Integrazione di piattaforme d'esecuzione e simulazione in una toolchain Scala per aggregate programming

La tesi è calata nell'ambito dell'Aggregate Programming e costituita da una prima parte introduttiva su questo ambito, per poi concentrarsi sulla descrizione degli elaborati prodotti e infine qualche nota conclusiva unitamente a qualche possibile sviluppo futuro. La parte progettuale consiste nell'integrazione del framework Scafi con il simulatore Alchemist e con una piattaforma di creazione e di esecuzione di sistemi in ambito Spatial Computin, con lo scopo di potenziare la toolchain esistente per Aggregate Programming. Inoltre si riporta anche un breve capitolo per l'esecuzione del framework scafi sviluppato in scala sulla piattaforma Android.

Spatial computing per smart devices

Magic Carpet, nato come un middleware orientato a una dimostrazione sullo spatial computing, che inizialmente coinvolgeva solo smart devices ed un tappeto di tag NFC, è il punto di partenza per uno studio sulle tecnologie abilitanti in tale campo. Il prodotto finale è una toolchain per lo sviluppo e la distribuzione, su dispositivi connessi, di applicazioni di spatial computing. Essa comprende un interprete per un DSL basato su un core calculus formalizzato, Field Calculus, e un middleware che supporta l'astrazione curando, a basso livello, le comunicazioni con il vicinato e le percezioni ambientali.

Spatial computing per dispositivi mobile ed embedded

Questa tesi si focalizza sulle possibili tecnologie per realizzare comunicazioni opportunistiche fra dispositivi mobile ed embedded, con l'obiettivo di integrarle nel contesto di sistemi a larga scala situati, e con particolare riferimento al prototipo denominato "Magic Carpet". Vengono considerate in particolare le tecnologie WiFi ad-hoc e Bluetooth Low Energy su Android e Raspberry Pi.

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.

Engineering Complex Computational Ecosystems

Self-organising pervasive ecosystems of devices are set to become a major vehicle for delivering infrastructure and end-user services. The inherent complexity of such systems poses new challenges to those who want to dominate it by applying the principles of engineering. The recent growth in number and distribution of devices with decent computational and communicational abilities, that suddenly accelerated with the massive diffusion of smartphones and tablets, is delivering a world with a much higher density of devices in space. Also, communication technologies seem to be focussing on short-range device-to-device (P2P) interactions, with technologies such as Bluetooth and Near-Field Communication gaining greater adoption. Locality and situatedness become key to providing the best possible experience to users, and the classic model of a centralised, enormously powerful server gathering and processing data becomes less and less efficient with device density. Accomplishing complex global tasks without a centralised controller responsible of aggregating data, however, is a challenging task. In particular, there is a local-to-global issue that makes the application of engineering principles challenging at least: designing device-local programs that, through interaction, guarantee a certain global service level. In this thesis, we first analyse the state of the art in coordination systems, then motivate the work by describing the main issues of pre-existing tools and practices and identifying the improvements that would benefit the design of such complex software ecosystems. The contribution can be divided in three main branches. First, we introduce a novel simulation toolchain for pervasive ecosystems, designed for allowing good expressiveness still retaining high performance. Second, we leverage existing coordination models and patterns in order to create new spatial structures. Third, we introduce a novel language, based on the existing ``Field Calculus'' and integrated with the aforementioned toolchain, designed to be usable for practical aggregate programming.

The effect of resource aggregation at different scales: Optimal foraging behavior of Cotesia rubecula

Resources can be aggregated both within and between patches. In this article, we examine how aggregation at these different scales influences the behavior and performance of foragers. We developed an optimal foraging model of the foraging behavior of the parasitoid wasp Cotesia rubecula parasitizing the larvae of the cabbage butterfly Pieris rapae. The optimal behavior was found using stochastic dynamic programming. The most interesting and novel result is that the effect of resource aggregation within and between patches depends on the degree of aggregation both within and between patches as well as on the local host density in the occupied patch, but lifetime reproductive success depends only on aggregation within patches. Our findings have profound implications for the way in which we measure heterogeneity at different scales and model the response of organisms to spatial heterogeneity.

