Master theses

Students from Italian and foreign universities can develop their thesis project at MOX, in modelling, applied mathematics, numerical analysis and statistics.
Please contact the proponent to discuss the project.

Genomic-based prediction of chemotherapy-immune behavior in patients affected by Hodgkin Lymphoma


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

La tesi si propone di investigare tecniche di Machine Learning e Statistical modelling per l'identificazione di pattern di correlazione tra espressioni geniche e refrattarietà alla chemioterapia in pazienti affetti da Linfoma di Hodgkin.



Carte di controllo multivariate per ottimizzazione di processi industriali


Advisor: Anna Maria Paganoni    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

La tesi vuole rispondere ad una domanda di ricerca posta dalla ditta GEWISS che si occupa di stampa ad iniezione. Il problema riguarda lo studio di alcune variabili che entrano in gioco nel processo al fine di ottimizzare congiuntamente la produzione. Tale attività di tesi prevede una stretta sinergia lavorativa con tale azienda. La tesi si inserisce nella linea di ricerca su . Il lavoro, pensato per una persona, ha un contenuto modellistico medio, un contenuto teorico medio e un contenuto di programmazione elevato. Complessivamente si tratta di una tesi di media difficoltà. Si consiglia di consultare la seguente bibliografia essenziale: I requisiti richiesti al laureando sono: Corsi del percorso Applied Statistics



Applicazione di tecniche di Machine Learning per l'analisi di immagini in ambito radio oncomico


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Il progresso della radioterapia nella cura delle lesioni tumorali pone sfide importanti alla modellistica di supporto della prognosi medica. L'analisi delle immagini provenienti dalle strumentazioni radiologiche richiede lo sviluppo di opportuni modelli di previsione per personalizzare la terapia del paziente. La tesi si inserisce nella linea di ricerca su Health Analytics.



Machine learning for personalized treatment planning of radiotherapy


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

The joint application of Machine Learning approaches and statistical models are required to investigate relationships among genetic features and toxicity in patients undergoing radiotherapy for prostate cancer. The thesis is part of a wider project, within a collaboration with Istituto Nazionale dei Tumori. Programming and computing skills (R, Python, C++) are required.
       



Algebraic Dynamic Multilevel method with local time-stepping (ADM-LTS) for simulations of multiphase flow with an adaptive saturation intepolator


Advisor: Luca Formaggia    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Context: Simulation of multiphase flow in natural formations requires to deal with many difficulties deriving from the multi-scale (both in time and space) nature of the process. In fact, geological formations have very large length scales compared to those at which most physical and chemical interactions occur. Additionally, even at the so called Darcy scale, natural porous media have highly heterogeneous properties (e.g, permeability). To accurately capture the physics of interest very high resolution grids are required. However, the size of the domains make high resolution simulations impractical for field-scale applications. The Algebraic Dynamic Multilevel (ADM) method [1] was introduced to allow to employ a dynamically defined grid resolution to highly heterogeneous domains. The system of
equations is discretized on a high-resolution grid (referred to as fine-scale) and then mapped to coarser grid resolutions in those regions where a high-resolution is not required.
Mapping the unknowns across different resolutions is performed through sequences of restriction and prolongation (interpolation) operators.
In [2] an adaptive multilevel prolongation operator for saturation unknowns is considered. This approach allows for a better reconstruction of the saturation distribution behind the fast-moving
fronts, i.e., where the saturation changes are slow.


Objectives: We have surrently  implemented an Algebraic Dynamic Multilevel scheme with a mass conservative local time-stepping strategy (ADM-LTS) that employs an adaptive multilevel grid both in space
and in time. The method is able to use a fine grid resolution only at the location of the moving saturation fronts, with computational advantages.
The aim of the thesis is to study the adaptive multilevel prolongation operator and to integrate it in the ADM-LTS approach already implemented in a MATLAB research code, test it and validate on academic
test cases.

[1] M. Cusini, C. van Kruijsdijk, H. Hajibeygi, Algebraic dynamic multilevel (ADM) method for fully implicit simulations of multiphase flow in porous media, Journal of Computational Physics 314 (2016) 60 – 79.

[2] M. Cusini, H. Hajibeygi, Algebraic dynamic multilevel (ADM) method for simulations of multiphase flow with an adaptive saturation interpolator, in: ECMOR XVI-16th European Conference on the Mathematics of Oil Recovery, 2018

Prerequisite: Basic knowledge of numerical methods for partial differential equations of parabolic and hyperbolic type. Programming in MATLAB

Plan of work. Study the current literature on ADM/ADM-LTS schemes. Understand the current MATLAB code. Study how to implement the algebraic dynamic multilevel method. Implement it in the MATLAB code and run some tests, analysing the results in terms of accuracy and efficiency.

