Variational ensemble Kalman filtering applied to data assimilation problems in computational fluid dynamics

One challenge on data assimilation (DA) methods is how the error covariance for the model state is computed. Ensemble methods have been proposed for producing error covariance estimates, as error is propagated in time using the non-linear model. Variational methods, on the other hand, use the concepts of control theory, whereby the state estimate is optimized from both the background and the measurements. Numerical optimization schemes are applied which solve the problem of memory storage and huge matrix inversion needed by classical Kalman filter methods. Variational Ensemble Kalman filter (VEnKF), as a method inspired the Variational Kalman Filter (VKF), enjoys the benefits from both ensemble methods and variational methods. It avoids filter inbreeding problems which emerge when the ensemble spread underestimates the true error covariance. In VEnKF this is tackled by resampling the ensemble every time measurements are available. One advantage of VEnKF over VKF is that it needs neither tangent linear code nor adjoint code. In this thesis, VEnKF has been applied to a two-dimensional shallow water model simulating a dam-break experiment. The model is a public code with water height measurements recorded in seven stations along the 21:2 m long 1:4 m wide flume’s mid-line. Because the data were too sparse to assimilate the 30 171 model state vector, we chose to interpolate the data both in time and in space. The results of the assimilation were compared with that of a pure simulation. We have found that the results revealed by the VEnKF were more realistic, without numerical artifacts present in the pure simulation. Creating a wrapper code for a model and DA scheme might be challenging, especially when the two were designed independently or are poorly documented. In this thesis we have presented a non-intrusive approach of coupling the model and a DA scheme. An external program is used to send and receive information between the model and DA procedure using files. The advantage of this method is that the model code changes needed are minimal, only a few lines which facilitate input and output. Apart from being simple to coupling, the approach can be employed even if the two were written in different programming languages, because the communication is not through code. The non-intrusive approach is made to accommodate parallel computing by just telling the control program to wait until all the processes have ended before the DA procedure is invoked. It is worth mentioning the overhead increase caused by the approach, as at every assimilation cycle both the model and the DA procedure have to be initialized. Nonetheless, the method can be an ideal approach for a benchmark platform in testing DA methods. The non-intrusive VEnKF has been applied to a multi-purpose hydrodynamic model COHERENS to assimilate Total Suspended Matter (TSM) in lake Säkylän Pyhäjärvi. The lake has an area of 154 km2 with an average depth of 5:4 m. Turbidity and chlorophyll-a concentrations from MERIS satellite images for 7 days between May 16 and July 6 2009 were available. The effect of the organic matter has been computationally eliminated to obtain TSM data. Because of computational demands from both COHERENS and VEnKF, we have chosen to use 1 km grid resolution. The results of the VEnKF have been compared with the measurements recorded at an automatic station located at the North-Western part of the lake. However, due to TSM data sparsity in both time and space, it could not be well matched. The use of multiple automatic stations with real time data is important to elude the time sparsity problem. With DA, this will help in better understanding the environmental hazard variables for instance. We have found that using a very high ensemble size does not necessarily improve the results, because there is a limit whereby additional ensemble members add very little to the performance. Successful implementation of the non-intrusive VEnKF and the ensemble size limit for performance leads to an emerging area of Reduced Order Modeling (ROM). To save computational resources, running full-blown model in ROM is avoided. When the ROM is applied with the non-intrusive DA approach, it might result in a cheaper algorithm that will relax computation challenges existing in the field of modelling and DA.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Absorptiivinen kapasiteetti käytäntölähtöisessä innovaatiotoiminnassa Päijät-Hämeessä

