Level Set Methods in Image Processing

This thesis gives an overview of the use of the level set methods in the field of image science. The similar fast marching method is discussed for comparison, also the narrow band and the particle level set methods are introduced. The level set method is a numerical scheme for representing, deforming and recovering structures in an arbitrary dimensions. It approximates and tracks the moving interfaces, dynamic curves and surfaces. The level set method does not define how and why some boundary is advancing the way it is but simply represents and tracks the boundary. The principal idea of the level set method is to represent the N dimensional boundary in the N+l dimensions. This gives the generality to represent even the complex boundaries. The level set methods can be powerful tools to represent dynamic boundaries, but they can require lot of computing power. Specially the basic level set method have considerable computational burden. This burden can be alleviated with more sophisticated versions of the level set algorithm like the narrow band level set method or with the programmable hardware implementation. Also the parallel approach can be used in suitable applications. It is concluded that these methods can be used in a quite broad range of image applications, like computer vision and graphics, scientific visualization and also to solve problems in computational physics. Level set methods and methods derived and inspired by it will be in the front line of image processing also in the future.

Measurement of the air permeability profile on SC paper machine

Tämän diplomityön tarkoituksena oli asentaa ja kehittää UPM-Kymmene Rauman tehtaiden PK2:lle luotettava ja toimiva ilmanläpäisyprofiilin mittaus. Työn tarkoituksena oli myös kartoittaa tietoja ilmanläpäisyprofiiliin vaikuttavista seikoista sekä mahdollisuuksista säätää ilmanläpäisyprofiilia. Lisäksi työn tavoitteena oli löytää toimiva menetelmä verrata online mitattua ilmanläpäisyprofiilia laboratoriossa mitattuun ilmanläpäisyprofiiliin online mittauksen luotettavuuden näkökulmasta. Työn aikana selvitettiin myös ilmanläpäisyprofiilin mittauksen mahdollisuutta superkalanteroidusta SC paperista. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin paperin huokoisuutta ja ilmanläpäisyä, huokoisuustasoon ja huokoisuus profiiliin vaikuttavia tekijöitä, ilmanläpäisevyyden merkitystä SC paperin valmistukselle ja SC paperin painettavuudelle sekä ilmanläpäisevyyden laboratorio- sekä online mittausta. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös Honeywellin uutta Poros ilmanläpäisysensoria. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin ilmanläpäisyprofiilimittauksen luotettavuutta CD ja MD suunnassa sekä laboratorio- ja online-mittausten välisiä eroavaisuuksia ennen PK2 uusintaa. PK2 uusinnan jälkeen kokeellisessa osassa keskityttiin luotettavuuden varmentamiseen CD ja MD suunnassa sekä kartoittamaan tekijöitä, jotka aiheuttivat pieniä tasoeroja mittausten välillä. Mittaukset todettiin luotettaviksi ja niiden pohjalta suoritettiin mitattujen online profiilien välisiä vertailuja. Ilmanläpäisyprofiililla todettiin olevan positiivinen korrelaatio neliömassaprofiilin ja kosteusprofiilin kanssa sekä negatiivinen korrelaatio tuhkaprofiilin kanssa. PK2 uusinnan yhteydessä tehtiin koeajoja, jotka liittyivät laadunoptimointiin viira- ja puristinosalla. Koeajoissa tutkittujen asioiden lisäksi tutkittiin muutettujen parametrien vaikutusta ilmanläpäisyprofiiliin. Höyrylaatikon vaikutusta ilmanläpäisyprofiiliin tutkittiin säätöjen virityksen yhteydessä.

Paperikoneen laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset laatusäätöjen suorituskykyyn

Tutkimuksen kohteena olleen UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3:n laatusäätöjärjestelmä ja mittapalkki uusittiin, jolloin haluttiin selvittää uusinnan vaikutuksia laatusäätöjen suorituskykyyn ja paperin laatuun. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin paperinvalmistusprosessin osiin kyseisen sanomalehtipaperikoneen tapauksessa sekä keskeisimpiin paperin laatuominaisuuksiin liittyviin mittaus- ja säätölaitteisiin sekä niiden toimintaan. Seurattaviksi paperin laatusuureiksi valittiin neliömassa, kuivamassa, kosteus ja paksuus, jotka ovat sanomalehtipaperin tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia. Paperin laatusuureiden seurantaan käytetään erilaisia tunnuslukuja ja työkaluja, joita on esitelty tässä työssä. Laatusuureiden konesuuntaisen ja poikkisuuntaisen seurannan tunnusluvuksi valittiin yleisesti käytössä oleva 2σ-keskiarvohajonta. Säätöjen suorituskykyä seurattiin suorituskykykolmion ohjausmatkaindeksien (CTI) ja erosuureen integraalien (IAE) avulla. Kokeellisessa osassa kerättiin mittaustietoja sekä vanhan että uuden laatusäätöjärjestelmän aikana. Seurattavat ajotilanteet paperikoneella jaettiin stabiiliin ajoon ja muutostilanteisiin, jotka käsittävät katkot ja lajinvaihtotilanteet. Stabiilin ajon aikana selvitettiin laatusuureiden hajontojen ja säätöjen suorituskykyindeksien normaaleissa tasoissa tapahtuneet muutokset. Muutostilanteiden osalta haluttiin selvittää, nopeuttaako järjestelmäuusinta katkoista toipumista ja lajinvaihtoaikaa. Stabiilin ajon seurannasta saatujen tulosten perusteella neliömassan ja kuivamassan konesuuntaiset hajonnat kasvoivat järjestelmäuusinnan myötä, mutta kosteuden konesuuntaiset hajonnat pienenivät. Laatusuureiden poikkisuuntaisista hajonnoista neliömassan sekä kuivamassan hajonnat kasvoivat ja kosteuden sekä paksuuden hajonnat pienenivät joidenkin lajien osalta. Poikkisuuntaisten laatusuureiden, etenkin paksuuden, toipuminen katkon jälkeen nopeutui. Myös lajinvaihtoon kuluva aika lyheni poikkisuuntaisilla laatusuureilla. Muutostilanteiden konesuuntaisten hajontojen asettumisajat eivät juuri parantuneet.

Managing material flows and improving performance in a component supplier’s internal supply chain

Tämä diplomityö tehtiin osana Componenta Cast Componentsin kolmivuotista toimitusketjujen kehitysprojektia. Työn tavoitteena oli kuvata tyypillinen yrityksen sisäinen toimitusketjuprosessi ja tehdä alustava suorituskykyanalyysi valimon ja konepajan väliseen logistiseen prosessiin liittyen. Tarkoituksena oli myös löytää kehityskohteita materiaali- ja tietovirtojen hallinnassa näiden tuotantoyksiköiden välillä. Logistiikkaan, toimitusketjujen hallintaan ja toimitusketjun suorituskyvyn mittaamiseen liittyvän kirjallisuustutkimuksen sekä käytännön perusteella valittiin sopivat analyysimenetelmät. Näitä menetelmiä hyödynnettiin tilaustoimitus – prosessin kuvaamisessa sekä suorituskyvyn analysoinnissa yrityksen sisäisessä toimitusketjussa. Luonnollisena jatkona kehitettiin ja pantiin käytäntöön toimitusketjua synkronoiva imutyyppinen tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmä. Diplomityöprojektin aikana kehitettiin myös apuvälineet käyttöönotetun menetelmän asianmukaista hyödyntämistä varten. Diplomityöprojektissa otettiin ensimmäiset askeleet kohti integroitua sisäistä toimitusketjua. Uuden tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmän standardisointi muihin menetelmiin yhdistettynä, sekä toimitusketjun avainmittarien jatkokehitys on jo alkanut. Läpimenoaikoja lyhentämällä ja synkronoidun, läpinäkyvän kysyntä-tarjontaketjun avulla integroitumisen astetta voidaan nostaa edelleen. Poikkiorganisatorinen kehitys ja johtaminen toimitusketjussa on avainedellytys menestykseen.

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.

Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).

Development of e-Service tools for customer services and processes, Case: KONE Oyj Finland

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten kehittää yrityksen nykyistä e-palvelujärjestelmää, Internet -teknologiaan perustuvaa sähköisiä kommunikaatio- ja tiedonjakojärjestelmää, yrityksen business-to-business asiakkuuksien johtamisessa. Tavoitteena oli myös luoda ehdotukset uusista e-palvelusopimusmalleista. Tutkimuksen teoriaosuudessa pyrittiin kehittämään aikaisempiin tutkimuksiin, tietokirjallisuuteen ja asiantuntijoihin perustuva viitekehysmalli. Empiirisessä osassa tutkimuksen tavoitteisiin pyrittiin haastattelemalla yrityksen asiakkaita ja henkilöstöä, sekä tarkastelemalla asiakaskontaktien nykyistä tilaa ja kehittymistä. Näiden tietojen perusteella selvitettiin e-palvelun käyttäjien tarpeita, profiilia ja valmiuksia palvelun käyttöön sekä palvelun nykyistä houkuttelevuutta. Tutkimuksen teoriaosan lähdeaineistona käytettiin kirjallisuutta, artikkeleita ja tilastoja asiakashallinnasta sekä e-palveluiden, erityisesti Internet ja verkkopalveluiden markkinoinnista, nykytilasta sekä palveluiden kehittämisestä. Lisäksi tutkittiin kirjallisuutta arvoverkostoanalyysistä, asiakkaan arvosta, informaatioteknologiasta, palvelun laadusta ja asiakastyytyväisyydestä. Tutkimuksen empiirinen osa perustuu yrityksen henkilöstöltä sekä asiakkailta haastatteluissa kerättyihin tietoihin, yrityksen ennalta keräämiin materiaaleihin sekä Taloustutkimuksen keräämiin tietoihin. Tutkimuksessa käytettiin case -menetelmää, joka oli yhdistelmä sekä kvalitatiivista että kvantitatiivista tutkimusta. Casen tarkoituksena oli testata mallin paikkansapitävyyttä ja käyttökelpoisuutta, sekä selvittää onko olemassa vielä muita tekijöitä, jotka vaikuttavat asiakkaan saamaan arvoon. Kvalitatiivinen aineisto perustuu teemahaastattelumenetelmää soveltaen haastateltuihin asiakkaisiin ja yrityksen työntekijöihin. Kvantitatiivinen tutkimus perustuu Taloustutkimuksen tutkimukseen ja yrityksen asiakaskontakteista kerättyyn tietoon. Haastatteluiden perusteella e-palvelut nähtiin hyödyllisinä ja tulevaisuudessa erittäin tärkeinä. E-palvelut nähdään yhtenä tärkeänä kanavana, perinteisten kanavien rinnalla, tehostaa business-to-business -asiakkuuksien johtamista. Tutkimuksen antamien tulosten mukaan asiakkaiden palveluun liittyvän tieto-, taito-, tarpeellisuus- ja kiinnostavuustasojen vaihtelevaisuus osoittaa selvän tarpeen eritasoisille e-palvelupaketti ratkaisuille. Tuloksista muodostettu ratkaisuehdotus käsittää neljän eri e-palvelupaketin rakentamisen asiakkaiden eri tarpeita mukaillen.

