Painelaitteiden kunnonvalvonta ja kemikaaliputkistojen rakennuttaminen

Painelaitteet ja kemikaaliputkistot ovat yleisiä varsinkin kemian alan yrityksissä. Omista-jan ja haltijan on tiedettävä niihin liittyvä lainsäädäntö, ja osattava soveltaa niitä käytän-töön. Työssä on selvitetty painelaitteisiin ja kemikaaliputkistoihin liittyvän lainsäädännön olen-naisin sisältö. Nykyisin painelaitteiden määräaikaistarkastuksia voidaan korvata painelait-teen seurannalla ja kunnonvalvontajärjestelmällä. Mitä se käytännössä tarkoittaa, ja onko Suomessa mahdollisuutta kuinka laajasti hyödynnetty? On tärkeää tuntea painelaitteiden ja kemikaaliputkistojen vikaantumismekanismit ja kunnonvalvontamenetelmät, jotta yritys voi luoda omaan toimintaympäristöön soveltuvan kunnonvalvontajärjestelmän tai paine-laitteiden seurannan. On pyrittävä siihen, että ongelmat havaitaan, ennen kuin vaurio syn-tyy. Kunnonvalvontajärjestelmän luomiseen ja ylläpitoon voidaan hyödyntää painelaittei-den riskiperusteiseen kunnossapitoon ja tarkastukseen tarkoitettua menettelyä. Työssä on tarkemmin käyty läpi menettelyn sisältö. Kustannustehokkuus ja tuotantolaitteiden käytettävyys ovat nousseet tärkeiksi osa-alueiksi kilpailukyvyn takaamiseksi. Painelaitteiden tarkastuksista ja muista painelaitteisiin ja ke-mikaaliputkistoihin liittyvistä ennakkohuolloista syntyvät kustannukset ovat merkittäviä. Näihin kohdistuvia kustannussäästöjä voidaan saavuttaa monin keinoin huonontamatta kuitenkaan turvallisuutta. Työssä on selvitetty kohdeyrityksen painelaitteet ja kemikaali-putkistot. Lisäksi on käyty läpi nykyinen tarkastusjaksotus, keskeisimmät viat ja tarkastuk-siin liittyvää kustannushistoriaa. Lopputuloksena on syntynyt esiselvitys ja kemikaaliputkistojen hankkimista helpottavaa tietoa. Esiselvityksen avulla kohdeyritys voi yhdessä kunnossapitoyrityksen kanssa laatia strategian painelaitteiden kunnossapidolle ja tarkastuksille. Merkittäviä kustannussäästöjä on saavutettavissa ehdotetuilla jatkotoimenpiteillä, vaikka päädyttäisiin edelleen painelait-teiden tarkastuksien osalta noudattamaan olemassa olevaa käytäntöä.

Integration of microgrids into electricity distribution networks

Existing electricity distribution system is under pressure because implementation of distributed generation changes the grid configuration and also because some customers demand for better distribution reliability. In a short term, traditional network planning does not offer techno-economical solutions for the challenges and therefore the idea of microgrids is introduced. Islanding capability of microgrids is expected to enable better reliability by reducing effects of faults. The aim of the thesis is to discuss challenges in integration of microgrids into distribution networks. Study discusses development of microgrid related smart grid features and gives estimation of the guideline of microgrid implementation. Thesis also scans microgrid pilots around the world and introduces the most relevant projects. Analysis reveals that the main focus of researched studies is on low voltage microgrids. This thesis extends the idea to medium voltage distribution system and introduces challenges related to medium voltage microgrid implementation. Differences of centralized and distributed microgrid models are analyzed and the centralized model is discovered to be easiest to implement into existing distribution system. Preplan of medium voltage microgrid pilot is also carried out in this thesis.

