per la ricerca scientifica. Dopo aver compreso lo sviluppo dei potenziali elettrici da parte di nuclei neuronali in risposta a stimoli, si è riusciti a graficare il loro andamento con l'avvento dell'ElettroEncefaloGrafia (EEG). Tale tecnologia è entrata a far parte degli esami di routine per la ricerca di neuropsicologia e di interesse clinico, poiché permette di diagnosticare e discriminare i vari tipi di epilessia, la presenza di traumi cranici e altre patologie del sistema nervoso centrale. Purtroppo presenta svariati difetti: il segnale è affetto da disturbi e richiede un'adeguata elaborazione tramite filtraggio e amplificazione, rimanendo comunque sensibile a disomogeneità dei tessuti biologici e rendendo difficoltoso il riconoscimento delle sorgenti del segnale che si sono attivate durante l'esame (il cosiddetto problema inverso). Negli ultimi decenni la ricerca ha portato allo sviluppo di nuove tecniche d'indagine, di particolare interesse sono la ElettroEncefaloGrafia ad Alta Risoluzione (HREEG) e la MagnetoEncefaloGrafia (MEG). L'HREEG impiega un maggior numero di elettrodi (fino a 256) e l'appoggio di accurati modelli matematici per approssimare la distribuzione di potenziale elettrico sulla cute del soggetto, garantendo una migliore risoluzione spaziale e maggior sicurezza nel riscontro delle sorgenti neuronali. Il progresso nel campo dei superconduttori ha reso possibile lo sviluppo della MEG, che è in grado di registrare i deboli campi magnetici prodotti dai segnali elettrici corticali, dando informazioni immuni dalle disomogeneità dei tessuti e andando ad affiancare l'EEG nella ricerca scientifica. Queste nuove tecnologie hanno aperto nuovi campi di sviluppo, più importante la possibilità di comandare protesi e dispositivi tramite sforzo mentale (Brain Computer Interface). Il futuro lascia ben sperare per ulteriori innovazioni.

Studio dei criteri di progetto e modellazione numerica di silos in acciaio

La ricerca scientifica oggetto della seguente tesi verte sullo studio di problematiche mosse dalla collaborazione Azienda-Università nell’ambito di sili contenenti materiale granulare, soggetti a sollecitazione sismica. Si è indagato sul comportamento di tali strutture a mezzo di due modelli, uno raffinato e l'altro semplificato, soggetti alle medesime combinazioni. Un aspetto interessante, introdotto nella modellazione, è stato quello di considerare la lamiera corrugata come una piastra ortotropa. Si sono riportate le linee guida per la progettazione e la verifica dei profili in parete sottile. Discussione e validazione dei risultati numerici.

Design, implementation and performance evaluation of an anonymous distributed simulator

La simulazione è definita come la rappresentazione del comportamento di un sistema o di un processo per mezzo del funzionamento di un altro o, alternativamente, dall'etimologia del verbo “simulare”, come la riproduzione di qualcosa di fittizio, irreale, come se in realtà, lo fosse. La simulazione ci permette di modellare la realtà ed esplorare soluzioni differenti e valutare sistemi che non possono essere realizzati per varie ragioni e, inoltre, effettuare differenti valutazioni, dinamiche per quanto concerne la variabilità delle condizioni. I modelli di simulazione possono raggiungere un grado di espressività estremamente elevato, difficilmente un solo calcolatore potrà soddisfare in tempi accettabili i risultati attesi. Una possibile soluzione, viste le tendenze tecnologiche dei nostri giorni, è incrementare la capacità computazionale tramite un’architettura distribuita (sfruttando, ad esempio, le possibilità offerte dal cloud computing). Questa tesi si concentrerà su questo ambito, correlandolo ad un altro argomento che sta guadagnando, giorno dopo giorno, sempre più rilevanza: l’anonimato online. I recenti fatti di cronaca hanno dimostrato quanto una rete pubblica, intrinsecamente insicura come l’attuale Internet, non sia adatta a mantenere il rispetto di confidenzialità, integrità ed, in alcuni, disponibilità degli asset da noi utilizzati: nell’ambito della distribuzione di risorse computazionali interagenti tra loro, non possiamo ignorare i concreti e molteplici rischi; in alcuni sensibili contesti di simulazione (e.g., simulazione militare, ricerca scientifica, etc.) non possiamo permetterci la diffusione non controllata dei nostri dati o, ancor peggio, la possibilità di subire un attacco alla disponibilità delle risorse coinvolte. Essere anonimi implica un aspetto estremamente rilevante: essere meno attaccabili, in quanto non identificabili.

A new low magnetic field magnetar: the 2011 outburst of Swift J1822.3–1606

We report on the long-term X-ray monitoring with Swift, RXTE, Suzaku, Chandra, and XMM-Newton of the outburst of the newly discovered magnetar Swift J1822.3–1606 (SGR 1822–1606), from the first observations soon after the detection of the short X-ray bursts which led to its discovery, through the first stages of its outburst decay (covering the time span from 2011 July until the end of 2012 April). We also report on archival ROSAT observations which detected the source during its likely quiescent state, and on upper limits on Swift J1822.3–1606's radio-pulsed and optical emission during outburst, with the Green Bank Telescope and the Gran Telescopio Canarias, respectively. Our X-ray timing analysis finds the source rotating with a period of P = 8.43772016(2) s and a period derivative P = 8.3(2)×10−14 s s−1, which implies an inferred dipolar surface magnetic field of B sime 2.7 × 1013 G at the equator. This measurement makes Swift J1822.3–1606 the second lowest magnetic field magnetar (after SGR 0418+5729). Following the flux and spectral evolution from the beginning of the outburst, we find that the flux decreased by about an order of magnitude, with a subtle softening of the spectrum, both typical of the outburst decay of magnetars. By modeling the secular thermal evolution of Swift J1822.3–1606, we find that the observed timing properties of the source, as well as its quiescent X-ray luminosity, can be reproduced if it was born with a poloidal and crustal toroidal fields of Bp ~ 1.5 × 1014 G and B tor ~ 7 × 1014 G, respectively, and if its current age is ~550 kyr.

Simulazione agent-based di un sistema di m-Health per il self-management del diabete di tipo 1

L'obiettivo della tesi è dimostrare l'utilità e i vantaggi che può fornire il Self-Management del diabete mellito di tipo 1 in un sistema di mobile Health a partire da un modello computazionale Agent-Based. Viene quindi affrontata in maniera approfondita la tematica del mobile Health ed il suo sviluppo nei paesi a basso/medio reddito, illustrando i risultati ottenuti dalla ricerca scientifica fino ad oggi, ed il concetto di Self-Management di malattie croniche, un processo di cura caratterizzato dalla partecipazione autonoma del paziente stesso, fornendo una panoramica degli approcci computazionali sviluppati. Viene quindi studiato il diabete mellito in ogni sua caratteristica, seguito dall'illustrazione di diverse applicazioni per la gestione autonoma della suddetta patologia tutt'ora in commercio. Nel caso di studio vengono effettuate diverse simulazioni, tramite la piattaforma di simulazione MASON, per realizzare varie dinamiche della rete fisiologica di un paziente al fine di stabilire feedback qualitativi per il Self-Management della patologia.