Bat-Inspired Optimization Approach for the Brushless DC Wheel Motor Problem

This paper presents a metaheuristic algorithm inspired in evolutionary computation and swarm intelligence concepts and fundamentals of echolocation of micro bats. The aim is to optimize the mono and multiobjective optimization problems related to the brushless DC wheel motor problems, which has 5 design parameters and 6 constraints for the mono-objective problem and 2 objectives, 5 design parameters, and 5 constraints for multiobjective version. Furthermore, results are compared with other optimization approaches proposed in the recent literature, showing the feasibility of this newly introduced technique to high nonlinear problems in electromagnetics.

Division of labour in a group of agents inspired by ants' foraging behaviour

Questa tesi prende spunto da altri studi realizzati nel campo delle esattamente nel campo delle “Swam Intelligence”, una branca delle intelligenze artificiali prende spunto dal comportamento di animali sociali, sopratutto insetti come termini, formiche ed api, per trarne interessanti metafore per la creazione di algoritmi e tecniche di programmazione. Questo tipo di algoritmi, come per gli esempi tratti dalla biologia, risultano dotati di interessanti proprietà adatte alla risoluzione di certi problemi nell'ambito dell'ingegneria. Lo scopo della tesi è quello di mostrare tramite un esempio pratico le proprietà dei sistemi sviluppati tramite i principi delle Swarm Intelligence, evidenziando la flessibilità di questi sistemi. Nello specifico, la mia tesi analizzerà il problema della suddivisione del lavoro in una colonia di formiche, fornendo un esempio pratico quale il compito di cattura di prede in un determinato ambiente. Ho sviluppato un'applicazione software in Java che simula tale comportamento, i dati utilizzati durante le diverse simulazioni possono essere modificati tramite file di testo, in modo da ottenere risultati validi per diversi contesti.

Homeostatic Patterns - Processi biomimetici feedback-based per una architettura efficiente nei Prati di Caprara

Gli organismi biologici mostrano ricorrenti dinamiche di auto-organizzazione nei processi morfogenetici che sono alla base di come la materia acquisisce gerarchia e organizzazione.L’omeostasi è la condizione con la quale un corpo raggiunge il proprio equilibrio (termico, pressione, ecc.); un processo attraverso il quale questi sistemi stabilzzano le reazioni fisiologiche. Una delle caratteristiche fondamentali esibite da tali organismi è la capacità della materia di instaurare processi di auto-organizzazione, responsabile dei processi di ottimizzazione che guidano all’uso efficiente dell’energia nella lotta per la sopravvivenza. Questa ottimizzazione non mira al raggiungimento di un risultato globale deterministico e “chiuso” (precedentemente stabilito e poi perseguito ad ogni costo), quanto piuttosto al raggiungimento di un’efficienza di processi locali con obiettivi multipli e necessità divergenti; tali processi interagiscono organizzando sistemi nei quali proprietà peculiari uniche emergono dalle interazioni descritte. Le esigenze divergenti non sono negoziate sulla base di un principio di esclusività (una esigenza esclude o elimina le altre) ma da un principio di prevalenza, dove le necessità non prevalenti non cessano di esistere ma si modificano in funzione di quelle prevalenti (il proprio campo di espressione è vincolato dai percorsi tracciati in quello delle esigenze prevalenti). In questa tesi si descrive un’applicazione ad uno specifico caso di studio di progettazione architettonica: un parco con spazi polifunzionali nella città di Bologna. L’obiettivo principale del progetto Homeostatic Pattern è quello di dimostrare come questo tipo di processi possano essere osservati, compresi e traslati in architettura: come per gli organismi biologici, in questo progetto gli scambi di materia ed energia (stabilità, respirazione, porosità alla luce) sono regolati da sistemi integrati efficienti piuttosto che da raggruppamenti di elementi mono-ottimizzati. Una specifica pipeline di software è stata costituita allo scopo di collegare in modo bidirezionale e senza soluzione di continuità un software di progettazione parametrica generativa (Grasshopper®) con software di analisi strutturale ed ambientale (GSA Oasys®, Autodesk® Ecotect® analysis), riconducendo i dati nella stessa struttura attraverso cicli di feedback. Il sistema così ottenuto mostra caratteristiche sia a scala macroscopica, come la possibilità di utilizzo della superficie esterna che permette anche un’estensione dell’area verde (grazie alla continuità della membrana), sia alla scala del componente, come la propria capacità di negoziare, tra le altre, la radiazione solare e la modulazione della luce, così come la raccolta capillare delle acque meteoriche. Un sistema multiperformante che come tale non persegue l’ottimizzazione di una singola proprietà ma un miglioramento complessivo per una maggiore efficienza.