Main spervisor: Luca Formaggia

Support Team: Ludovica del Popolo Carcioppolo (PhD student, developer of the MATLAB code), Anna Scotti (Assistant Professor).



Finite volume methods on unstructured meshes for numerical weather prediction


Advisor: Luca Bonaventura    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Carte di controllo per Misure di Profondità : applicazioni al monitoraggio ambientale o di performance sanitarie


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Le misure di profondità sono uno strumento non parametrico per l'identificazion di outlier in ambito multivariato, funzionale e funzionale multivariato. Le applicazioni di questi strumenti a contesti in cui le unità statistiche sono segnali ambientali (es: serie storiche di misurazioni climatologiche) o biomedici (es: curve elettrocardiografiche o elettroencefalografiche) consente di individuare segnali anomali. Il monitoraggio continuo dei segnali nel tempo e l'identificazione di anomalie vuole essere lo strumento per fare previsione di eventi estremi. La tesi si inserisce nella linea di ricerca su Statistica. Il lavoro, pensato per una persona, ha un contenuto modellistico elevato, un contenuto teorico elevato e un contenuto di programmazione elevato. Complessivamente si tratta di una tesi di elevata difficoltà . Si consiglia di consultare la seguente bibliografia essenziale: I requisiti richiesti al laureando sono: Sttistica Applicata, Modelli e Metodi per l'Inferenza Statistica, Programmazione in R (necessaria) e possibilmente C++



Sviluppo di algoritmi innovativi per l'Online Failure Prediction.


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

La tesi si svolge all'interno di un progtramma di collaborazione con ST



Scenari di lungo termine per la modellizzazione dei fabbisogni di bilanciamento del sistema elettrico


Advisor: Piercesare Secchi    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Nell’ambito di una collaborazione con il Dipartimento di Energia, la tesi affronta il tema dello sviluppo di un modello dei mercati e del sistema elettrico Italiano (anche in relazione a quello Europeo) che possa fornire scenari di lungo termine sulla quantificazione dei fabbisogni di energia per il bilanciamento del sistema elettrico. In particolare, sarà necessario modellare i mercati elettrici in Italia, analizzando quali sono i fattori che influenzano maggiormente la richiesta di energia per il bilanciamento del sistema elettrico in tempo reale. A partire dal modello costruito, si potranno definire diversi scenari di lungo termine in corrispondenza di scelte d’investimento differenti attuate sia dal comparto pubblico che da quello privato.
Visti gli obiettivi nazionali ed europei legati alla sostenibilità ambientale ed alle energie rinnovabili, tale argomento risulta di fondamentale importanza ed interesse sia per gli attori di mercato sia per gli enti istituzionali e governativi che gestiscono il sistema elettrico ed energetico nazionale.
Il database di riferimento, contenente i dati grezzi su cui lavorare, risulta essere molto ricco e comprenderà sia i dati pubblici di mercato ottenibili dal sito mercatoelettrico.org sia altri dati ritenuti rilevanti.
La tesi verrà svolta in stretta collaborazione con il Dipartimento di Energia.



Hazard based funnel plots: identifyin outliers in cancer survival


Advisor: Francesca Ieva    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Funnel plots are graphical tools designed to detect excessive variation in performance indicators by simple visual inspection of the data. Their main use in the  biomedical domain so far has been to detect publication bias inmetaanalyses, but they have also been recommended as the most appropriate way to display performance indicators for a vast range of health-related outcomes. The thesis aims at developing suitable methodology for designing funnel plot within the context of frailty survival models.

Programming skills are required (R or equivalent), together with preliminary knowledge of statistical modelling and applied statistics.



Algoritmi e modelli statistici per lo studio del Mercato per il Servizio di Dispacciamento


Advisor: Piercesare Secchi    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

Nell’ambito di una collaborazione con il Dipartimento di Energia, la tesi affronta il tema dello sviluppo di algoritmi statistici in grado di modellizzare efficacemente le dinamiche di mercato attuali e di breve termine legate al dispacciamento elettrico, con particolare riferimento alla definizione, clusterizzazione e caratterizzazione delle condizioni al contorno che ne influenzano il funzionamento. Visti gli obiettivi nazionali ed europei legati alla sostenibilità ambientale ed alle energie rinnovabili, tale argomento risulta di fondamentale importanza ed interesse sia per gli attori di mercato sia per gli enti istituzionali e governativi che gestiscono il sistema elettrico ed energetico nazionale.
Il database di riferimento, contenente i dati grezzi su cui lavorare, risulta essere molto ricco e comprenderà sia i dati pubblici di mercato ottenibili dal sito mercatoelettrico.org sia altri dati ritenuti rilevanti.
La tesi verrà svolta in stretta collaborazione con il Dipartimento di Energia, con l’eventuale possibilità di tradurre in un componente hardware, e verificare su impianti reali, l’algoritmo sviluppato durante il lavoro di tesi o successivamente alla sua conclusione.



