Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Interrogazione visuale per basi di dati a grafo: il sistema GraphVista

Oggi l’esigenza di permettere all’utente di riuscire a formulare interrogazioni su database a grafo in maniera più semplice e soprattutto intuitiva ha portato gli istituti di ricerca a proporre metodi di interrogazione visuale. Uno dei sistemi che sono stati proposti è GraphVista. Tale sistema si basa sull’idea di dividere l’interrogazione in due macro-fasi. La prima fase permette di avvicinarsi al risultato richiesto escludendo da successive analisi dati che sicuramente non potranno far parte del risultato finale, mentre la seconda fase permette all’utente di essere protagonista. Infatti ad esso è concessa la possibilità di manipolare a proprio piacimento i risultati ottenuti dalla prima fase al fine di “ricercare” da sé le informazioni desiderate. Il tutto viene supportato grazie a un’interfaccia intuitiva ed efficace che permette all’utente di navigare interattivamente all’interno di una base di dati a grafo. Le caratteristiche dell’interfaccia e la possibilità di formulare interrogazioni visuali fanno in modo che l’utente non necessiti di conoscere alla perfezione un linguaggio di query specifico. Nel corso di questa tesi viene descritto il sistema GraphVista e la tecnologia sulla quale si fonda. Infine, viene effettuata una comparazione sull’efficacia e la semplicità d’uso del sistema GraphVista rispetto alla formulazione di query tramite un linguaggio standard come SPARQL.

Ottimizzazione stocastica di una microrete con tecnologia "vehicle-to-grid"

La presente tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un modello per la gestione ottimizzata delle unità di generazione e di accumulo di una microrete elettrica. La tesi analizza, come caso studio di riferimento, una microrete contenente impianti di generazione da fonti rinnovabili, sistemi di accumulo a batteria (BES:Battery Energy System) e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. In particolare le stazioni di ricarica sono a flusso bidirezionale, in grado di fornire servizi di tipo "grid-to-vehicle"(G2V) e "vehicle-to-grid" (V2G). Il modello consente di definire, come sistema di dispacciamento centrale, le potenze che le varie risorse distribuite devono erogare o assorbire nella rete nelle 24 ore successive. Il dispacciamento avviene mediante risoluzione di un problema di minimizzazione dei costi operativi e dell'energia prelevata dalla rete esterna. Il problema è stato formulato tramite l'approccio di programmazione stocastica lineare dove i parametri incerti del modello sono modellizzati tramite processi stocastici. L'implementazione del modello è stata effettuata tramite il software AIMMS, un programma di ottimizzazione che prevede al suo interno delle funzionalità specifiche per la programmazione stocastica

Sviluppo di un sistema per allocazione e scheduling di applicazioni periodiche

In questa tesi, viene illustrato un metodo risolutivo al problema dell’allocazione e schedulazione, su risorse eterogenee con capacità unaria rinnovabile e cumulativa non rinnovabile, di applicazioni multitask periodiche, con periodi in relazione armonica, strutturate in attività indipendenti o sottoposte a vincoli di precedenza e con durate dipendenti dalla specifica risorsa di allocazione. L’obiettivo è quello di fornire un’implementazione del modello in grado di gestire l’allocazione e la schedulazione di istanze (i.e. insieme di applicazioni) variabili, caratterizzate da una serie di parametri. La struttura implementativa, realizzata secondo la Logic-based Benders decomposition, prevede la suddivisione del problema in due moduli. Il primo in grado di generare un’allocazione e realizzato con tecniche di programmazione lineare intera mista, il secondo con lo scopo di controllare l’ammissibilità di tale allocazione attraverso una schedulazione ottima e realizzato mediante tecniche di programmazione a vincoli. Il meccanismo di comunicazione tra i due moduli avviene mediante vincoli lineari, denominati tagli di Benders, che vengono aggiunti dopo ogni iterazione del sistema. L’efficacia del modello sarà valutata confrontando i risultati ottenuti attraverso una serie di test, con i valori forniti da un metodo di allocazione e schedulazione alternativo.