Multi-level models and infrastructures for simulating biological system development

The hierarchical organisation of biological systems plays a crucial role in the pattern formation of gene expression resulting from the morphogenetic processes, where autonomous internal dynamics of cells, as well as cell-to-cell interactions through membranes, are responsible for the emergent peculiar structures of the individual phenotype. Being able to reproduce the systems dynamics at different levels of such a hierarchy might be very useful for studying such a complex phenomenon of self-organisation. The idea is to model the phenomenon in terms of a large and dynamic network of compartments, where the interplay between inter-compartment and intra-compartment events determines the emergent behaviour resulting in the formation of spatial patterns. According to these premises the thesis proposes a review of the different approaches already developed in modelling developmental biology problems, as well as the main models and infrastructures available in literature for modelling biological systems, analysing their capabilities in tackling multi-compartment / multi-level models. The thesis then introduces a practical framework, MS-BioNET, for modelling and simulating these scenarios exploiting the potential of multi-level dynamics. This is based on (i) a computational model featuring networks of compartments and an enhanced model of chemical reaction addressing molecule transfer, (ii) a logic-oriented language to flexibly specify complex simulation scenarios, and (iii) a simulation engine based on the many-species/many-channels optimised version of Gillespie’s direct method. The thesis finally proposes the adoption of the agent-based model as an approach capable of capture multi-level dynamics. To overcome the problem of parameter tuning in the model, the simulators are supplied with a module for parameter optimisation. The task is defined as an optimisation problem over the parameter space in which the objective function to be minimised is the distance between the output of the simulator and a target one. The problem is tackled with a metaheuristic algorithm. As an example of application of the MS-BioNET framework and of the agent-based model, a model of the first stages of Drosophila Melanogaster development is realised. The model goal is to generate the early spatial pattern of gap gene expression. The correctness of the models is shown comparing the simulation results with real data of gene expression with spatial and temporal resolution, acquired in free on-line sources.

Molecules of Knowledge: architettura, implementazione ed esempi

La tesi si propone di valutare la architettura del modello "Molecules of Knowledge", di realizzarne la sua implementazione su infrastruttura TuCSoN opportunamente verificata ed estesa, e di effettuare esperimenti di sistemi MoK in scenari applicativi come i news management systems.

Venezia e il riscatto degli schiavi in Età Moderna, secc. XVI-XVIII

Lo scopo del lavoro è di seguire, attraverso la disamina di fonti edite e inedite, le particolarità che, in età moderna, caratterizzarono la “via veneziana” al riscatto dei sudditi veneti che fossero detenuti a vario titolo dai “turchi”, e soprattutto dagli stati «barbareschi» della costa settentrionale africana. In particolare, lo studio si propone di concentrarsi sull'azione dei Provveditori sopra ospedali e luoghi pii. Tale magistratura, formata da tre patrizi ed esistente fin dal 1561 per tutelare gli ospedali maggiori veneziani e le molte altre istituzioni di ricovero esistenti in città, e nel contempo vigilare sulla loro corretta gestione amministrativa ed economica, dal 1588 e fino alla caduta della Repubblica nel 1797 fu incaricata anche del riscatto, aggiungendo quindi alla propria precedente denominazione la formula e al riscatto degli schiavi. A un organo dello Stato veniva dunque assegnata una funzione di controllo e superiore organizzazione, volta ad evitare il disperdersi delle sollecitate donazioni private ed un’eventuale scorretta gestione delle stesse. Il lavoro si focalizza poi sulle modalità con cui avveniva materialmente il riscatto dei sudditi veneti, o “esteri” ma al servizio veneto, che versassero in una condizione di bisogno, seguendo l'azione degli intermediari (spesso mercanti, cristiani o ebrei, o consoli di varie nazioni) che vivevano o si recavano nel territorio delle Reggenze nordafricane e contrattavano il prezzo necessario. Infine la ricerca, concentrandosi sul XVIII secolo, mira a valutare il quadro dei rapporti tra il governo veneziano, la Scuola veneziana della Trinità, dedita al riscatto, e i padri Trinitari, stabilitisi nel 1723 negli Stati veneti. Solo abbastanza tardi, infatti, e per un limitato arco di anni (fino al 1735), anche Venezia, sulla scorta di quanto da tempo praticato da altre potenze europee, decise – per ragioni principalmente di risparmio – di affidarsi per la gestione delle operazioni di riscatto ai religiosi.