Numerical models for flow in heterogeneous and fractured media


Advisor: Luca Formaggia    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

The study of underground flows is of paramount importance in environmental studies, geothermal exploitation, CO2 sequestration, oil and gas recovery. Subsoil is often heterogeneous and the additional presence of fractures or faults makes the development of effective numerical schemes very challenging. In the course of a series of Master thesis we have developed an original technique, based on mimetic finite differences, and the code for the solution of this type of flows in 3D domains. In this thesis we can, according to the student preference and attitudes, extend the model and numerical techniques in two different directions: 1) Couple the flow with a transport-diffusion equation for the transport of contaminants or other solutes. It involves the modelling of the probelm accounting for the presence of fractures, its discretization using the velocity provided by the existing scheme and the analysis of the convergence properties (theoretical or experimental). 2) The implementation of a-posteriori error indicator to assess the quality of the solution and possibly perform adaptive mesh refinement. La tesi si inserisce nella linea di ricerca su Metodi per equazioni alle derivate parziali. Il lavoro, pensato per una persona, ha un contenuto modellistico elevato, un contenuto teorico medio e un contenuto di programmazione elevato.

Complessivamente si tratta di una tesi di elevata difficoltà. Si consiglia di consultare la seguente bibliografia essenziale: Quarteroni,A., MODELLISTICA NUMERICA per PROBLEMI DIFFERENZIALI, Springer-VerlagMaster thesis of Jacopo de Ponti (available on PoliSelf or on request) Formaggia L. , Scotti A and Sottocasa F. Analysis of a mimetic finite difference approximation of flows in fractured porous media, M2AN, (2018), https://doi.org/10.1051/m2an/2017028 M Vohralik, S. Yousef, A simple a posteriori estimate on general polytopal meshes with applications to complex porous media flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2018 , https://doi.org/10.1016/j.cma.2017.11.027 I requisiti richiesti al laureando sono: Willingness to expand her/his knowledge of numerical methods for PDEs, good programming skill. The starting code is in C++ , rather well written and reasonably documented. If the work is good a publication of the result on a journal is a possible outcome.



Numerical models for fault reactivation based on Nitsche's formulation


Advisor: Luca Formaggia    Contact the proponent if interested in this project.
Abstract:

The exploitation of the underground because of oil/gas extraction, CO2 sequestration, geothermal energy storage or other human activities causes and alteration of the underground flow and may reactivate a fault, causing it to slip and generate seismic activity. To estimate the risk it is necessary to consider a coupled problem involving flow in faulted media, poroelasticity and frictional contact. It gives rise to a complex non-linear equations involving inequality constraints. An interesting approach consider the fault as an immersed interface and suitable conditions to represent the frictional contact along the fault. Numerically, the problem is solved resorting to a Nitsche formulation and extended finite elements. A prototype code has been developed and the student is requested to try different possible formulations. An original approach is to reinterpret the probloble as a non-linear control problem, another possibility is to use iterative techniques for a special formulation of the frictional contact problem along the fault. The thesis may be carried out by one or two persons. In the case of two students, it would be optima to have one students more oriented to scientific programming and the other to the theoretical analysis of the scheme. La tesi si inserisce nella linea di ricerca su Metodi per equazioni alle derivate parziali. Il lavoro, pensato per una persona, ha un contenuto modellistico elevato, un contenuto teorico elevato e un contenuto di programmazione elevato.

Complessivamente si tratta di una tesi di elevata difficoltà. Si consiglia di consultare la seguente bibliografia essenziale: Quarteroni,A., MODELLISTICA NUMERICA per PROBLEMI DIFFERENZIALI, Springer-VerlagC. Annavarrapu et al. A Nitsche stabilized finite element method for frictional sliding on embedded interfaces. Part I: Single interface, 2014, https://doi.org/10.1007/978-3-319-71431-8 Chouly F. et al, An Overview of Recent Results on Nitsche's Method for Contact Problems, 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-319-71431-8 Chouly et al, A Nitsche-Based Method for Unilateral Contact Problems: Numerical Analysis, 2013, https://doi.org/10.1137/12088344X J. Both et al, Robust fixed stress splitting for Biot's equations in heterogeneous media, 2016, https://doi.org/10.1016/j.aml.2016.12.019 Notes provided by the supervisors I requisiti richiesti al laureando sono: C++ programming skill, good knowledge of numerical methods for PDEs. Willingness to learn advanced numerical methods. Interest in modelling complex non-linear phenomena.