MCMC Analysis for Optimization of Stochastic Models

In any decision making under uncertainties, the goal is mostly to minimize the expected cost. The minimization of cost under uncertainties is usually done by optimization. For simple models, the optimization can easily be done using deterministic methods.However, many models practically contain some complex and varying parameters that can not easily be taken into account using usual deterministic methods of optimization. Thus, it is very important to look for other methods that can be used to get insight into such models. MCMC method is one of the practical methods that can be used for optimization of stochastic models under uncertainty. This method is based on simulation that provides a general methodology which can be applied in nonlinear and non-Gaussian state models. MCMC method is very important for practical applications because it is a uni ed estimation procedure which simultaneously estimates both parameters and state variables. MCMC computes the distribution of the state variables and parameters of the given data measurements. MCMC method is faster in terms of computing time when compared to other optimization methods. This thesis discusses the use of Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for optimization of Stochastic models under uncertainties .The thesis begins with a short discussion about Bayesian Inference, MCMC and Stochastic optimization methods. Then an example is given of how MCMC can be applied for maximizing production at a minimum cost in a chemical reaction process. It is observed that this method performs better in optimizing the given cost function with a very high certainty.

Structural modelling of liquid ZrO2 and glassy B2O3 by using AB INITIO Molecular Dynamics method

Atomic structure of ZrO2 and B2O3 was investigated in this work. New data under extreme conditions (T = 3100 K) was obtained for the liquid ZrO2 structure. A fractional number of boron was investigated for glassy structure of B2O3. It was shown that it is possible to obtain an agreement for the fractional number between NMR and DFT techniques using a suitable initial configuration.

Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

Vaikutusalakirjastojen muodostaminen Serpent-ARES-laskentaketjussa

Tässä diplomityössä on esitetty työn yhteydessä toteutetun Serpent-ARES-laskentaketjun muodostamiseksi tarvittavat toimenpiteet. ARES-reaktorisydän-simulaattorissa tarvittavien homogenisoitujen ryhmävakiokirjastojen muodostaminen Serpentiä käyttäen tekee laskentaketjusta muiden käytössä olevien reaktorisydämen laskentaketjujen mahdollisista virhelähteistä riippumattoman. Monte Carlo-laskentamenetelmään perustuvaa reaktorifysiikan laskentaohjelmaa käyttämällä ryhmävakiokirjastot muodostetaan uudella menetelmällä ja näin saadaan viranomaiskäyttöön voimayhtiöiden käyttämistä menetelmistä riippumaton laskentaketju reaktorien turvallisuusmarginaalien laskentaan. Työn yhteydessä muodostetun laskentaketjun ja tehtyjen vaikutusalakirjastojen muodostamisrutiinien sekä parametrisovitteiden toimivuus on todettu laskemalla Olkiluoto 3 - reaktorin alkulatauksen säätösauvojen tehokkuuksia ja sammutusmarginaaleja eri olosuhteissa. Menetelmä on todettu toimivaksi parametrien pätevyysalueella ja saadut laskentatulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa. Parametrimallin tarkkuutta ja pätevyysaluetta on syytä vielä kehittää, ennen kuin laskentaketjua voidaan käyttää varmentamaan muilla menetelmillä laskettujen tulosten oikeellisuutta.

HTR-PROTEUS-reaktorin mallintaminen

Maailmassa on tarve entistä turvallisemmille ja taloudellisemmille ydinreaktoreille. Neljännen sukupolven reaktorikonseptit ovat aiempia turvallisempia ja luotettavampia, niissä on tehokkaampi polttoaineresurssien käyttö ja ydinjätettä syntyy vähemmän. Lisäksi ne ovat taloudellisesti kilpailukykyisempiä ja niissä on erinomainen proliferaation vastustuskyky. Kuulakekoreaktorikonsepti on toinen korkealämpötilaisten kaasujäähdytteisten reaktoreiden (HTGR, High Temperature Reactor) päätyypeistä ja jäähdytteen lämpötilan noustessa reaktorissa riittävän korkealle, sitä voidaan pitää myös erittäin korkean lämpötilan reaktorina (VHTR, Very High Temperature Reactor), joka on neljännen sukupolven reaktorikonsepti. Tässä kandidaatintyössä käsitellään 90-luvulla Sveitsissä sijainnutta kuulakekoreaktori-tyyppistä koereaktoria HTR-PROTEUS (tai LEU-HTR-PROTEUS), jolla tutkittiin ennen kaikkea matalaväkevöidyn (LEU, Low Enriched Uranium) uraanipolttoaineen käyttöä kuulakekoreaktorissa. Lisäksi erityisenä mielenkiinnon kohteena oli veden joutuminen reaktoriin onnettomuustilanteessa. Työn tarkoituksena on mallintaa reaktorisysteemi ja laskea kasvutekijät viidelle eri reaktorikonfiguraatiolle. Reaktorin mallinnus ja laskenta suoritetaan Monte Carlo -menetelmää käyttävällä Serpent-laskentakoodilla. Saatuja tuloksia verrataan muissa lähteissä eri laskentakoodeilla esitettyihin tuloksiin.

Near-Threshold Computing

Valmistustekniikoiden kehittyessä IC-piireille saadaan mahtumaan yhä enemmän transistoreja. Monimutkaisemmat piirit mahdollistavat suurempien laskutoimitusmäärien suorittamisen aikayksikössä. Piirien aktiivisuuden lisääntyessä myös niiden energiankulutus lisääntyy, ja tämä puolestaan lisää piirin lämmöntuotantoa. Liiallinen lämpö rajoittaa piirien toimintaa. Tämän takia tarvitaan tekniikoita, joilla piirien energiankulutusta saadaan pienennettyä. Uudeksi tutkimuskohteeksi ovat tulleet pienet laitteet, jotka seuraavat esimerkiksi ihmiskehon toimintaa, rakennuksia tai siltoja. Tällaisten laitteiden on oltava energiankulutukseltaan pieniä, jotta ne voivat toimia pitkiä aikoja ilman akkujen lataamista. Near-Threshold Computing on tekniikka, jolla pyritään pienentämään integroitujen piirien energiankulutusta. Periaatteena on käyttää piireillä pienempää käyttöjännitettä kuin piirivalmistaja on niille alunperin suunnitellut. Tämä hidastaa ja haittaa piirin toimintaa. Jos kuitenkin laitteen toiminnassa pystyään hyväksymään huonompi laskentateho ja pienentynyt toimintavarmuus, voidaan saavuttaa säästöä energiankulutuksessa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Near-Threshold Computing -tekniikkaa eri näkökulmista: aluksi perustuen kirjallisuudesta löytyviin aikaisempiin tutkimuksiin, ja myöhemmin tutkimalla Near-Threshold Computing -tekniikan soveltamista kahden tapaustutkimuksen kautta. Tapaustutkimuksissa tarkastellaan FO4-invertteriä sekä 6T SRAM -solua piirisimulaatioiden avulla. Näiden komponenttien käyttäytymisen Near-Threshold Computing –jännitteillä voidaan tulkita antavan kattavan kuvan suuresta osasta tavanomaisen IC-piirin pinta-alaa ja energiankulusta. Tapaustutkimuksissa käytetään 130 nm teknologiaa, ja niissä mallinnetaan todellisia piirivalmistusprosessin tuotteita ajamalla useita Monte Carlo -simulaatioita. Tämä valmistuskustannuksiltaan huokea teknologia yhdistettynä Near-Threshold Computing -tekniikkaan mahdollistaa matalan energiankulutuksen piirien valmistaminen järkevään hintaan. Tämän diplomityön tulokset näyttävät, että Near-Threshold Computing pienentää piirien energiankulutusta merkittävästi. Toisaalta, piirien nopeus heikkenee, ja yleisesti käytetty 6T SRAM -muistisolu muuttuu epäluotettavaksi. Pidemmät polut logiikkapiireissä sekä transistorien kasvattaminen muistisoluissa osoitetaan tehokkaiksi vastatoimiksi Near- Threshold Computing -tekniikan huonoja puolia vastaan. Tulokset antavat perusteita matalan energiankulutuksen IC-piirien suunnittelussa sille, kannattaako käyttää normaalia käyttöjännitettä, vai laskea sitä, jolloin piirin hidastuminen ja epävarmempi käyttäytyminen pitää ottaa huomioon.

Raskaan raketinheittimistön kuorma-ammusten tulen tehon arviointi

Tehokasta asevaikutusta pitkille kantamille haettaessa yhdeksi varteenotettavaksi vaihtoehdoksi nousee raskas raketinheittimistö. Sen kuorma-ammusvalikoimassa on myös monipuolisia tytärkranaatteja, jotka soveltuvat niin henkilöstöä, panssaroituja ajoneuvoja kuin linnoitteitakin vastaan. Raskaalla raketinheittimistöllä olisi myös mahdollista korvata tulevaisuudessa jalkaväkimiinojen käyttöä. Tutkimuksessa esitellään käytössä olevien yleisimpien raskaiden raketinheittimien ampumatarvikkeita sekä niiden käyttöä ja tulen tehoa. Tutkimusongelma on asetettu seuraavaksi: Mikä on raskaan raketinheittimistön tulen teho tutkimuksen maalimalleja vastaan? Tutkimuksessa pohditaan myös tulen tehon parantamista ja siihen vaikuttamista erilaisin ratkaisuin. Tutkimuksen aineistona on käytetty julkisia kirjallisuus- sekä internetlähteitä. Tutkimuksessa on käytetty tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustutkimus sekä Monte Carlo -simulaatio. Simulaatio toteutetaan tietokoneen taulukkolaskentasovelluksessa. Saatuja tuloksia tullaan myös vertailemaan aikaisempien tutkimusten laskentatuloksiin. Tutkimuksen pohjalta on nähtävissä, että raskas raketinheittimistö on erittäin tehokas asejärjestelmä. Näin on ainakin tutkimukseen asetettuja maalimalleja vastaan. Tutkimuksessa olleilla raketinheittimillä ja niiden kuorma-ammuksilla on maalit lamautettavissa osin yhden heittimen puolisarjalla eli kuudella raketilla. Tulen tehon kasvattamiseksi tutkimuksessa on pohdittu niin teknisiä, ampumateknisiä kuin tulenjohto- ja maalinosoituksellisia asioita. Itsessään tehokas ampumatarvike ei riitä, jos sitä ei saada toimitettua riittävän lähelle maalia. Kehitystyön kohteita raskaalle raketinheittimistölle ovat aktiotykistöä suurempi hajonta, tytärkranaattien toimintavarmuus sekä asevaikutuksen tehokkuus amputarvikkeiden älykkyyttä ja ohjautuvuutta lisäämällä. Simuloinnin osalta tutkimuksessa esitellään yksinkertainen, itsetehty taulukkolaskentasimulaatio. Sen epätarkkuuksia sekä puutteita on tutkija pyrkinyt huomioimaan laskennassa ja tuloksia analysoidessa. Kaikenkaikkiaan voidaan todeta näinkin vaivattoman simulaation antavan oikean suuntaisia tuloksia.

RBMK-koereaktorin mallintaminen

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia jäähdytteen poistamisen vaikutusta RBMK-koereaktorin kasvukertoimeen ja erityisesti sitä, kuinka hyvin Monte Carlo -menetelmää käyttävä Serpent-laskentakoodi pystyy mallintamaan jäähdytteen poistamisen vaikutuksen. Aluksi tarkastellaan taustatietoina käytettyä raporttia käsiteltävän koereaktorin kriittisyysajoista ja aiemmista simulaatioista, sekä RBMK-reaktorin ominaispiirteitä ja Monte Carlo -simulaation teoriaa. Seuraavaksi esitellään koereaktorista luotu malli, selitetään mallinnettaessa tehdyt yksinkertaistukset ja kuvataan simulaation alkutilanne. Lopuksi käsitellään simulaation tuloksia ja Serpentillä luodun mallin soveltuvuutta verrattuna aiemmin suoritettuihin simulaatioihin.