Tutkimuksessa arvioidaan millaisia kyvykkyyksiä toimijoiltavaaditaan, jotta voidaan edistää verkostoja palvelevan innovaatiopolitiikan toteutumista ja toteuttaa käytäntölähtöistä innovaatiotoimintaa. Empiirinen osa tarkastelee Päijät-Hämeen toimijoiden asenneympäristöä ja toimimisen valmiuksia käytäntölähtöisen innovaatiotoiminnan tarpeisiin sopivaksi. Osaaminen kerääntyy yliopistopaikkakunnille ulkoisten suurtuotannon etujen mukaisesti. Ne alueet, joilla ei ole yliopistoa joutuvat luomaan muunlaista innovaatiokyvykkyyttä saavuttaakseen kilpailuetua. Siksi Päijät-Hämeen visiona on tulla johtavaksi käytäntölähtöisen innovaatiotoiminnan alueeksi hyvien toimintamallien ja tehokkaiden tiedonsiirtomekanismien avulla. Tämä vaatii alueen toimijoilta mm. korkeaa absorptiivista kapasiteettia ja heikkoja linkkejä alueen ulkopuolelle. Työn empiirinen osa koostuu 12:sta puolistrukturoidusta haastattelusta sekä kyselytutkimuksesta. Tiedonluonti ja -siirto alueelle nähtiin pääasiassa tutkimusmaailman tehtävänä, mutta varianssianalyysin perusteella tutkimusmaailma ei itse nähnyt olevansa siinä asemassa. Yhteisen kielen puuttuminen tutkimus- ja käytännön työelämän väliltä nähtiin puutteena.

Influence of stationary phase and eluent properties on chromatographic separation of carbohydrates

In this thesis, the sorption and elastic properties of the cation-exchange resins were studied to explain the liquid chromatographic separation of carbohydrates. Na+, Ca2+ and La3+ form strong poly(styrene-co-divinylbenzene) (SCE) as well as Na+ and Ca2+ form weak acrylic (WCE) cation-exchange resins at different cross-link densities were treated within this work. The focus was on the effects of water-alcohol mixtures, mostly aqueous ethanol, and that of the carbohydrates. The carbohydrates examined were rhamnose, xylose, glucose, fructose, arabinose, sucrose, xylitol and sorbitol. In addition to linear chromatographic conditions, non-linear conditions more typical for industrial applications were studied. Both experimental and modeling aspectswere covered. The aqueous alcohol sorption on the cation-exchangers were experimentally determined and theoretically calculated. The sorption model includes elastic parameters, which were obtained from sorption data combined with elasticity measurements. As hydrophilic materials cation-exchangers are water selective and shrink when an organic solvent is added. At a certain deswelling degree the elastic resins go through glass transition and become as glass-like material. Theincreasing cross-link level and the valence of the counterion decrease the sorption of solvent components in the water-rich solutions. The cross-linkage or thecounterions have less effect on the water selectivity than the resin type or the used alcohol. The amount of water sorbed is higher in the WCE resin and, moreover, the WCE resin is more water selective than the corresponding SCE resin. Theincreased aliphatic part of lower alcohols tend to increase the water selectivity, i.e. the resins are more water selective in 2-propanol than in ethanol solutions. Both the sorption behavior of carbohydrates and the sorption differences between carbohydrates are considerably affected by the eluent composition and theresin characteristics. The carbohydrate sorption was experimentally examined and modeled. In all cases, sorption and moreover the separation of carbohydrates are dominated by three phenomena: partition, ligand exchange and size exclusion. The sorption of hydrophilic carbohydrates increases when alcohol is added into the eluent or when carbohydrate is able to form coordination complexes with the counterions, especially with multivalent counterions. Decreasing polarity of the eluent enhances the complex stability. Size exclusion effect is more prominent when the resin becomes tighter or carbohydrate size increases. On the other hand,the elution volumes between different sized carbohydrates decreases with the decreasing polarity of the eluent. The chromatographic separation of carbohydrateswas modeled, using rhamnose and xylose as target molecules. The thermodynamic sorption model was successfully implemented in the rate-based column model. The experimental chromatographic data were fitted by using only one adjustable parameter. In addition to the fitted data also simulated data were generated and utilized in explaining the effect of the eluent composition and of the resin characteristics on the carbohydrate separation.