Gli affidamenti c.d. in house nell'ordinamento comunitario e nazionale con particolare riferimento al settore dei trasporti pubblici

Il presente progetto di ricerca analizza quella particolare forma di affidamento diretto dei servizi pubblici denominata in house providing e si articola in tre sezioni. Nella prima sezione viene analizzata la disciplina dei servizi pubblici locali nell’ordinamento italiano mediante un excursus normativo dai primi del 900 ad oggi; la seconda sezione è dedicata alla disciplina dell’affidamento dei servizi pubblici locali di trasporto; la terza sezione, infine, descrive l’in house providing e l’elaborazione pretoria di tale istituto operata dalla giurisprudenza comunitaria. Come noto, la pubblica amministrazione può soddisfare le sue esigenze secondo due diverse modalità: ricorrendo al libero mercato come qualsiasi altro operatore economico oppure auto-producendo i beni e i servizi di cui necessita. Infatti, nonostante il diritto comunitario imponga il rispetto del principio di tutela della concorrenza, lascia impregiudicato il potere di auto-organizzazione in capo alle pubbliche amministrazioni negli Stati membri, le quali potranno scegliere di agire “in economia” o di ricorrere alle prestazioni di operatori terzi. Con la locuzione di derivazione comunitaria in house providing si definisce quel modello organizzativo mediante il quale le pubbliche amministrazioni realizzano le attività di loro competenza attraverso i propri organismi, cioè senza ricorrere al libero mercato per procurarsi i lavori, i servizi e le forniture ad esse occorrenti o per erogare alla collettività prestazioni di pubblico servizio, in deroga ai principi comunitari sulla tutela della concorrenza stabiliti nel Trattato istitutivo della Comunità Europea, che invece imporrebbero lo svolgimento di gare ad evidenza pubblica per l'affidamento di tali servizi. Tuttavia, come chiarito dalla giurisprudenza comunitaria e nazionale, affinché la procedura di gara non sia necessaria, occorre che tra l’amministrazione e il prestatore ci sia sostanziale identità, nonostante le distinte personalità giuridiche, in modo tale da configurare il contratto tra le stesse intercorso come un atto di organizzazione interna.

Tecniche di text mining per l'autoorganizzazione della conoscenza

L'elaborato ha come scopo l'analisi delle tecniche di Text Mining e la loro applicazione all'interno di processi per l'auto-organizzazione della conoscenza. La prima parte della tesi si concentra sul concetto del Text Mining. Viene fornita la sua definizione, i possibili campi di utilizzo, il processo di sviluppo che lo riguarda e vengono esposte le diverse tecniche di Text Mining. Si analizzano poi alcuni tools per il Text Mining e infine vengono presentati alcuni esempi pratici di utilizzo. Il macro-argomento che viene esposto successivamente riguarda TuCSoN, una infrastruttura per la coordinazione di processi: autonomi, distribuiti e intelligenti, come ad esempio gli agenti. Si descrivono innanzi tutto le entità sulle quali il modello si basa, vengono introdotte le metodologie di interazione fra di essi e successivamente, gli strumenti di programmazione che l'infrastruttura mette a disposizione. La tesi, in un secondo momento, presenta MoK, un modello di coordinazione basato sulla biochimica studiato per l'auto-organizzazione della conoscenza. Anche per MoK, come per TuCSoN, vengono introdotte le entità alla base del modello. Avvalendosi MoK dell'infrastruttura TuCSoN, viene mostrato come le entità del primo vengano mappate su quelle del secondo. A conclusione dell'argomento viene mostrata un'applicazione per l'auto-organizzazione di news che si avvale del modello. Il capitolo successivo si occupa di analizzare i possibili utilizzi delle tecniche di Text Mining all'interno di infrastrutture per l'auto-organizzazione, come MoK. Nell'elaborato vengono poi presentati gli esperimenti effettuati sfruttando tecniche di Text Mining. Tutti gli esperimenti svolti hanno come scopo la clusterizzazione di articoli scientifici in base al loro contenuto, vengono quindi analizzati i risultati ottenuti. L'elaborato di tesi si conclude mettendo in evidenza alcune considerazioni finali su quanto svolto.

