A software engineering approach to distributed systems for composite modeling

The goal of this thesis is to define and validate a software engineering approach for the development of a distributed system for the modeling of composite materials, based on the analysis of various existing software development methods. We reviewed the main features of: (1) software engineering methodologies; (2) distributed system characteristics and their effect on software development; (3) composite materials modeling activities and the requirements for the software development. Using the design science as a research methodology, the distributed system for creating models of composite materials is created and evaluated. Empirical experiments which we conducted showed good convergence of modeled and real processes. During the study, we paid attention to the matter of complexity and importance of distributed system and a deep understanding of modern software engineering methods and tools.

Evaluation of the GPS Accuracy of Tablets

Augmented Reality (AR) applications often require knowledge of the user’s position in some global coordinate system in order to draw the augmented content to its correct position on the screen. The most common method for coarse positioning is the Global Positioning System (GPS). One of the advantages of GPS is that GPS receivers can be found in almost every modern mobile device. This research was conducted in order to determine the accuracies of different GPS receivers. The tests included seven consumer-grade tablets, three external GPS modules and one professional-grade GPS receiver. All of the devices were tested with both static and mobile measurements. It was concluded that even the cheaper external GPS receivers were notably more accurate than the GPS receivers of the tested tablets. The absolute accuracy of the tablets is difficult to determine from the test results, since the results vary by a large margin between different measurements. The accuracy of the tested tablets in static measurements were between 0.30 meters and 13.75 meters.

Paikkatiedon hyödyntäminen Jabber-pikaviestintäohjelmistossa

Työn teoriaosuudessa tutustutaan ensin paikkatiedon käsitteeseen ja paikkatietoa hyödyntäviin palveluihin. Lisäksi perehdytään paikannukseen langattomissa lähiverkoissa ja erityisesti paikannukseen tämän diplomityön osalta käytettävässä verkossa. Työn teoriaosuudessa tutustutaan myös paikkatietoa hyödyntävien palveluiden hyöty- sekä haittanäkökulmiin. Teoriaosuudessa käydään myös läpi tällä hetkellä yleisimmät pikaviestintäarkkitehtuurit ja tutustutaan tarkemmin Jabber–pikaviestintäohjelmiston käyttämään protokollaan. Lopuksi tarkastellaan paikkatiedon hyödyntämiseen liittyviä lakiteknisiä seikkoja ja henkilön yksityisyyden suojaa. Diplomityön käytännön osuudessa tutustutaan paikkatietoa hyödyntävän palvelinkomponentin toteutukseen Jabber–arkkitehtuuria hyväksikäyttäen. Jabber-palvelinohjelmisto ja tehty komponentti toimivat langattomassa lähiverkossa (WLPR.NET), jota ylläpitää Lappeenrannan teknillisen yliopiston tietoliikennetekniikan laitos. Verkon käyttäjät voivat rekisteröityä palvelun käyttäjiksi, jonka jälkeen palvelinkomponentti pitää kirjaa rekisteröityneiden käyttäjien paikkatiedosta ja sen muutoksista. Lisäksi käyttäjät voivat hakea muiden käyttäjien paikkatietoa asiakasohjelmistossa toimivan hakutoiminnon avulla. Käyttäjien paikkatieto saadaan käyttämällä jo olemassa olevaa tekniikkaa.

Hajautettujen asiakasverkkoyhteyksien valvonta

Tässä diplomityössä tutkitaan kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa hajautetussa järjestelmässä. Työssä perehdytään tavallisten tietojärjestelmien ja hajautettujen järjestelmien eroihin, kyseisten järjestelmien ominaispiirteisiin sekä käsitellään mitä verkonvalvonta on yleisellä tasolla ja miten se on yleensä toteutettu tavallisissa tietojärjestelmissä. Tutkitaan tarkemmin kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa tehokkaasti hajautetussa järjestelmässä sekä mitä vaatimuksia ja haasteita verkonvalvonnassa esiintyy. Tutkimukseen valittiin myös kaksi hajautetun järjestelmän verkonvalvontaan kehitettyä valvontaohjelmistoa sekä yksi laitteistopohjainen ratkaisu joita tutkitaan ja vertaillaan tarkemmin.Selvitetään onko yrityksen kannattavaa ja valvonnan kannalta tehokasta ottaa tämänkaltaista järjestelmää käyttöön. Lopputuloksena työssä on esiteltyinä kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa hajautetussa järjestelmässä ja miten olemassa olevat haasteet voidaan ratkaista. Toteutusvaihtoehdot tutkittiin ja niistä valittiin paras vaihtoehto (perfSONAR) toteutustavaksi kohdeorganisaation asiakasverkkoyhteyksien valvontaan. Lopuksi esitellään toteutussuunnitelma yrityksen asiakasyhteyksien valvomiseen tarkoitetulle verkonvalvonnalle.

Real-time Image-based RGB-D Camera Motion Tracking and Environment Mapping

In this work, image based estimation methods, also known as direct methods, are studied which avoid feature extraction and matching completely. Cost functions use raw pixels as measurements and the goal is to produce precise 3D pose and structure estimates. The cost functions presented minimize the sensor error, because measurements are not transformed or modified. In photometric camera pose estimation, 3D rotation and translation parameters are estimated by minimizing a sequence of image based cost functions, which are non-linear due to perspective projection and lens distortion. In image based structure refinement, on the other hand, 3D structure is refined using a number of additional views and an image based cost metric. Image based estimation methods are particularly useful in conditions where the Lambertian assumption holds, and the 3D points have constant color despite viewing angle. The goal is to improve image based estimation methods, and to produce computationally efficient methods which can be accomodated into real-time applications. The developed image-based 3D pose and structure estimation methods are finally demonstrated in practise in indoor 3D reconstruction use, and in a live augmented reality application.

3D Mesh Simplification. A survey of algorithms and CAD model simplification tests

Simplification of highly detailed CAD models is an important step when CAD models are visualized or by other means utilized in augmented reality applications. Without simplification, CAD models may cause severe processing and storage is- sues especially in mobile devices. In addition, simplified models may have other advantages like better visual clarity or improved reliability when used for visual pose tracking. The geometry of CAD models is invariably presented in form of a 3D mesh. In this paper, we survey mesh simplification algorithms in general and focus especially to algorithms that can be used to simplify CAD models. We test some commonly known algorithms with real world CAD data and characterize some new CAD related simplification algorithms that have not been surveyed in previous mesh simplification reviews.

Digitaalisen tarinankerronnan hyödyntäminen peruskouluissa

Työn tavoitteena on selvittää, minkälaisia mahdollisuuksia digitaalinen tarinankerronta antaa peruskouluissa. Työssä käsitellään digitaalinen tarinankerronta ja se, miten sitä hyödynnetään opetuksessa. Työn taustana on opetushallituksen laatima opetussuunnitelma 2016. Opetussuunnitelmassa uutena on ohjelmointi, jota käsitellään työssä vähän tarkemmin. Tulevaisuudessa teknologia, kuten koodaus ja robotiikka sekä lisätty todellisuus voivat tukea luovuutta, innovatiivisuutta ja ongelmanratkaisukykyä. Työ on kirjallisuuskatsaus, jossa aihetta analysoidaan lähdekirjallisuuden avulla. Digitaalisella tarinankerronnalla luokkahuoneessa on rajattomat mahdollisuudet. Digitaalinen tarinankerronta tukee uuden opetussuunnitelman tavoitteita. Digitaalisen tarinankerronnan avulla voidaan osallistaa lapset oppimisprosessiin, heidän omia vahvuuksia saadaan esille sekä he pääsevät itse oivaltamaan ja ratkomaan ongelmia. Ohjelmointi, robotiikka ja lisätty todellisuus antavat uusia työkaluja opetukseen. Ohjelmointi on älyllisesti motivoiva ajattelutapa. Teknologian käyttö opetuksessa lisää opiskelumotivaatiota ja yhdessä tekemisen iloa.