THE IMPACT OF ARCHITECTURAL DESIGN ON SOFTWARE DEVELOPMENT

Tässä työssä tutkitaan ohjelmistoarkkitehtuurisuunnitteluominaisuuksien vaikutusta erään client-server –arkkitehtuuriin perustuvan mobiilipalvelusovelluksen suunnittelu- ja toteutusaikaan. Kyseinen tutkimus perustuu reaalielämän projektiin, jonka kvalitatiivinen analyysi paljasti arkkitehtuurikompponenttien välisten kytkentöjen merkittävästi vaikuttavan projektin työmäärään. Työn päätavoite oli kvantitatiivisesti tutkia yllä mainitun havainnon oikeellisuus. Tavoitteen saavuttamiseksi suunniteltiin ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun mittaristo kuvaamaan kyseisen järjestelmän alijärjestelmien arkkitehtuuria ja luotiin kaksi suunniteltua mittaristoa käyttävää, työmäärää (komponentin suunnittelu-, toteutus- ja testausaikojen summa) arvioivaa mallia, joista toinen on lineaarinen ja toinen epälineaarinen. Näiden mallien kertoimet sovitettiin optimoimalla niiden arvot epälineaarista gloobaalioptimointimenetelmää, differentiaalievoluutioalgoritmia, käyttäen, niin että mallien antamat arvot vastasivat parhaiten mitattua työmäärää sekä kaikilla ominaisuuksilla eli attribuuteilla että vain osalla niistä (yksi jätettiin vuorotellen pois). Kun arkkitehtuurikompenttien väliset kytkennät jätettiin malleista pois, mitattujen ja arvoitujen työmäärien välinen ero (ilmaistuna virheenä) kasvoi eräässä tapauksessa 367 % entisestä tarkoittaen sitä, että näin muodostettu malli vastasi toteutusaikoja huonosti annetulla ainestolla. Tämä oli suurin havaitu virhe kaikkien poisjätettyjen ominaisuuksien kesken. Saadun tuloksen perusteella päätettiin, että kyseisen järjestelmän toteutusajat ovat vahvasti riippuvaisia kytkentöjen määrästä, ja näin ollen kytkentöjen määrä oli mitä todennäköisemmin kaikista tärkein työmäärään vaikuttava tekijä tutkitun järjestelmän arkkitehtuurisuunnittelussa.

Effect of competitive situation and price on diffusion of mobile communications

Työn päätavoitteena oli selvittää hinnan ja kilpailutilanteen vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Työn empiirinen osuus tarkasteli matkapuhelinliittymien hinnan vaikutusta liittymien diffuusioon sekä sitä, miten alan kilpailu on vaikuttanut matkaviestinnän hintatasoon. Työssä analysoitiin myös matkaviestinnän kilpailutilannetta Suomen markkinoilla. Tutkimuksen empiirinen aineisto kerättiin toissijaisista lähteistä, esimerkiksi EMC-tietokannasta. Tutkimus oli luonteeltaan kvantitatiivinen.Empiirisessä osassa käytetyt mallit oli muodostettu aikaisempien tutkimuksien perusteella. Regressioanalyysiä käytettiin arvioitaessa hinnan vaikutusta diffuusionopeuteen ja mahdollisten omaksujien määrään. Regressioanalyysissä sovellettiin ei-lineaarista mallia.Tutkimustulokset osoittivat, että tasaisesti laskevilla matkapuhelinliittymien sekä matkapuhelimien hinnoilla ei ole merkittävää vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Myöskään kilpailutilanne ei ole vaikuttanut paljon matkaviestinnän yleiseen hintatasoon. Työn tulosten perusteella voitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.

Predicting diffusion of innovations with self-organisation and machine learning

The main subject of this master's thesis was predicting diffusion of innovations. The prediction was done in a special case: product has been available in some countries, and based on its diffusion in those countries the prediction is done for other countries. The prediction was based on finding similar countries with Self-Organizing Map~(SOM), using parameters of countries. Parameters included various economical and social key figures. SOM was optimised for different products using two different methods: (a) by adding diffusion information of products to the country parameters, and (b) by weighting the country parameters based on their importance for the diffusion of different products. A novel method using Differential Evolution (DE) was developed to solve the latter, highly non-linear optimisation problem. Results were fairly good. The prediction method seems to be on a solid theoretical foundation. The results based on country data were good. Instead, optimisation for different products did not generally offer clear benefit, but in some cases the improvement was clearly noticeable. The weights found for the parameters of the countries with the developed SOM optimisation method were interesting, and most of them could be explained by properties of the products.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Tietämysperustainen aluenäkemys: Case Kanta-Häme

Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida alueellista kehitystä tietämysperustaisesta aluenäkemyksestä käsin Kanta-Hämeen maakunnassa. Tarkoituksena oli myös selvittää millaisia resursseja alueella on tai tulisi olla tulevaisuuden kestävää kilpailukykyä ajatellen. Tietämysperustaisen aluenäkemyksen mukaan kaikista alueella käytettävissä olevista resursseista alueen kestävän kilpailukyvyn lähteenä on tieto, erityisesti hiljainen tieto. Kirjallisuus korostaa myös innovaatioiden merkitystä kilpailukyvyn lähteenä. Työssä käytetystä näkökulmasta katsoen innovaatiot ovat epälineaarisia ja vuorovaikutteisia oppimisprosesseja, joissa sosiaaliset tekijät, kuten yhteistyö ja oppiminen ovat tärkeitä. Työn empiirinen osuus koostuu ryhmähaastatteluista ja yrityskyselystä. Ryhmähaastatteluja käytettiin alueen nykyisen teknotaloudellisen tilanteen ymmärtämiseksi. Ryhmä koostui viidestätoista alueen kehittäjäorganisaatioihin kuuluneesta toimijasta. Ryhmähaastattelujen perusteella yhteistyö, vuorovaikutus ja sosiaalinen pääoma olivat niiden tekijöiden joukossa, jotka vaikuttavat alueen pitkän aikavälin kehittämiseen. Ryhmähaastattelujen avulla oli myös mahdollista muodostaa joitakin ehdotuksia alueen kilpailukykyä koskevista kehittämisen edellytyksistä. Nämä ehdotukset täytyy testata tulevaisuudessa. Tarvitaan myös tarkempaa tutkimusta esimerkiksi sen ymmärtämiseksi, mitkä tekijät vaikuttavat sosiaalisen pääoman muotoutumiseen alueen eri toimijoiden välillä. Yrityskysely koostui 86 yrityksen tiedoista. Kysely toteutettiin kesällä 2004. Tuote- ja palveluinnovaatioilla ja innovaatiotoimintaan tehdyillä tutkimus- ja kehittämispanostuksilla mitaten alueen yrityksissä on innovaatiotoimintaa. Kyselyn perusteella oli myös mahdollista saada selville joitain yritysten innovaatioympäristön kannalta tärkeitä tekijöitä. Toisaalta eräät tulokset olivat osittain ristiriitaisia. Tämän vuoksi esimerkiksi alueen yritysten innovaatiokyvykkyyteen on lähitulevaisuudessa kiinnitettävä enemmän huomiota.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.

Multifactor Performance Study on Complex Systems for the Benefit of Management

The primary objective is to identify the critical factors that have a natural impact on the performance measurement system. It is important to make correct decisions related to measurement systems, which are based on the complex business environment. The performance measurement system is combined with a very complex non-linear factor. The Six Sigma methodology is seen as one potential approach at every organisational level. It will be linked to the performance and financial measurement as well as to the analytical thinking on which the viewpoint of management depends. The complex systems are connected to the customer relationship study. As the primary throughput can be seen in a new well-defined performance measurement structure that will also be facilitated as will an analytical multifactor system. These critical factors should also be seen as a business innovation opportunity at the same time. This master's thesis has been divided into two different theoretical parts. The empirical part consists of both action-oriented and constructive research approaches with an empirical case study. The secondary objective is to seek a competitive advantage factor with a new analytical tool and the Six Sigma thinking. Process and product capabilities will be linked to the contribution of complex system. These critical barriers will be identified by the performance measuring system. The secondary throughput can be recognised as the product and the process cost efficiencies which throughputs are achieved with an advantage of management. The performance measurement potential is related to the different productivity analysis. Productivity can be seen as one essential part of the competitive advantage factor.