Algoritmi Euristici per la Schedulazione degli Interventi nel Blocco Operatorio

Questa tesi riguarda il problema della schedulazione degli interventi nel blocco operatorio di un presidio ospedaliero, noto anche come Operating Theatre Planning & Scheduling. Il blocco operatorio è la struttura che eroga servizi a più alto impatto sui costi di un presidio ospedaliero ed è legato ad attività ad alto rischio. E' quindi fondamentale gestire in modo ottimale questa risorsa. In questa tesi, si considera come caso studio l'applicazione reale di un presidio ospedaliero dell'Emilia Romagna con un orizzonte temporale di una settimana, ovvero la cosiddetta programmazione operativa. L'obiettivo è quello di ottenere un utilizzo efficiente del blocco operatorio, garantendo al contempo la priorità agli interventi più urgenti. Data la complessità del problema, vengono proposti algoritmi euristici che permettano di ottenere buone soluzioni in tempi di calcolo ridotti. Studi precedenti hanno infatti evidenziato la difficoltà di trovare soluzioni ottime al problema, mediante l'utilizzo di solver commerciali per modelli di Programmazione Lineare Intera, senza introdurre ipotesi semplificative. Sono stati elaborati tre algoritmi euristici costruttivi di tipo multi-start che permettono di generare soluzioni ammissibili con diverse caratteristiche. Gli algoritmi si differenziano principalmente per le modalità con cui collocano gli interventi nel tempo disponibile delle risorse (induction room, operating room, recovery room), cercando di migliorarne l’utilizzazione e dando priorità ai pazienti più urgenti. Gli algoritmi sono stati implementati utilizzando il linguaggio JAVA e sono stati testati su istanze realistiche fornite dal presidio ospedaliero. I risultati hanno evidenziato un alto grado di utilizzazione delle sale operatorie, un fattore molto rilevante per una ottimale gestione del blocco operatorio. E' stata, infine, svolta un'analisi di sensitività alla variabilità delle durate.

Analisi del ruolo del porto di Ravenna nell’import/export di prodotti ortofrutticoli

L'elaborato tratta il ruolo del porto di Ravenna nell'import/export di prodotti ortofrutticoli. Dopo una accurata analisi dei dati, lo studio delle rotte marittime e l'uso di Dbms per gestire un database complesso, si propone un modello di programmazione lineare intera su un problema di ship routing, ship scheduling e full ship-load balancing. L'obiettivo è di massimizzare il profitto derivante da un prezzo di vendita e soggetto ai vari costi della logistica. Il modello sceglie la rotta ottimale da effettuare, in termini di ordine di visita dei vari porti che hanno un import e un export dei prodotti studiati. Inoltre, è in grado di gestire lo scorrere del tempo, fornendo come soluzione il giorno ottimale di visita dei vari porti considerati. Infine, trova la ripartizione ottima del numero di container a bordo della nave per ogni tipologia di prodotto.

PycoTCP: Una libreria Python per l'Internet of Threads

Grazie all'evoluzione dei servizi di rete indirizzare le interfacce di rete come se fossero i veri destinatari delle comunicazioni è diventato obsoleto. Per questo è nato il concetto di Internet of Threads, in cui gli indirizzi IP sono assegnati ad ogni processo in esecuzione nel computer mediante una rete ethernet virtuale. Attualmente esistono progetti che forniscono la gestione della rete virtuale e librerie che forniscono lo stack TCP/IP da integrare all'interno dei propri programmi. Queste librerie richiedono però la modifica e ricompilazione del proprio codice, anche a causa della loro interfaccia differente dai Berkeley Socket. Attraverso PycoTCP è possibile sperimentare all'interno di un ambiente IoTh senza riscrivere il proprio codice. Inoltre unifica le API fornite dalle librerie sottostanti esponendo una interfaccia identica a quella standard del Python, in modo che non sia necessario imparare un altro metodo di programmazione per utilizzare il nuovo paradigma.