Reasoning over knowledge-based generation of situations in context spaces to reduce food waste

With the ever-growing amount of connected sensors (IoT), making sense of sensed data becomes even more important. Pervasive computing is a key enabler for sustainable solutions, prominent examples are smart energy systems and decision support systems. A key feature of pervasive systems is situation awareness which allows a system to thoroughly understand its environment. It is based on external interpretation of data and thus relies on expert knowledge. Due to the distinct nature of situations in different domains and applications, the development of situation aware applications remains a complex process. This thesis is concerned with a general framework for situation awareness which simplifies the development of applications. It is based on the Situation Theory Ontology to provide a foundation for situation modelling which allows knowledge reuse. Concepts of the Situation Theory are mapped to the Context Space Theory which is used for situation reasoning. Situation Spaces in the Context Space are automatically generated with the defined knowledge. For the acquisition of sensor data, the IoT standards O-MI/O-DF are integrated into the framework. These allow a peer-to-peer data exchange between data publisher and the proposed framework and thus a platform independent subscription to sensed data. The framework is then applied for a use case to reduce food waste. The use case validates the applicability of the framework and furthermore serves as a showcase for a pervasive system contributing to the sustainability goals. Leading institutions, e.g. the United Nations, stress the need for a more resource efficient society and acknowledge the capability of ICT systems. The use case scenario is based on a smart neighbourhood in which the system recommends the most efficient use of food items through situation awareness to reduce food waste at consumption stage.

Agent-augmented process automation system in a panel board factory

Kiristyvä kansainvälinen kilpailu pakottaa automaatiojärjestelmien valmistajat ottamaan käyttöön uusia menetelmiä, joiden avulla järjestelmien suorituskykyä ja joustavuutta saadaan parannettua. Agenttiteknologiaa on esitetty käytettäväksi olemassa olevien automaatiojärjestelmien kanssa vastaamaan automaatiolle asetettaviin uusiin haasteisiin. Agentit ovat itsenäisiä yhteisöllisiä toimijoita, jotka suorittavat niille ennalta määrättyjä tehtäviä. Ne tarjoavat yhtenäisen kehyksen kehittyneiden toimintojen toteutukselle. Agenttiteknologian avulla automaatiojärjestelmä saadaan toimimaan joustavasti ja vikasietoisesti. Tässä työssä selostetaan agenttiteknologian ajatuksia ja käsitteitä. Lisäksi selvitetään sen soveltuvuutta monimutkaisten ohjausjärjestelmien kehittämiseen ja etsitään käyttökohteita sen soveltamiselle levytehtaassa. Työssä käsitellään myös aatteita, jotka ovat johtaneet agenttiteknologian käyttöön automaatiojärjestelmissä, sekä selostetaan agenttiavusteisen esimerkkisovelluksen rakenne ja testitulokset. Tutkimuksen tuloksena löydettiin useita kohteita agenttiteknologian käytölle levytehtaassa. Esimerkkisovellus osoittaa sen sopivan hyvin kehittyneiden toimintojen toteutukseen automaatiojärjestelmissä.

Delivery system for location based information in wireless IP networks

Tämä työ esittelee uuden tarjota paikasta riippuvaa tietoa langattomien tietoverkkojen käyttäjille. Tieto välitetään jokaiselle käyttäjälle tietämättä mitään käyttäjän henkilöllisyydestä. Sovellustason protokollaksi valittiin HTTP, joka mahdollistaa tämän järjestelmän saattaa tietoa perille useimmille käyttäjille, jotka käyttävät hyvinkin erilaisia päätelaitteita. Tämä järjestelmä toimii sieppaavan www-liikenteen välityspalvelimen jatkeena. Erilaisten tietokantojen sisällä on perusteella järjestelmä päättää välitetäänkö tietoa vai ei. Järjestelmä sisältää myös yksinkertaisen ohjelmiston käyttäjien paikantamiseksi yksittäisen tukiaseman tarkkuudella. Vaikka esitetty ratkaisu tähtääkin paikkaan perustuvien mainosten tarjoamiseen, se on helposti muunnettavissa minkä tahansa tyyppisen tiedon välittämiseen käyttäjille.