Intra-organizational use of communication tools in value nets - Cases from the ICT industry

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää sisäisen kommunikoinnin tilannetta case-yrityksissä. Yritykset kuuluvat kahteen case-arvoverkostoon, jotka toimivat informaatio- ja kommunikaatioteknologian alalla. Sisäinen kommunikointi valittiin tutkimusalueeksi, koska se muodostaa perustan ulkoiselle, yritysten väliselle kommunikoinnille. Tutkimuksen painopiste oli web-pohjaisessa kommunikoinnissa ja webin ominaisuuksissa arvoverkoston näkökulmasta. Tutkimusprosessissa käytettiin sekä kvalitatiivisia että kvantitatiivisia menetelmiä. Tutkimuksen kvantitatiivinen osa toteutettiin web-kyselynä, jonka tulokset osoittivat, että case-yritysten sisäinen kommunikointi perustuu pääasiassa perinteisten kommunikointivälineiden käyttöön. Toisin sanoen, webin hyödyntäminen on vähäistä, mihin vaikuttavat monet eri tekijät. Webissä on kuitenkin useita ominaisuuksia, jotka parantavat kommunikointia arvoverkostossa ja siksi nämä web-pohjaiset välineet tulisi huomioida, kun suunnitellaan yleistä kommunikointijärjestelmää. Tutkimuksen teoreettisessa osassa määriteltiin vuorovaikutteisuus-ominaisuuteen perustuva kommunikointivälineiden luokittelu. Tämän lisäksi määriteltiin myös arvoverkoston käsite. Empiirinen osa koostui web-kyselyn toteutuksen ja tulosten raportoinnista, jonka jälkeen yhteenvetokappale koosti merkittävimmät havainnot sekä mahdolliset jatkotutkimusaiheet.

Offset-print mottling measurement using machine vision

Mottling is one of the key defects in offset-printing. Mottling can be defined as unwanted unevenness of print. In this work, diameter of a mottle spot is defined between 0.5-10.0 mm. There are several types of mottling, but the reason behind the problem is still not fully understood. Several commercial machine vision products for the evaluation of print unevenness have been presented. Two of these methods used in these products have been implemented in this thesis. The one is the cluster method and the other is the band-pass method. The properties of human vision system have been taken into account in the implementation of these two methods. An index produced by the cluster method is a weighted sum of the number of found spots, and an index produced by band-pass method is a weighted sum of coefficients of variations of gray-levels for each spatial band. Both methods produce larger indices for visually poor samples, so they can discern good samples from the poor ones. The difference between the indices for good and poor samples is slightly larger produced by the cluster method. 11 However, without the samples evaluated by human experts, the goodness of these results is still questionable. This comparison will be left to the next phase of the project.

The high-speed induction motor: calculating the effects of solid-rotor material on machine characteristics

A method for the analysis of high-speed solid-rotor induction motors in presented. The analysis is based on a new combination of the three dimensional linear method and the transfer matrix method. Both saturation and finite length effects are taken into account. The active region of the solid rotor is divided into saturated and unsaturated parts. The time dependence is assumed to be sinusoidal and phasor quantities are used in the solution. The method is applied to the calculation of smooth solid rotors manufactured of different materials. Six rotor materials are tested: three construction steels, pure iron, a cobaltiron alloy and an aluminium alloy. The results obtained by the method agree fairly well with the measurement quantities.

High-Speed Solid-Rotor Induction Machine – Electromagnetic Calculation and Design

