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Progetto: Analisi e sintesi di sistemi decentralizzati
Dottoranda: Giulia Giordano (ciclo XXVIII)
Tutor: Prof. Franco Blanchini
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Industriale e dell’Informazione Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale e Meccanica
Dipartimento di Matematica e Informatica Università degli Studi di Udine
Abstract
Sistemi decentralizzati: reti di sottosistemi, ciascuno interagente solo con alcuni degli altri • Analisi per fornire spiegazioni strutturali a fenomeni naturali • Sintesi per controllare sistemi con algoritmi agenti localmente
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Sincronizzazione
Gestione del traffico
Controllo di processi produttivi Analisi di reti biochimiche
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Scaletta della presentazione
1. Revisione bibliografica, analisi preliminare e lavoro svolto sinora
2. Tema e obiettivi scientifici del dottorato
3. Piano di lavoro
4. Concetti e strumenti necessari
5. Attività formative svolte e previste
6. Considerazioni conclusive
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Analisi/sintesi di reti biochimiche
Applicazione teoria dei sistemi e del controllo alla biologia (pionieri Norbert Wiener, Ludwig von Bertalanffy)
Biologia dei sistemi (U. Alon, H. Kitano)
Biologia sintetica
RNA cube (Afonin et al., 2010)
proteina
DNA
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Analisi/sintesi di reti biochimiche
Approccio matematico, quantitativo Investigare proprietà dinamiche e robustezza
tecniche statistiche
simulazioni numeriche
analisi grafi
reti di Petri
analisi matrice Jacobiana Barnes et al., 2011
Ma & Iglesias, 2002 Angeli, Lenheer, Sontag, 2007
Mincheva & Craciun, 2008
Feinberg, 1987
deficiency zero theorem
tecniche alla Lyapunov
Blanchini & Franco, 2011 Blanchini & Franco, 2011
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Sintesi di reti biochimiche Circuiti di regolazione di flusso
G. Giordano, E. Franco, R. M. Murray, “Feedback architectures to regulate flux of components in artificial gene networks”, Proc. ACC 2013
auto-repressione attivazione incrociata
Feedback negativo
Feedback positivo Ottimizzare la
generazione del prodotto regolando la produzione dei reagenti
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Analisi di reti biochimiche
F. Blanchini, E. Franco, G. Giordano, “Determining the structural properties of a class of biological models”, Proc. IEEE Conference on Decision and Control 2012
Prosecuzione lavoro di tesi (Proprietà strutturali di sistemi biochimici)
Incertezza intrinseca EPPURE grande robustezza
Analisi STRUTTURALE (matrice Jacobiana del sistema)
Sì
No
Potenziali oscillazioni, adattamento perfetto, monotonicità, …
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Analisi di reti biochimiche
stabilità globale
Analisi STRUTTURALE (tecniche basate su funzioni di Lyapunov poliedriche)
B
A
C D E
Sì
No A
B
C D
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Controllo di flusso
reti di distribuzione idrica Larson & Keckler, 1969 Bauso, Blanchini et al., 2010
traffico automobilistico/aereo Iftar, 1996 & 1999 D’Andrea, 1998
reti di telecomunicazione e trasmissione dati (Internet)
Moss & Segall, 1978 Iftar & Davison, 1990 & 2002
sistemi di produzione-distribuzione Silver & Peterson, 1985 Blanchini et al., 1997 & 2000
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Controllo decentralizzato
Leggi di interazione decise localmente per stabilizzare / garantire prestazioni al sistema globale
Sistemi di grandi dimensioni: controllo agisce localmente
Sottosistemi connessi dall’intervento di controllo
nel senso delle reti
Controllo decentralizzato: la matrice di retroazione ha una struttura imposta dal grafo
F. Blanchini, E. Franco, G. Giordano, “Structured–LMI Conditions for Network–Decentralized Control”, submitted CDC 2013
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Sincronizzazione di orologi
Inizialmente diversi tempi e velocità di progressione Ciascun orologio scambia informazioni solo con alcuni degli altri
stessa indicazione temporale
stesso periodo
Sun, Wang, Xie, 2007
Carli, Chiuso, Schenato, Zampieri, 2008
Esempio di applicazione – Montessoro et al.
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Analisi e sintesi di sistemi decentralizzati
Tema e obiettivi scientifici
Reti biochimiche Controllo di flusso Sincronizzazione di orologi
Sistemi decentralizzati nel senso delle reti
ANALISI spiegare fenomeni naturali dal punto di vista strutturale,
individuando schemi ricorrenti
SINTESI controllo/coordinamento di sottosistemi, non necessariamente
interagenti tra loro, con algoritmi che agiscono localmente
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Attività / Mese 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Analisi bibliografia e letteratura
Analisi teorica / Simulaz numeriche
Periodi all'estero
Articoli scientifici e conferenze CD
C
ACC
CDC
ACC
CDC
Attività formativa scientifica
Corsi formativi complementari
Prep conferenze di dottorato
Preparazione relazioni annuali
Stesura della tesi
Legenda
Articolo conferenza / rivista
Seminario ppt e poster
Relazione annuale
Tesi di dottorato
(1) Periodo all’estero presso University of California Riverside (date esatte da definire) (2) Articolo Proc. American Control Conference 2013: G. Giordano, E. Franco, R. M. Murray,
“Feedback architectures to regulate flux of components in artificial gene networks” (3) Seminario: “Photovoltaics: Principles and Devices”, A. Kaminski (4) Corso della Laurea Magistrale in Matematica: “Analisi Numerica IV”, D. Breda (5) Ciclo di seminari: “Metodi topologici per la ricerca di punti fissi, con applicazioni”, F. Zanolin (6) “Scuola Nazionale di Dottorato SIDRA 2013”, Bertinoro (7) “Interdisciplinary PhD Spring School”, Università di Udine (8) “Corso di Deontologia e Pratica Professionale”, Ordine degli Ingegneri
(1)
(2)
(7)
(4) (3) (5) (6)
(8)
Diagramma di Gantt
Attività di
ricerca
Attività formative
Attività di
dottorato
Milestones ? ? ? ?
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Cosa servirà durante il dottorato? - 1 STRUMENTI CONCETTUALI
Matematica: Analisi, Algebra, ... Teoria dei Sistemi e del Controllo: insiemi invarianti, teoria di Lyapunov, robustezza, ... Teoria dei Grafi Ottimizzazione Analisi Numerica Concetti fondamentali di Biologia, Biochimica, Chimica
Concetto chiave: proprietà strutturali
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Cosa servirà durante il dottorato? - 2 STRUMENTI DI CALCOLO
Tradizionali, analitici Numerici (MATLAB)
SPERIMENTAZIONE
Presso UC Riverside sarà eventualmente possibile effettuare esperimenti in un laboratorio di biochimica
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“Analisi Numerica IV”, Corso di Laurea Magistrale in Matematica – D. Breda (48 h) “Metodi topologici per la ricerca di punti fissi, con applicazioni” – F. Zanolin (26 h) “Photovoltaics: Principles and Devices” – A. Kaminski (8 h) “American Control Conference (ACC) 2013”, Washington DC (23 h) “Interdisciplinary PhD Spring School”, Udine 2013 (18 h) “Geometria della fisica e fisica della geometria” – S. Sonego (2 h) “Corso di Deontologia e Pratica Professionale” – Ordine degli Ingegneri (73 h) “(RI)Cercatori di idee” – S. Padoan (~2 h)
svolte programmate scientifiche complementari
∑i (Ti) > 120 h
Attività formative
“Scuola Nazionale di Dottorato SIDRA 2013: Systems Biology & Vehicle Dynamics Control”, Bertinoro (22 h) “Seminari di Dottorato”, Università di Udine (36 h)
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Conclusioni
Grazie per l’attenzione!
È appena l’inizio, ma si prospettano sviluppi interessanti.