Progetto: Analisi e sintesi di sistemi decentralizzati Dottoranda: Giulia Giordano (ciclo XXVIII) Tutor: Prof. Franco Blanchini 1 2.

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1 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 Progetto: Analisi e sintesi di sistemi decentralizzati Dottoranda: Giulia Giordano (ciclo XXVIII) Tutor: Prof. Franco Blanchini 1 2 Sincronizzazione 5 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 4 3 Gestione del traffico Controllo di processi produttivi Analisi di reti biochimiche

2 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

3 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 proteina DNA RNA cube (Afonin et al., 2010) Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

4 Analisi/sintesi di reti biochimiche reti di Petri Angeli, Lenheer, Sontag, 2007 deficiency zero theorem Feinberg, 1987 simulazioni numeriche Ma & Iglesias, 2002 Approccio matematico, quantitativo Investigare proprietà dinamiche e robustezza analisi grafi Mincheva & Craciun, 2008 tecniche analisi matrice tecniche alla statistiche Jacobiana Lyapunov Barnes et al., 2011 Blanchini & Franco, 2011 Blanchini & Franco, 2011 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

5 Sintesi di reti biochimiche Circuiti di regolazione di flusso auto-repressione attivazione incrociata Ottimizzare la generazione del prodotto regolando la produzione dei reagenti G. Giordano, E. Franco, R. M. Murray, Feedback architectures to regulate flux of components in artificial gene networks, Proc. ACC 2013 Feedback negativo Feedback positivo Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

6 Analisi di reti biochimiche Incertezza intrinseca EPPURE grande robustezza Analisi STRUTTURALE (matrice Jacobiana del sistema) Prosecuzione lavoro di tesi (Proprietà strutturali di sistemi biochimici) F. Blanchini, E. Franco, G. Giordano, Determining the structural properties of a class of biological models, Proc. IEEE Conference on Decision and Control 2012 Potenziali oscillazioni, adattamento perfetto, monotonicità, Sì No Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

7 Analisi di reti biochimiche Analisi STRUTTURALE (tecniche basate su funzioni di Lyapunov poliedriche) stabilità globale B A C D E Sì No A B C D Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

8 Controllo di flusso reti di distribuzione idrica Larson & Keckler, 1969 Bauso, Blanchini et al., 2010 traffico automobilistico/aereo Iftar, 1996 & 1999 D Andrea, 1998 sistemi di produzione-distribuzione Silver & Peterson, 1985 Blanchini et al., 1997 & 2000 reti di telecomunicazione e trasmissione dati (Internet) Moss & Segall, 1978 Iftar & Davison, 1990 & 2002 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

9 Controllo decentralizzato nel senso delle reti Sistemi di grandi dimensioni: controllo agisce localmente Sottosistemi connessi dall intervento di controllo Leggi di interazione decise localmente per stabilizzare / garantire prestazioni al sistema globale 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

10 Sincronizzazione di orologi Esempio di applicazione Montessoro et al. 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

11 Tema e obiettivi scientifici Reti biochimiche Controllo di flusso Sincronizzazione di orologi Sistemi decentralizzati nel senso delle reti Analisi e sintesi di sistemi decentralizzati 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

12 Attività / Mese Analisi bibliografia e letteratura Analisi teorica / Simulaz numeriche Periodi all'estero Articoli scientifici e conferenze Attività formativa scientifica Corsi formativi complementari Prep conferenze di dottorato Preparazione relazioni annuali Stesura della tesi (2) (3) (4) (5) (6) (7)(8) Diagramma di Gantt CDC (1) ACC CDC ACC CDC Attività di ricerca Attività formative Attività di dottorato Milestones???? (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 Legenda Articolo conferenza / rivista Seminario ppt e poster Relazione annuale Tesi di dottorato Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

13 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

14 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 Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

15 Attività formative svolte programmate scientifiche complementari 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) Scuola Nazionale di Dottorato SIDRA 2013: Systems Biology & Vehicle Dynamics Control, Bertinoro (22 h) Seminari di Dottorato, Università di Udine (36 h) i (T i ) > 120 h Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno

16 Conclusioni È appena l inizio, ma si prospettano sviluppi interessanti. Grazie per l attenzione! Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno