Linear prediction application for modelling the relationships between a large number of stand characteristics of Norway spruce stands

Abstract

Innovation Process Management and System Modelling

Työn tavoitteena oli perehtyä innovaatiojohtamisen ja järjestelmän soveltamiseen prosessiteollisuuden toimintaympäristöön. Kirjallisuuslähteitä apuna käyttäen perehdyttiin liiketoimintaympäristön innovaatiojohtamiselle asettamiin vaatimuksiin ja erilaisiin innovaatiojärjestelmiin. Olennaisena osana innovaatiojohtamiseen liittyy sidosryhmien tarpeiden ja niiden tarjoamien resurssien huomioiminen toiminnassa. Myöskin tuotekehityksen menetelmät ja työkalut ovat omalta osaltaan merkittävässä asemassa toiminnan tehokkuutta arvioitaessa. Innovaatiojärjestelmä tulee sopeuttaa yrityksen toimintoihin ja sen erityispiirteet huomioonottaen siten, että toiminnan johtaminen prosessina tuo yritykselle ja sen sidosryhmille lisäarvoa. Innovaatiojärjestelmän luominen yritykselle on ainayksilöllinen prosessi ja siihen ei ole olemassa yleispätevää menetelmää, joka voitaisiin ottaa käyttöön sellaisenaan. Yritys, jonka liiketoiminta keskittyy kuitupohjaisten pakkausmateriaalien valmistamiseen, joutuu täyttämään toiminnassaan materiaalintoimittajien, omien tuotantoprosessiensa ja asiakkaiden sekä jopa loppukäyttäjien uusille tuotteille luomat odotukset. Innovaatiojohtamista sävyttää toiminnan tulosten suuri epävarmuus ja sen vaativien aineellisten ja henkisten resurssien mittavuus. Innovaatiotoiminnan johtaminen prosessina, käyttäen hyväksi järjestelmämallia, tavoittelee systemaattista ja asetettujen kriteerien täyttämää lähestymistapaa tuotekehityksen ja uusien liiketoimintainnovaatioiden alueella. Kehitetyn mallin tulee palvella monimutkaista liiketoimintaympäristöä, jokatoisaalta perustuu tehokkaaseen massatuotantoon ja toisaalta pyrkii erilaistumaan palvelemalla sekä huomioimalla asiakkaidensa tuotteille asettamat vaatimukset.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Modelling the Knowledge Interface between Sales and Production Functions of a Company. Case: New Service Development Process.

Yrityksen sisäisten rajapintojen tunteminen mahdollistaa tiedonvaihdon hallinnan läpi organisaation. Idean muokkaaminen kannattavaksi innovaatioksi edellyttää organisaation eri osien läpi kulkevaa saumatonta prosessiketjua sekä tietovirtaa. Tutkielman tavoitteena oli mallintaa organisaation kahden toiminnallisesti erilaisen osan välinen tiedon vaihto. Tiedon vaihto kuvattiin rajapintana, tietoliittymänä. Kolmiulotteinen organisaatiomalli muodosti tutkimuksen pääteorian. Se kytkettiin yrityksen tuotanto- ja myyntiosiin, kuten myös BestServ-projektin kehittämään uuteen palvelujen kehittämisen prosessiin. Uutta palvelujen kehittämisen prosessia laajennettiin ISO/IEC 15288 standardin kuvaamalla prosessimallilla. Yritysarkkitehtuurikehikoita käytettiin mallintamisen perustana. Tietoliittymä nimenä kuvastaa näkemystä siitä, että tieto [tietämys] on olemukseltaan yksilöiden tai ryhmien välistä. Mallinnusmenetelmät eivät kuitenkaan vielä mahdollista tietoon [tietämykseen] liittyvien kaikkien ominaisuuksien mallintamista. Tietoliittymän malli koostuu kolmesta osasta, joista kaksi esitetään graafisessa muodossa ja yksi taulukkona. Mallia voidaan käyttää itsenäisesti tai osana yritysarkkitehtuuria. Teollisessa palveluliiketoiminnassa sekä tietoliittymän mallinnusmenetelmä että sillä luotu malli voivat auttaa konepajateollisuuden yritystä ymmärtämään yrityksen kehittämistarpeet ja -kohteet, kun se haluaa palvelujen tuottamisella suuremman roolin asiakasyrityksen liiketoiminnassa. Tietoliittymän mallia voidaan käyttää apuna organisaation tietovarannon ja tietämyksen mallintamisessa sekä hallinnassa ja näin pyrkiä yhdistämään ne yrityksen strategiaa palvelevaksi kokonaisuudeksi. Tietoliittymän mallinnus tarjoaa tietojohtamisen kauppatieteelliselle tutkimukselle menetelmällisyyden tutkia innovaatioiden hallintaa sekä organisaation uudistumiskykyä. Kumpikin tutkimusalue tarvitsevat tarkempaa tietoa ja mahdollisuuksia hallita tietovirtoja, tiedon vaihtoa sekä organisaation tietovarannon käyttöä.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

On diversity effects of alternative agricultural policy reforms in Finland : an agricultural sector modelling approach

Selostus: Maatalouspolitiikkauudistusten vaikutuksista pellonkäytön diversiteettiin

Modelling additional costs caused by a new product feature

Työn tavoitteena oli mallintaa uuden tuoteominaisuuden aiheuttamat lisäkustannukset ja suunnitella päätöksenteon työkalu Timberjack Oy:n kuormatraktorivalmistuksen johtoryhmälle. Tarkoituksena oli luoda karkean tason malli, joka sopisi eri tyyppisten tuoteominaisuuksien kustannuksien selvittämiseen. Uuden tuoteominaisuuden vaikutusta yrityksen eri toimintoihin selvitettiin haastatteluin. Haastattelukierroksen tukena käytettiin kysymyslomaketta. Haastattelujen tavoitteena oli selvittää prosessit, toiminnot ja resurssit, jotka ovat välttämättömiä uuden tuoteominaisuuden tuotantoon saattamisessa ja tuotannossa. Malli suunniteltiin haastattelujen ja tietojärjestelmästä hankitun tiedon pohjalta. Mallin rungon muodostivat ne prosessit ja toiminnot, joihin uudella tuoteominaisuudella on vaikutusta. Huomioon otettiin sellaiset resurssit, joita uusi tuoteominaisuus kuluttaa joko välittömästi, tai välillisesti. Tarkasteluun sisällytettiin ainoastaan lisäkustannukset. Uuden tuoteominaisuuden toteuttamisesta riippumattomat, joka tapauksessa toteutuvat yleiskustannukset jätettiin huomioimatta. Malli on yleistys uuden tuoteominaisuuden aiheuttamista lisäkustannuksista, koska tarkoituksena on, että se sopii eri tyyppisten tuoteominaisuuksien aiheuttamien kustannusten selvittämiseen. Lisäksi malli soveltuu muiden pienehköjen tuotemuutosten kustannusten kartoittamiseen.

Object-Oriented Modelling of Multilayer Networks

Tämä diplomityökuuluu tietoliikenneverkkojen suunnittelun tutkimukseen ja pohjimmiltaan kohdistuu verkon mallintamiseen. Tietoliikenneverkkojen suunnittelu on monimutkainen ja vaativa ongelma, joka sisältää mutkikkaita ja aikaa vieviä tehtäviä. Tämä diplomityö esittelee ”monikerroksisen verkkomallin”, jonka tarkoitus on auttaa verkon suunnittelijoita selviytymään ongelmien monimutkaisuudesta ja vähentää verkkojen suunnitteluun kuluvaa aikaa. Monikerroksinen verkkomalli perustuu yleisille objekteille, jotka ovat yhteisiä kaikille tietoliikenneverkoille. Tämä tekee mallista soveltuvan mielivaltaisille verkoille, välittämättä verkkokohtaisista ominaisuuksista tai verkon toteutuksessa käytetyistä teknologioista. Malli määrittelee tarkan terminologian ja käyttää kolmea käsitettä: verkon jakaminen tasoihin (plane separation), kerrosten muodostaminen (layering) ja osittaminen (partitioning). Nämä käsitteet kuvataan yksityiskohtaisesti tässä työssä. Monikerroksisen verkkomallin sisäinen rakenne ja toiminnallisuus ovat määritelty käyttäen Unified Modelling Language (UML) -notaatiota. Tämä työ esittelee mallin use case- , paketti- ja luokkakaaviot. Diplomityö esittelee myös tulokset, jotka on saatu vertailemalla monikerroksista verkkomallia muihin verkkomalleihin. Tulokset osoittavat, että monikerroksisella verkkomallilla on etuja muihin malleihin verrattuna.

