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

1 2

3 4

5

Sincronizzazione

Gestione del traffico

Controllo di processi produttivi Analisi di reti biochimiche

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 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 2013 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

RNA cube (Afonin et al., 2010)

proteina

DNA

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 4

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 5

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 6

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, …

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 7

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 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

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 9

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 10

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.

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 11

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

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 12

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 ? ? ? ?

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 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 2013 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 2013 15

“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)

Giulia Giordano Conferenza di dottorato, Università degli Studi di Udine, 27 giugno 2013 16

Conclusioni

Grazie per l’attenzione!

È appena l’inizio, ma si prospettano sviluppi interessanti.