Esperimenti di design pattern di ispirazione biologica

L'informatica, assieme alle sue innovazioni tecnologiche, offre al mondo d'oggi uno scenario in continuo sviluppo evolutivo che permette di facilitare alcune necessità dell'essere umano. Con la nascita di internet e dei nuovi dispositivi cellulari, la comunicazione è stata resa più malleabile e immediata. Tuttavia, le nuove tecnologie utilizzano infrastrutture complesse che non sempre sono ampiamente sfruttate a causa delle loro esigenze quali scalabilità, risposte in tempo reale, o tolleranza. Per far fronte a queste caratteristiche, una nuova tendenza del software è quella di fornire autonomia e pro-attività alle entità nel sistema in modo da incrementare la loro interazione. Queste caratteristiche permettono di responsabilizzare i soggetti rendendo il sistema auto-organizzato, con una migliore scalabilità,robustezza, e quindi riducendo le esigenze di calcolo di ciascuna entità. Lo studio dei sistemi auto-organizzanti è stato ispirato alla natura, e in particolare, ai sistemi biologici. Questi sistemi mostrano le caratteristiche interessanti per gli scenari pervasivi, poichè sono robusti e resistenti, in grado di adattarsi al contesto ambientale e quindi reagiscono a determinate modifiche che si verificano nell'ambiente comportandosi di conseguenza. L'ingegneria dell'auto-organizzazione ha il compito di simulare e testare questi comportamenti presentando uno schema progettuale completo che permetta di presentare soluzioni ricorrenti a problemi noti. Tale schema è definito in termini informatici design pattern. Le entità, definite agenti, per interagire e comunicare tra di loro hanno bisogno di coordinarsi tramite un modello specifico. Nel nostro caso è stato scelto TuCSoN, poichè riesce a separare uno spazio dedicato allo scambio di informazioni da uno spazio dedicato alle specifiche che permette di descrivere delle politiche di comportamento per sistemi MAS implementati nell'opportuno linguaggio di programmazione ReSpecT.

Fluctuation properties in random walks on networks and simple integrate and fire models

In questa tesi si è studiato l’insorgere di eventi critici in un semplice modello neurale del tipo Integrate and Fire, basato su processi dinamici stocastici markoviani definiti su una rete. Il segnale neurale elettrico è stato modellato da un flusso di particelle. Si è concentrata l’attenzione sulla fase transiente del sistema, cercando di identificare fenomeni simili alla sincronizzazione neurale, la quale può essere considerata un evento critico. Sono state studiate reti particolarmente semplici, trovando che il modello proposto ha la capacità di produrre effetti "a cascata" nell’attività neurale, dovuti a Self Organized Criticality (auto organizzazione del sistema in stati instabili); questi effetti non vengono invece osservati in Random Walks sulle stesse reti. Si è visto che un piccolo stimolo random è capace di generare nell’attività della rete delle fluttuazioni notevoli, in particolar modo se il sistema si trova in una fase al limite dell’equilibrio. I picchi di attività così rilevati sono stati interpretati come valanghe di segnale neurale, fenomeno riconducibile alla sincronizzazione.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

A Cooperative and Adaptive Variable Neighborhood Search for the Multi Depot Vehicle Routing Problem with Time Windows

In this paper we propose two cooperation schemes to compose new parallel variants of the Variable Neighborhood Search (VNS). On the one hand, a coarse-grained cooperation scheme is introduced which is well suited for being enhanced with a solution warehouse to store and manage the so far best found solutions and a self-adapting mechanism for the most important search parameters. This makes an a priori parameter tuning obsolete. On the other hand, a fine-grained scheme was designed to reproduce the successful properties of the sequential VNS. In combination with the use of parallel exploration threads all of the best solutions and 11 out of 20 new best solutions for the Multi Depot Vehicle Routing Problem with Time Windows were found.