Adaptive MCMC methods with applications in environmental and geophysical models

This work presents new, efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation methods for statistical analysis in various modelling applications. When using MCMC methods, the model is simulated repeatedly to explore the probability distribution describing the uncertainties in model parameters and predictions. In adaptive MCMC methods based on the Metropolis-Hastings algorithm, the proposal distribution needed by the algorithm learns from the target distribution as the simulation proceeds. Adaptive MCMC methods have been subject of intensive research lately, as they open a way for essentially easier use of the methodology. The lack of user-friendly computer programs has been a main obstacle for wider acceptance of the methods. This work provides two new adaptive MCMC methods: DRAM and AARJ. The DRAM method has been built especially to work in high dimensional and non-linear problems. The AARJ method is an extension to DRAM for model selection problems, where the mathematical formulation of the model is uncertain and we want simultaneously to fit several different models to the same observations. The methods were developed while keeping in mind the needs of modelling applications typical in environmental sciences. The development work has been pursued while working with several application projects. The applications presented in this work are: a winter time oxygen concentration model for Lake Tuusulanjärvi and adaptive control of the aerator; a nutrition model for Lake Pyhäjärvi and lake management planning; validation of the algorithms of the GOMOS ozone remote sensing instrument on board the Envisat satellite of European Space Agency and the study of the effects of aerosol model selection on the GOMOS algorithm.

Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Bayesian Estimation of Noise

In mathematical modeling the estimation of the model parameters is one of the most common problems. The goal is to seek parameters that fit to the measurements as well as possible. There is always error in the measurements which implies uncertainty to the model estimates. In Bayesian statistics all the unknown quantities are presented as probability distributions. If there is knowledge about parameters beforehand, it can be formulated as a prior distribution. The Bays’ rule combines the prior and the measurements to posterior distribution. Mathematical models are typically nonlinear, to produce statistics for them requires efficient sampling algorithms. In this thesis both Metropolis-Hastings (MH), Adaptive Metropolis (AM) algorithms and Gibbs sampling are introduced. In the thesis different ways to present prior distributions are introduced. The main issue is in the measurement error estimation and how to obtain prior knowledge for variance or covariance. Variance and covariance sampling is combined with the algorithms above. The examples of the hyperprior models are applied to estimation of model parameters and error in an outlier case.

Reaction Kinetics and Viscosity Modelling in the Fusion Syntheses of Ca- and Ca/Mg-resinates

Rosin is a natural product from pine forests and it is used as a raw material in resinate syntheses. Resinates are polyvalent metal salts of rosin acids and especially Ca- and Ca/Mg- resinates find wide application in the printing ink industry. In this thesis, analytical methods were applied to increase general knowledge of resinate chemistry and the reaction kinetics was studied in order to model the non linear solution viscosity increase during resinate syntheses by the fusion method. Solution viscosity in toluene is an important quality factor for resinates to be used in printing inks. The concept of critical resinate concentration, c crit, was introduced to define an abrupt change in viscosity dependence on resinate concentration in the solution. The concept was then used to explain the non-inear solution viscosity increase during resinate syntheses. A semi empirical model with two estimated parameters was derived for the viscosity increase on the basis of apparent reaction kinetics. The model was used to control the viscosity and to predict the total reaction time of the resinate process. The kinetic data from the complex reaction media was obtained by acid value titration and by FTIR spectroscopic analyses using a conventional calibration method to measure the resinate concentration and the concentration of free rosin acids. A multivariate calibration method was successfully applied to make partial least square (PLS) models for monitoring acid value and solution viscosity in both mid-infrared (MIR) and near infrared (NIR) regions during the syntheses. The calibration models can be used for on line resinate process monitoring. In kinetic studies, two main reaction steps were observed during the syntheses. First a fast irreversible resination reaction occurs at 235 °C and then a slow thermal decarboxylation of rosin acids starts to take place at 265 °C. Rosin oil is formed during the decarboxylation reaction step causing significant mass loss as the rosin oil evaporates from the system while the viscosity increases to the target level. The mass balance of the syntheses was determined based on the resinate concentration increase during the decarboxylation reaction step. A mechanistic study of the decarboxylation reaction was based on the observation that resinate molecules are partly solvated by rosin acids during the syntheses. Different decarboxylation mechanisms were proposed for the free and solvating rosin acids. The deduced kinetic model supported the analytical data of the syntheses in a wide resinate concentration region, over a wide range of viscosity values and at different reaction temperatures. In addition, the application of the kinetic model to the modified resinate syntheses gave a good fit. A novel synthesis method with the addition of decarboxylated rosin (i.e. rosin oil) to the reaction mixture was introduced. The conversion of rosin acid to resinate was increased to the level necessary to obtain the target viscosity for the product at 235 °C. Due to a lower reaction temperature than in traditional fusion synthesis at 265 °C, thermal decarboxylation is avoided. As a consequence, the mass yield of the resinate syntheses can be increased from ca. 70% to almost 100% by recycling the added rosin oil.