Within the latest decade high-speed motor technology has been increasingly commonly applied within the range of medium and large power. More particularly, applications like such involved with gas movement and compression seem to be the most important area in which high-speed machines are used. In manufacturing the induction motor rotor core of one single piece of steel it is possible to achieve an extremely rigid rotor construction for the high-speed motor. In a mechanical sense, the solid rotor may be the best possible rotor construction. Unfortunately, the electromagnetic properties of a solid rotor are poorer than the properties of the traditional laminated rotor of an induction motor. This thesis analyses methods for improving the electromagnetic properties of a solid-rotor induction machine. The slip of the solid rotor is reduced notably if the solid rotor is axially slitted. The slitting patterns of the solid rotor are examined. It is shown how the slitting parameters affect the produced torque. Methods for decreasing the harmonic eddy currents on the surface of the rotor are also examined. The motivation for this is to improve the efficiency of the motor to reach the efficiency standard of a laminated rotor induction motor. To carry out these research tasks the finite element analysis is used. An analytical calculation of solid rotors based on the multi-layer transfer-matrix method is developed especially for the calculation of axially slitted solid rotors equipped with wellconducting end rings. The calculation results are verified by using the finite element analysis and laboratory measurements. The prototype motors of 250 – 300 kW and 140 Hz were tested to verify the results. Utilization factor data are given for several other prototypes the largest of which delivers 1000 kW at 12000 min-1.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

New kernel functions and learning methods for text and data mining

Recent advances in machine learning methods enable increasingly the automatic construction of various types of computer assisted methods that have been difficult or laborious to program by human experts. The tasks for which this kind of tools are needed arise in many areas, here especially in the fields of bioinformatics and natural language processing. The machine learning methods may not work satisfactorily if they are not appropriately tailored to the task in question. However, their learning performance can often be improved by taking advantage of deeper insight of the application domain or the learning problem at hand. This thesis considers developing kernel-based learning algorithms incorporating this kind of prior knowledge of the task in question in an advantageous way. Moreover, computationally efficient algorithms for training the learning machines for specific tasks are presented. In the context of kernel-based learning methods, the incorporation of prior knowledge is often done by designing appropriate kernel functions. Another well-known way is to develop cost functions that fit to the task under consideration. For disambiguation tasks in natural language, we develop kernel functions that take account of the positional information and the mutual similarities of words. It is shown that the use of this information significantly improves the disambiguation performance of the learning machine. Further, we design a new cost function that is better suitable for the task of information retrieval and for more general ranking problems than the cost functions designed for regression and classification. We also consider other applications of the kernel-based learning algorithms such as text categorization, and pattern recognition in differential display. We develop computationally efficient algorithms for training the considered learning machines with the proposed kernel functions. We also design a fast cross-validation algorithm for regularized least-squares type of learning algorithm. Further, an efficient version of the regularized least-squares algorithm that can be used together with the new cost function for preference learning and ranking tasks is proposed. In summary, we demonstrate that the incorporation of prior knowledge is possible and beneficial, and novel advanced kernels and cost functions can be used in algorithms efficiently.

Improvement of Operational Efficiency effectiveness (OEE) using Six Sigma DMAIC Methodology — Case Bottomer line AD2378

Overall Equipment Effectiveness (OEE) is the key metric of operational excellence. OEE monitors the actual performance of equipment relative to its performance capabilities under optimal manufacturing conditions. It looks at the entire manufacturing environment measuring, in addition to the equipment availability, the production efficiency while the equipment is available to run products, as well as the efficiency loss that results from scrap, rework, and yield losses. The analysis of the OEE provides improvement opportunities for the operation. One of the tools used for OEE improvement is Six Sigma DMAIC methodology which is a set of practices originally developed to improve processes by eliminating defects. It asserts the continuous efforts to reduce variation in process outputs as key to business success, as well as the possibility of measurement, analysis, improvement and control of manufacturing and business processes. In the case of the Bottomer line AD2378 in Papsac Maghreb Casablanca plant, the OEE figures reached 48.65 %, which is below the accepted OEE group performance. This required immediate actions to achieve OEE improvement. This Master thesis focuses on the application of Six Sigma DMAIC methodology in the OEE improvement on the Bottomer Line AD2378 in Papsac Maghreb Casablanca plant. First, the Six Sigma DMAIC and OEE usage in operation measurement will be discussed. Afterwards, the different DMAIC phases will allow the identification of improvement focus, the identification of OEE low performance causes and the design of improvement solutions. These will be implemented to allow further tracking of improvement impact on the plant operations.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.