Multi-Environment Model Estimation for Motility Analysis of Caernorhabditis elegans

The nematode Caenorhabditis elegans is a well-known model organism used to investigate fundamental questions in biology. Motility assays of this small roundworm are designed to study the relationships between genes and behavior. Commonly, motility analysis is used to classify nematode movements and characterize them quantitatively. Over the past years, C. elegans' motility has been studied across a wide range of environments, including crawling on substrates, swimming in fluids, and locomoting through microfluidic substrates. However, each environment often requires customized image processing tools relying on heuristic parameter tuning. In the present study, we propose a novel Multi-Environment Model Estimation (MEME) framework for automated image segmentation that is versatile across various environments. The MEME platform is constructed around the concept of Mixture of Gaussian (MOG) models, where statistical models for both the background environment and the nematode appearance are explicitly learned and used to accurately segment a target nematode. Our method is designed to simplify the burden often imposed on users; here, only a single image which includes a nematode in its environment must be provided for model learning. In addition, our platform enables the extraction of nematode ‘skeletons’ for straightforward motility quantification. We test our algorithm on various locomotive environments and compare performances with an intensity-based thresholding method. Overall, MEME outperforms the threshold-based approach for the overwhelming majority of cases examined. Ultimately, MEME provides researchers with an attractive platform for C. elegans' segmentation and ‘skeletonizing’ across a wide range of motility assays.

Temporal task allocation in periodic environments. An approach based on synchronization

In this paper, we study a robot swarm that has to perform task allocation in an environment that features periodic properties. In this environment, tasks appear in different areas following periodic temporal patterns. The swarm has to reallocate its workforce periodically, performing a temporal task allocation that must be synchronized with the environment to be effective. We tackle temporal task allocation using methods and concepts that we borrow from the signal processing literature. In particular, we propose a distributed temporal task allocation algorithm that synchronizes robots of the swarm with the environment and with each other. In this algorithm, robots use only local information and a simple visual communication protocol based on light blinking. Our results show that a robot swarm that uses the proposed temporal task allocation algorithm performs considerably more tasks than a swarm that uses a greedy algorithm.

Aplicação e avaliação de desempenho de um sistema de otimização em tempo real em uma unidade de produção de propeno.

Com o objetivo de aumentar o lucro de plantas químicas, a Otimização em Tempo Real (RTO) é uma ferramenta que busca determinar as condições ótimas operacionais do processo em estado estacionário, respeitando as restrições operacionais estabelecidas. Neste trabalho foi realizada a implementação prática de um ciclo RTO em um processo de destilação por recompressão de vapor (VRD), propileno-propano, da Refinaria de Paulínia (Petrobras S.A.), a partir de dados históricos da planta. Foram consideradas as principais etapas de um ciclo clássico de RTO: identificação de estado estacionário, reconciliação de dados, estimação de parâmetros e otimização econômica. Essa unidade foi modelada, simulada e otimizada em EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), um simulador de processos orientado a equações desenvolvido no Brasil. Foram analisados e comparados dois métodos de identificação de estado estacionário, um baseado no teste estatístico F e outro baseado em wavelets. Ambos os métodos tiveram resultados semelhantes e mostraram-se capazes de identificar os estados estacionários de forma satisfatória, embora seja necessário o ajuste de parâmetros na sua implementação. Foram identificados alguns pontos estacionários para serem submetidos ao ciclo RTO e foi possível verificar a importância de partir de um estado estacionário para a continuidade do ciclo, já que essa é uma premissa do método. A partir dos pontos analisados, os resultados deste estudo mostram que o RTO é capaz de aumentar o ganho econômico entre 2,5-24%, dependendo das condições iniciais consideradas, o que pode representar ganhos de até 18 milhões de dólares por ano. Além disso, para essa unidade, verificou-se que o compressor é um equipamento limitante no aumento de ganho econômico do processo.