Innovatiivisuuden merkitys yrityksessä ja alueellinen innovaatioympäristö

Innovaatioista on viime aikoina tullut entistä tärkeämpiä kilpailukyvyn lähteitä kansantalouksille sekä niiden sisällä toimiville alueille. Innovaatiotoiminta on nostettu yhdeksi keskeisimmistä tekijöistä yritysten sekä alueiden välisessä kilpailussa. Tässä tutkimuksessa selvitetään, ovatko innovatiiviset yritykset menestyneet muita saman toimialan yrityksiä paremmin ja mikä on ollut alueellisen innovaatioympäristön osuus niiden menestyksessä tai menestymättömyydessä? Tutkimuksessa perehdytään ensin aihealueeseen teoriatiedon sekä aiempien tutkimustulosten avulla. Tutkimuksen empiirisessä osuudessa mukana on ollut yhteensä 36 eteläsavolaista yritystä, jotka toimivat yhteensä seitsemällä eri toimialalla. Jokaisessa yrityksessä on käyty paikan päällä tekemässä syvähaastattelu. Yritysten menestystä mitattiin kasvua, kannattavuutta sekä pääomarakennetta kuvaavien tunnuslukujen avulla. Tunnuslukujen perusteella saatuja tuloksia syvennettiin haastattelujen tuloksilla. Tutkimuksessa havaittiin, että innovatiiviset yritykset olivat menestyneet hieman muita yrityksiä paremmin, mutta ero vertailuryhmien välillä ei ollut kovin suuri. Lisäksi havaittiin, ettei innovatiivisuus takaa yritykselle hyvää menestystä, vaan lähinnä antaa vain mahdollisuuden poikkeukselliseen menestymiseen. Innovaatioympäristönä Etelä-Savoa pidettiin yritysten innovaatiotoimintaa tukevana, mutta myös kehitettävää löytyi. Alueellisen innovaatioympäristön tärkeimpinä kehityskohteina nousivat esiin julkisten innovaatiopalveluiden sekä yritysten välisen yhteistyön toimivuus ja innovatiivisen miljöön luominen alueelle.

Determining the location for a mobile device by utilization of local resources of the environment

The subject being analyzed of this Master’s Thesis is a development of a service that is used to define a current location of a mobile device. The service utilized data that is obtained from own GPS receiver in some possible cases and as well data from mobile devices which can be afforded for the current environment for acquisition of more precise position of the device. The computation environment is based on context of a mobile device. The service is implemented as an application for communicator series Nokia N8XX. The Master’s Thesis presents theoretical concept of the method and its practical implementation, architecture of the application, requirements and describes a process of its functionality. Also users’ work with application is presented and recommendations for possible future improvements are made.

The effects of location, feedstock availability, and supply-chain logistics on the greenhouse gas emissions of forest-biomass energy utilization in Finland

Forest biomass represents a geographically distributed feedstock, and geographical location affects the greenhouse gas (GHG) performance of a given forest-bioenergy system in several ways. For example, biomass availability, forest operations, transportation possibilities and the distances involved, biomass end-use possibilities, fossil reference systems, and forest carbon balances all depend to some extent on location. The overall objective of this thesis was to assess the GHG emissions derived from supply and energy-utilization chains of forest biomass in Finland, with a specific focus on the effect of location in relation to forest biomass’s availability and the transportation possibilities. Biomass availability and transportation-network assessments were conducted through utilization of geographical information system methods, and the GHG emissions were assessed by means of lifecycle assessment. The thesis is based on four papers in which forest biomass supply on industrial scale was assessed. The feedstocks assessed in this thesis include harvesting residues, smalldiameter energy wood and stumps. The principal implication of the findings in this thesis is that in Finland, the location and availability of biomass in the proximity of a given energyutilization or energy-conversion plant is not a decisive factor in supply-chain GHG emissions or the possible GHG savings to be achieved with forest-biomass energy use. Therefore, for the greatest GHG reductions with limited forest-biomass resources, energy utilization of forest biomass in Finland should be directed to the locations where most GHG savings are achieved through replacement of fossil fuels. Furthermore, one should prioritize the types of forest biomass with the lowest direct supply-chain GHG emissions (e.g., from transport and comminution) and the lowest indirect ones (in particular, soil carbon-stock losses), regardless of location. In this respect, the best combination is to use harvesting residues in combined heat and power production, replacing peat or coal.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.