Tecnologie per la mobilità verso un middleware general-purpose

L'obiettivo della tesi è esplorare i più avanzati dispositivi, sensori e processori per la computazione spaziale, correlarli con i modelli di spatial computing, e derivarne un'architettura concettuale di middleware distribuito che possa supportare le più avanzate applicazioni in mobilità.

Sviluppo di una infrastruttura location-based per l'auto-organizzazione di smart-devices.

La tesi consiste nel realizzare una infrastruttura che mantenga il modello tipico dello Spatial Computing e coniughi al meglio le tecnologie location-based come GPS, NFC e BLE, per permettere ai moderni smart-devices Android di cooperare e auto-organizzarsi al fine di compiere un certo task definito a livello applicativo.

Probabilistic reasoning with a bayesian DNA device based on strand displacement

We present a computing model based on the DNA strand displacement technique which performs Bayesian inference. The model will take single stranded DNA as input data, representing the presence or absence of a specific molecular signal (evidence). The program logic encodes the prior probability of a disease and the conditional probability of a signal given the disease playing with a set of different DNA complexes and their ratios. When the input and program molecules interact, they release a different pair of single stranded DNA species whose relative proportion represents the application of Bayes? Law: the conditional probability of the disease given the signal. The models presented in this paper can empower the application of probabilistic reasoning in genetic diagnosis in vitro.

Spatial variability of aggregate stability in latosols under sugarcane

The spatial variability of soils under a same management system is differentiated, as expressed in the properties. The spatial variability of aggregate stability of a eutrophic Red Latosol (ERL) and a dystrophic Red Latosol (DRL) under sugarcane was characterized. Samples were collected in a regular 10 m grid, in the layers 0.0-0.2 and 0.2-0.4 m, with 100 points per area, and the following properties were determined: geometric mean diameter (GMD) of aggregates, mean weight diameter (MWD) of aggregates, percent of aggregates in the > 2.0 mm class and organic matter (OM) content. The eutrophic Red Latosol (ERL) had a higher aggregate stability thn the dystrophic Red Latosol (DRL), which may be attributed to the higher clay and OM content and the gibbsitic mineralogy of this soil class. The differentiated evolution of the studied Oxisols explains the wider range and lower variation coefficient and variability, for all properties studied in the eutrophic Red Latosol.

Spatial variability of aggregate stability in latosols under sugarcane

Solos submetidos ao mesmo sistema de manejo manifestam variabilidade espacial diferenciada de seus atributos. A variabilidade espacial da estabilidade de agregados foi caracterizada em um Latossolo Vermelho distrófico e Latossolo Vermelho eutroférrico, sob cultivo de cana-de-açúcar. Foram realizadas amostragens de terra nos pontos de interseção de uma malha de 10 x 10 linhas, espaçadas de 10 m, totalizando 100 pontos de amostragem por área, coletadas nas camadas de 0,0-0,2 e 0,2-0,4 m de profundidade, para determinação de diâmetro médio geométrico (DMG), diâmetro médio ponderado (DMP), agregados na classe >2,0 mm e teor de matéria orgânica do solo. O Latossolo Vermelho eutroférrico apresenta maior estabilidade de agregados quando comparado com o Latossolo Vermelho distrófico, condizente com o maior teor de argila, matéria orgânica e mineralogia gibbsítica. A evolução diferenciada dos Latossolos estudados explica os maiores alcances, o menor coeficiente de variação (CV) e a menor variabilidade, observados no Latossolo Vermelho eutroférrico para todos os atributos estudados.

A Fuzzy Goal Programming model for solving aggregate production-planning problems under uncertainty: A case study in a Brazilian sugar mill

This paper proposes a Fuzzy Goal Programming model (FGP) for a real aggregate production-planning problem. To do so, an application was made in a Brazilian Sugar and Ethanol Milling Company. The FGP Model depicts the comprehensive production process of sugar, ethanol, molasses and derivatives, and considers the uncertainties involved in ethanol and sugar production. Decision-makings, related to the agricultural and logistics phases, were considered on a weekly-basis planning horizon to include the whole harvesting season and the periods between harvests. The research has provided interesting results about decisions in the agricultural stages of cutting, loading and transportation to sugarcane suppliers and, especially, in milling decisions, whose choice of production process includes storage and logistics distribution. (C)2014 Elsevier B.V. All rights reserved.