Comparazione performance di un'applicazione enterprise basata su service mesh

Ultimamente si stanno sviluppando tecnologie per rendere più efficiente la virtualizzazione a livello di sistema operativo, tra cui si cita la suite Docker, che permette di gestire processi come se fossero macchine virtuali. Inoltre i meccanismi di clustering, come Kubernetes, permettono di collegare macchine multiple, farle comunicare tra loro e renderle assimilabili ad un server monolitico per l'utente esterno. Il connubio tra virtualizzazione a livello di sistema operativo e clustering permette di costruire server potenti quanto quelli monolitici ma più economici e possono adattarsi meglio alle richieste esterne. Data l'enorme mole di dati e di potenza di calcolo necessaria per gestire le comunicazioni e le interazioni tra utenti e servizi web, molte imprese non possono permettersi investimenti su un server proprietario e la sua manutenzione, perciò affittano le risorse necessarie che costituiscono il cosiddetto "cloud", cioè l'insieme di server che le aziende mettono a disposizione dei propri clienti. Il trasferimento dei servizi da macchina fisica a cloud ha modificato la visione che si ha dei servizi stessi, infatti non sono più visti come software monolitici ma come microservizi che interagiscono tra di loro. L'infrastruttura di comunicazione che permette ai microservizi di comunicare è chiamata service mesh e la sua suddivisione richiama la tecnologia SDN. È stato studiato il comportamento del software di service mesh Istio installato in un cluster Kubernetes. Sono state raccolte metriche su memoria occupata, CPU utilizzata, pacchetti trasmessi ed eventuali errori e infine latenza per confrontarle a quelle ottenute da un cluster su cui non è stato installato Istio. Lo studio dimostra che, in un cluster rivolto all'uso in produzione, la service mesh offerta da Istio fornisce molti strumenti per il controllo della rete a scapito di una richiesta leggermente più alta di risorse hardware.

Modelli Input-Output: un'analisi simultanea di shock domanda e offerta

La tesi analizza il modello Input-Output, introdotto da Leontief nel 1936, per studiare la reazione dei sistemi industriali di Germania, Spagna ed Italia alle restrizioni imposte dai governi per limitare la diffusione della pandemia da COVID-19. Si studiano le economie considerando gli scambi tra i settori produttivi intermedi e la domanda finale. La formulazione originale del modello necessita diverse modifiche per descrivere realisticamente le reti di produzione e comunque non è del tutto esaustiva in quanto si ipotizza che la produttività dei sistemi sia sempre tale da soddisfare pienamente la domanda che giunge per il prodotto emesso. Perciò si introduce una distinzione tra le variabili del problema, assumendo che alcune componenti di produzione siano indipendenti dalla richiesta e che altre componenti siano endogene. Le soluzioni di questo sistema tuttavia non sempre risultano appartenenti al dominio di definizione delle variabili. Dunque utilizzando tecniche di programmazione lineare, si osservano i livelli massimi di produzione e domanda corrisposta in un periodo di crisi anche quando i sistemi non raggiungono questa soglia poiché non pienamente operativi. Si propongono diversi schemi di razionamento per distribuire tra i richiedenti i prodotti emessi: 1) programma proporzionale in base alle domande di tutti i richiedenti; 2) programma proporzionale in base alle richieste, con precedenza ai settori intermedi; 3) programma prioritario in cui vengono riforniti i settori intermedi in base alla dimensione dell’ordine; 4) programma prioritario con fornitura totale degli ordini e ordine di consegna casuale. I risultati ottenuti dipendono dal modello di fornitura scelto, dalla dimensione dello shock cui i settori sono soggetti e dalle proprietà della rete industriale, descritta come grafo pesato.

