Bigraphs with sharing and applications in wireless networks

Bigraphs are a fully graphical process algebraic formalism, capable of representing both the position in space of agents and their inter-connections. However, they assume a topology based on sets of trees and thus cannot represent spatial locations that are shared among several entities in a simple or intuitive way. This is a problem, because shared locations are often a requirement, for example, when modelling scenarios in the physical world or in modern complex computer systems such as wireless networks and spatial-aware applications in ubiquitous computing. We propose bigraphs with sharing, a generalisation of the original definition of bigraphs, to allow for overlapping topologies. The new locality model is based on directed acyclic graphs. We demonstrate the new formalism can be defined in the general framework of bigraphical theories and wide reactive systems, as originally devised by Robin Milner. We do so by defining a categorical interpretation of bigraphs with sharing, an axiomatisation derived from the equations of a bialgebra over finite ordinals, and a normal form to express bigraphical terms. We illustrate how sharing is essential for modelling overlapping localities by presenting two example case studies in the field of wireless networking. We show that bigraphs with sharing can be used realistically in a production environment by describing the implementation of an efficient matching algorithm and a software tool for the definition, simulation, visualisation and analysis of bigraphical reactive systems

Modeling and querying spatio-temporal clinical databases with multiple granularities

In molti campi di ricerca, i ricercatori hanno la necessit\ue0 di memorizzare, gestire e interrogare dati spazio-temporali. Tali dati sono classici dati alfanumerici arricchiti per\uf2 con una o pi\uf9 componenti temporali, spaziali e spazio-temporali che, con diversi possibili significati, li localizzano nel tempo e/o nello spazio. Ambiti in cui tali dati spazio-temporali devono essere raccolti e gestiti sono, per esempio, la gestione del territorio o delle risorse naturali, l'epidemiologia, l'archeologia e la geografia. Pi\uf9 in dettaglio, per esempio nelle ricerche epidemiologiche, i dati spazio-temporali possono servire a rappresentare diversi aspetti delle malattie e delle loro caratteristiche, quali per esempio la loro origine, espansione ed evoluzione e i fattori di rischio potenzialmente connessi alle malattie e al loro sviluppo. Le componenti spazio-temporali dei dati possono essere considerate come dei "meta-dati" che possono essere sfruttati per introdurre nuovi tipi di analisi sui dati stessi. La gestione di questi "meta-dati" pu\uf2 avvenire all'interno di diversi framework proposti in letteratura. Uno dei concetti proposti a tal fine \ue8 quello delle granularit\ue0. In letteratura c'\ue8 ampio consenso sul concetto di granularit\ue0 temporale, di cui esistono framework basati su diversi approcci. D'altro canto, non esiste invece un consenso generale sulla definizione di un framework completo, come quello delle granularit\ue0 temporali, per le granularit\ue0 spaziali e spazio-temporali. Questa tesi ha lo scopo di riempire questo vuoto proponendo un framework per le granularit\ue0 spaziali e, basandosi su questo e su quello gi\ue0 presente in letteratura per le granularit\ue0 temporali, un framework per le granularit\ue0 spazio-temporali. I framework proposti vogliono essere completi, per questo, oltre alle definizioni dei concetti di granularit\ue0 spaziale e spazio-temporale, includono anche la definizione di diversi concetti legati alle granularit\ue0, quali per esempio le relazioni e le operazioni tra granularit\ue0. Le relazioni permettono di conoscere come granularit\ue0 diverse sono legate tra loro, costruendone anche una gerarchia. Tali informazioni sono poi utili al fine di conoscere se e come \ue8 possibile confrontare dati associati e rappresentati con granularit\ue0 diverse. Le operazioni permettono invece di creare nuove granularit\ue0 a partire da altre granularit\ue0 gi\ue0 definite nel sistema, manipolando o selezionando alcune loro componenti. Basandosi su questi framework, l'obiettivo della tesi si sposta poi sul mostrare come le granularit\ue0 possano essere utilizzate per arricchire basi di dati spazio-temporali gi\ue0 esistenti al fine di una loro migliore e pi\uf9 ricca gestione e interrogazione. A tal fine, proponiamo qui una base di dati per la gestione dei dati riguardanti le granularit\ue0 temporali, spaziali e spazio-temporali. Nella base di dati proposta possono essere rappresentate tutte le componenti di una granularit\ue0 come definito nei framework proposti. La base di dati pu\uf2 poi essere utilizzata per estendere una base di dati spazio-temporale esistente aggiungendo alle tuple di quest'ultima delle referenze alle granularit\ue0 dove quei dati possono essere localizzati nel tempo e/o nel spazio. Per dimostrare come ci\uf2 possa essere fatto, nella tesi introduciamo la base di dati sviluppata ed utilizzata dal Servizio Psichiatrico Territoriale (SPT) di Verona. Tale base di dati memorizza le informazioni su tutti i pazienti venuti in contatto con l'SPT negli ultimi 30 anni e tutte le informazioni sui loro contatti con il servizio stesso (per esempio: chiamate telefoniche, visite a domicilio, ricoveri). Parte di tali informazioni hanno una componente spazio-temporale e possono essere quindi analizzate studiandone trend e pattern nel tempo e nello spazio. Nella tesi quindi estendiamo questa base di dati psichiatrica collegandola a quella proposta per la gestione delle granularit\ue0. A questo punto i dati psichiatrici possono essere interrogati anche sulla base di vincoli spazio-temporali basati su granularit\ue0. L'interrogazione di dati spazio-temporali associati a granularit\ue0 richiede l'utilizzo di un linguaggio d'interrogazione che includa, oltre a strutture, operatori e funzioni spazio-temporali per la gestione delle componenti spazio-temporali dei dati, anche costrutti per l'utilizzo delle granularit\ue0 nelle interrogazioni. Quindi, partendo da un linguaggio d'interrogazione spazio-temporale gi\ue0 presente in letteratura, in questa tesi proponiamo anche un linguaggio d'interrogazione che permetta ad un utente di recuperare dati da una base di dati spazio-temporale anche sulla base di vincoli basati su granularit\ue0. Il linguaggio viene introdotto fornendone la sintassi e la semantica. Inoltre per mostrare l'effettivo ruolo delle granularit\ue0 nell'interrogazione di una base di dati clinica, mostreremo diversi esempi di interrogazioni, scritte con il linguaggio d'interrogazione proposto, sulla base di dati psichiatrica dell'SPT di Verona. Tali interrogazioni spazio-temporali basate su granularit\ue0 possono essere utili ai ricercatori ai fini di analisi epidemiologiche dei dati psichiatrici.In several research fields, temporal, spatial, and spatio-temporal data have to be managed and queried with several purposes. These data are usually composed by classical data enriched with a temporal and/or a spatial qualification. For instance, in epidemiology spatio-temporal data may represent surveillance data, origins of disease and outbreaks, and risk factors. In order to better exploit the time and spatial dimensions, spatio-temporal data could be managed considering their spatio-temporal dimensions as meta-data useful to retrieve information. One way to manage spatio-temporal dimensions is by using spatio-temporal granularities. This dissertation aims to show how this is possible, in particular for epidemiological spatio-temporal data. For this purpose, in this thesis we propose a framework for the definition of spatio-temporal granularities (i.e., partitions of a spatio-temporal dimension) with the aim to improve the management and querying of spatio-temporal data. The framework includes the theoretical definitions of spatial and spatio-temporal granularities (while for temporal granularities we refer to the framework proposed by Bettini et al.) and all related notions useful for their management, e.g., relationships and operations over granularities. Relationships are useful for relating granularities and then knowing how data associated with different granularities can be compared. Operations allow one to create new granularities from already defined ones, manipulating or selecting their components. We show how granularities can be represented in a database and can be used to enrich an existing spatio-temporal database. For this purpose, we conceptually and logically design a relational database for temporal, spatial, and spatio-temporal granularities. The database stores all data about granularities and their related information we defined in the theoretical framework. This database can be used for enriching other spatio-temporal databases with spatio-temporal granularities. We introduce the spatio-temporal psychiatric case register, developed by the Verona Community-based Psychiatric Service (CPS), for storing and managing information about psychiatric patient, their personal information, and their contacts with the CPS occurred in last 30 years. The case register includes both clinical and statistical information about contacts, that are also temporally and spatially qualified. We show how the case register database can be enriched with spatio-temporal granularities both extending its structure and introducing a spatio-temporal query language dealing with spatio-temporal data and spatio-temporal granularities. Thus, we propose a new spatio-temporal query language, by defining its syntax and semantics, that includes ad-hoc features and constructs for dealing with spatio-temporal granularities. Finally, using the proposed query language, we report several examples of spatio-temporal queries on the psychiatric case register showing the ``usage'' of granularities and their role in spatio-temporal queries useful for epidemiological studies

Sets as graphs

The aim of this thesis is a mutual transfer of computational and structural results and techniques between sets and graphs. We study combinatorial enumeration of sets, canonical encodings, random generation, digraph immersions. We also investigate the underlying structure of sets in algorithmic terms, or in connection with hereditary graphs classes. Finally, we employ a set-based proof-checker to verify two classical results on claw-free graph

A generic, collaborative framework for internal constraint solving

Esta tesis propone un esquema genérico y cooperativo para CLP(Interval(X)) donde X es cualquier dominio de computación con estructura de retículo. El esquema, que está basado en la teoría de retículos, es un enfoque general para la satisfacción y op-timización de restricciones de intervalo así como para la cooperación de resolutores de intervalo definidos sobre dominios de computación con estructura de retículos, independientemente de la cardinalidad de estos. Nuestra propuesta asegura un enfoque transparente sobre el cual las restricciones, los dominios de computación y los mecanismos de propagación y cooperación, definidos entre las variables restringidas, pueden ser fácilmente especificados a nivel del usuario. La parte principal de la tesis presenta una especificación formal de este esquema.Los principales resultados conseguidos en esta tesis son los siguientes:Una comparativa global de la eficiencia y algunos aspectos de la expresividad de ocho sistemas de restricciones. Esta comparativa, realizada sobre el dominio finito y el dominio Booleano, muestra diferencias principales entre los sistemas de restricciones existentes.Para formalizar el marco de satisfacción de restricciones para CLP(Interval(X))hemos descrito el proceso global de resolución de restricciones de intervalo sobre cualquier retículo, separando claramente los procesos de propagación y división (ramificación) de intervalos. Una de las ventajas de nuestra propuesta es que la monótona de las restricciones esta implícitamente definida en la teoría. Además, declaramos un conjunto de propiedades interesantes que, bajo ciertas condiciones, son satisfechas por cualquier instancia del esquema genérico. Mas aún, mostramos que muchos sistemas de restricciones actualmente existentes satisfacen estas condiciones y, además, proporcionamos indicaciones sobre como extender el sistema mediante la especificación de otras instancias interesantes y novedosas. Nuestro esquema para CLP(Interval(X)) permite la cooperación de resolutores de manera que la información puede ⁰uir entre diferentes dominios de computación.Además, es posible combinar distintas instancias del esquema: por ejemplo, instancias bien conocidas tales como CLP(Interval(<)), CLP(Interval(Integer)),CLP(Interval(Set)), CLP(Interval(Bool)), y otras novedosas que son el resultado de la generación de nuevos dominios de computación definidos por el usuario, o incluso que surgen de la combinación de dominios ya existentes como puede ser CLP(Interval(X1 £ : : : £ Xn)). Por lo tanto, X puede ser instanciado a cualquier conjunto de dominios de computación con estructura de retículo de forma que su correspondiente instancia CLP(Interval(X)) permite una amplia flexibilidad en la definición de dominios en X (probablemente definidos por el usuario) y en la interaccion entre estos dominios.Mediante la implementacion de un prototipo, demostramos que un unico sistema,que este basado en nuestro esquema para CLP(Interval(X)), puede proporcionarsoporte para la satisfaccion y la optimizacion de restricciones as como para la cooperacion de resolutores sobre un conjunto conteniendo multiples dominios decomputacion. Ademas, el sistema sigue un novedoso enfoque transparente sujeto a una doble perspectiva ya que el usuario puede definir no solo nuevas restricciones y su mecanismo de propagacion, sino tambien nuevos dominios sobre los cuales nuevas restricciones pueden ser resueltas as como el mecanismo de cooperacion entre todos los dominios de computación (ya sean definidos por el usuario o predefinidos por el sistema).En nuestra opinión, esta tesis apunta nuevas y potenciales direcciones de investigación dentro de la comunidad de las restricciones de intervalo.Para alcanzar los resultados expuestos, hemos seguido los siguientes pasos (1) la elección de un enfoque adecuado sobre el cual construir los fundamentos teóricos de nuestro esquema genérico; (2) la construcción de un marco teórico genérico (que llamaremos el marco básico) para la propagación de restricciones de intervalo sobre cualquier retículo; (3) la integración, en el marco básico, de una técnica novedosa que facilita la cooperación de resolutores y que surge de la definición, sobre múltiples dominios, de operadores de restricciones y (4) la extensión del marco resultante para la resolución y optimización completa de las restricciones de intervalo.Finalmente presentamos clp(L), un lenguaje de programación lógica de restricciones de intervalo que posibilita la resolución de restricciones sobre cualquier conjunto de retículos y que esta implementado a partir de las ideas formalizadas en el marco teórico. Describimos una primera implementación de este lenguaje y desarrollamos algunos ejemplos de como usarla. Este prototipo demuestra que nuestro esquema para CLP(Interval(X)) puede ser implementado en un sistema único que, como consecuencia, proporciona, bajo un enfoque transparente sobre dominios y restricciones, cooperación de resolutores así como satisfacción y optimización completa de restricciones sobre diferentes dominios de computación