Modelli PLI per la pianificazione di attività di satelliti

Questo lavoro è incentrato sulla pianificazione delle acquizioni e scaricamento del satellite PLATiNO. Le operazioni permesse a questo satellite sono vincolate da varie attività tra cui acquisizioni, manovre e scaricamento di dati. L'obiettivo finale è quello di soddisfare più richieste possibili massimizzando le operazioni del satellite senza però violare i vincoli imposti. A questo scopo, è stato sviluppato un modello in formulazione MILP per una versione rilassata del problema. In questa Tesi vengono innanzitutto trattati i principali argomenti di programmazione lineare e intera in modo da poter affrontare il modello matematico inerente al problema di downlink di PLATiNO. Successivamente viene descritto nel dettaglio il problema da modellizzare, con particolare attenzione alla strategia di downlink, che costituisce l'aspetto più problematico nella costruzione del modello. Si opta, infatti, per una formulazione mista rilassando i vincoli inerenti allo scaricamento dei dati. Infine, vengono valutate le prestazioni del modello rilassato confrontandolo con la sua versione esatta.

Un ritorno alle origini: proposta di ritraduzione del videogioco Final Fantasy IX

Nel panorama videoludico, Final Fantasy IX occupa un posto d’onore. Nonostante conti più di vent’anni alle spalle, rimane in vetta alle classifiche dei titoli Final Fantasy più amati, soprattutto grazie al suo cast di personaggi. Il suo successo, tuttavia, non gli è valso una rivisitazione della sua localizzazione, la stessa dalla prima pubblicazione del gioco che continua a presentare imprecisioni, interpretazioni errate e scelte riguardanti la caratterizzazione dei personaggi che meriterebbero un aggiornamento secondo le linee guida e gli standard odierni. Questo elaborato ha come obiettivo una proposta di ritraduzione di Final Fantasy IX, per modernizzare la lingua non solo dal punto di vista dei dialetti, utilizzati nella versione originale e qui sostituiti da altre strategie, ma anche dell’aderenza al testo originale, restituendo ad alcuni personaggi la caratterizzazione che hanno nella versione giapponese del gioco. Si analizza il giapponese seguendo lo yakuwarigo (Kinsui, 2017), un particolare concetto della lingua giapponese secondo il quale a ogni personaggio viene assegnato un linguaggio mettendone in luce alcuni tratti del loro modo di essere. Si procede all’elaborazione di strategie di traduzione che colmino l’assenza di un concetto simile nella lingua italiana, giocando sui registri linguistici e scelte sintattiche e lessicali pensate appositamente per ogni personaggio. Si analizzano inoltre altri aspetti riguardanti nello specifico la lingua giapponese, come i diversi gradi di formalità e quale effetto abbiano sul testo. Un’analisi di questo tipo risulta funzionale alla resa in italiano di particolarità così legate alla lingua giapponese. Pur perdendo alcune sfumature nel passaggio tra una lingua e l’altra, si tratta pur sempre di un tentativo di aderenza al testo di partenza che permette ai giocatori di fruire di un’esperienza quanto più simile a quella del testo originale.

Lingua e questioni di genere: un confronto tra agentivi femminili italiani e feminitivy russi

Nonostante i progressi fatti nell’ultimo secolo, la parità di genere è ad oggi un obiettivo lontano, e per il suo raggiungimento vengono percorse diverse strade: alcune sono più evidenti e coinvolgono la classe governativa della società, come ad esempio le leggi a tutela dei diritti delle donne. Altre sono invece meno ovvie, e possono arrivare a coinvolgere i singoli cittadini nella vita di tutti giorni: una fra tutte è la lingua. Opinione sempre maggiormente condivisa è infatti che parlare al femminile possa sostenere il cambiamento sociale, ad esempio usando nomi di professioni femminili facendo riferimento alle lavoratrici. Come può però un linguaggio maggiormente inclusivo nei confronti delle donne contribuire alla lotta per la parità di genere? Usare il femminile quando si parla di una donna può davvero fare la differenza? L’obiettivo di questo elaborato è quindi quello di analizzare le motivazioni a sostegno del linguaggio di genere e le opposizioni incontrate dagli agentivi femminili, confrontandone le difficoltà linguistiche e le opinioni diffuse in due lingue molto diverse fra loro: l’italiano e il russo.

La traduzione in ambito economico-finanziario: proposta di traduzione dall’italiano in francese del quaderno sull’educazione finanziaria

La tesi tratta della traduzione economico-finanziaria. Saranno analizzati il linguaggio di questo settore e le principali sfide e difficoltà che il traduttore deve affrontare in questo ambito. Inoltre, sarà presentata la proposta di traduzione dall'italiano in francese del Quaderno "Educazione Finanziaria #quello che conta sapere".

Sviluppo di applicazioni real-time multi-utente: un middleware basato sulla piattaforma Croquet

Il crescente aumento del numero di dispositivi connessi in rete e delle applicazioni che vengono sviluppate su di essa ha trasformato completamente lo standard delle applicazioni che una volta erano single-user, facendo quindi arrivare lo standard ad un modello multi-utente, dove si ha un ambiente collaborativo e condiviso in cui le azioni di un determinato utente vanno ad influire anche sugli altri. Altra necessità al giorno d'oggi è inoltre che queste applicazioni multi-utente siano anche real-time, ovvero che si aggiornino in tempo reale e che di conseguenza l'azione di un singolo utente debba essere trasmessa e notificata a tutti gli altri in modo che possano gestirla di conseguenza. Lo sviluppo di tali applicazioni risulta quindi particolarmente complesso, tuttavia esistono anche soluzioni architetturali e framework che risultano essere dedicati all'implementazione di tale tipo di applicazioni, il quale obiettivo è quindi quello di semplificarne e velocizzarne lo sviluppo, tramite l'utilizzo di pattern o architetture mirate all'implementazione di un tipo specifico di tali applicazioni. Un esempio di tali soluzioni è Croquet, che permette la creazione di applicazioni real-time multi-utente, senza la necessità di scrivere alcun codice per la parte server o per la gestione delle comunicazioni tra i peer, ma solamente sviluppando il modello del client, ovvero la parte in esecuzione sulla macchina dell'utente. Questa tesi andrà quindi ad effettuare uno studio sul funzionamento e sull'architettura di Croquet proseguendo quindi con lo sviluppo di un middleware che permetta la creazione di applicazioni real-time multi-utente indipendenti dal linguaggio di sviluppo, le quali si potranno quindi appoggiare sull'architettura di Croquet per funzionare e comunicare, avendo quindi a disposizione tutte le garanzie che vengono offerte da Croquet e dalla sua architettura.

Modellazione grafica di elicotteri per la simulazione del volo

L'obiettivo di questo elaborato di tesi è la modellazione grafica delle cabine di pilotaggio di due elicotteri civili: si prevede una futura implementazione del modello di volo completo sul simulatore FlightGear. I due velivoli presi in considerazione sono stati sviluppati dall'azienda AgustaWestland e sono denominati AW109 e AW139. I modelli di volo sono composti da una parte grafica e dal modello dinamico del volo. La presente tesi si occupa del primo aspetto. Il lavoro di tesi è iniziato con una fase preliminare di ricerca che ha richiesto lo studio di come i modelli dinamici di volo siano implementati nel simulatore FlightGear; è stato, inoltre, approfondito l'utilizzo del linguaggio di markup XML necessario a descrivere il funzionamento e le caratteristiche dei velivoli in FlightGear. Ha fatto seguito la fase di scrittura dei file XML, facendo riferimento a modelli di elicotteri preesistenti e all'effettiva modellazione degli strumenti di bordo, attraverso il programma CAD Blender. Nella fase finale sono stati studiati e posizionati i vari strumenti principali di bordo, consultando i manuali degli elicotteri e ottenendo delle cabine di pilotaggio del tutto simili a quelle reali dei velivoli considerati. Gli sviluppi futuri di questo lavoro prevedono l'integrazione dei modelli grafici qui implementati nel modello di volo completo dei due elicotteri presi in considerazione.