Hevonen irtaimen kaupan tapauksena - laatuvirhe ja siihen varautuminen

Tutkimuksessa tarkastellaan hevoskauppaa ja sen erityispiirteitä suhtees-sa irtaimen kauppaa säätelevään lainsäädäntöön. Tavoitteena on tuoda esiin hevosesta johtuvia erityispiirteitä ja pohtia sovellettavan lainsäädän-nön soveltuvuutta hevosen kauppaan. Tarkastelu kohdentuu erityisesti hevoselle ominaisiin laatuvirheen muotoihin, kuten sairauksiin ja fyysisiin vikoihin. Lisäksi tarkastellaan, miten esiin nostettuihin erityispiirteisiin on varauduttu hevoskauppaan tarkoitetuissa kauppasopimusmalleissa. Hevoskauppaan pätee sama lainsäädäntö kuin minkä tahansa muun ir-taimen tavaran kauppaan. Virheeseen varautuminen yksityiskohtaisesti sopimalla korostuu hevoskaupassa, koska täydellistä ja virheetöntä hevosta ei ole olemassakaan. Myyjän näkökulmasta onnistuneessa kauppaprosessissa neuvotellaan virheen mahdollisuus niin pieneksi kuin se on mahdollista. Tähän instrumentit antavat lainsäädäntö ja erityisesti sopimusoikeudelliset keinot. Ostajan näkökulmasta onnistuneessa kaupassa hän on kyennyt asiantuntijoihin tukeutuen tunnistamaan ennalta hevosen viat ja muut epämieluisat ominaisuudet. Nämä tiedostaen ostaja määrittää, mitä virheitä on valmis hyväksymään. Hevoskaupassa riidan välittömät ja välilliset kustannukset suhteessa maksettuun kauppahintaan voivat nousta korkeiksi. Hevoskaupassa usein ainoa kirjallinen dokumentti on omistajanvaihdosilmoitus, eikä kauppasopimuksen laatiminen kirjallisena ole itsestäänselvyys. Yksinomaan hevoskauppaan liittyvien juridisten kysymysten tekeminen näkyväksi on tärkeää. Irtaimen kauppaa säätelevä lainsäädäntö ei kuitenkaan tunnista riittävällä tarkkuudella hevosen erityispiirteitä persoonaesineenä, vaan väliin tarvi-taan vakiosopimusten kaltaisia apuvälineitä kaupan osapuolten tueksi.

Katsastuksen teknisen laadun mittaaminen ja johtaminen

Suorituskyvyn mittaamisella on monia myönteisiä vaikutuksia koko organisaation toimintaan. Mittaamisen avulla toimintaa voidaan johtaa haluttuun suuntaan. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia, minkälainen suorituskykymittaristo tarvitaan katsastusyrityksen ylimmän johdon käyttöön, jotta katsastuksen teknisen laadun johtaminen mahdollistuisi. Tutkimuksen tarkoituksena oli rakentaa katsastuksen teknisen laadun suorituskykymittaristo ylimmälle johdolle. Katsastuksen tekninen laatu on keskeinen kysymys katsastusyritysten olemassaololle. Tekninen laatu on koko katsastustoiminnan perusta, jonka päälle liiketoiminta voidaan rakentaa. Ilman tätä perustaa ei ole jatkuvuutta liiketoiminnalle. Teknisen laadun mittaaminen ei kuitenkaan ole tällä hetkellä järjestelmällistä, eikä käytettävissä ole ollut tehtävään soveltuvaa mittaristoa. Tutkimuksessa käytettiin A-Katsastus Oy:n vuosien 2008–2011 aikana syntyneitä katsastustilastoja. Tilastollista prosessin valvonta-menetelmää (SPC) soveltamalla määritettiin toimipaikka- ja katsastajakohtaiset valvontarajat hylkäysprosenteille ja vikojen määrille. Valvontarajojen avulla rakennettiin katsastuksen teknisen laadun suorituskykymittaristo toimiala-, yritys-, toimipaikka- ja katsastajatasoille. Mittariston avulla voidaan asettaa tekniselle laadulle tavoitteet, seurata tavoitteiden toteumaa ja käynnistää tarvittaessa korjaavat toimenpiteet.

On Dynamic Monitoring Methods for Networks-on-Chip

Rapid ongoing evolution of multiprocessors will lead to systems with hundreds of processing cores integrated in a single chip. An emerging challenge is the implementation of reliable and efficient interconnection between these cores as well as other components in the systems. Network-on-Chip is an interconnection approach which is intended to solve the performance bottleneck caused by traditional, poorly scalable communication structures such as buses. However, a large on-chip network involves issues related to congestion problems and system control, for instance. Additionally, faults can cause problems in multiprocessor systems. These faults can be transient faults, permanent manufacturing faults, or they can appear due to aging. To solve the emerging traffic management, controllability issues and to maintain system operation regardless of faults a monitoring system is needed. The monitoring system should be dynamically applicable to various purposes and it should fully cover the system under observation. In a large multiprocessor the distances between components can be relatively long. Therefore, the system should be designed so that the amount of energy-inefficient long-distance communication is minimized. This thesis presents a dynamically clustered distributed monitoring structure. The monitoring is distributed so that no centralized control is required for basic tasks such as traffic management and task mapping. To enable extensive analysis of different Network-on-Chip architectures, an in-house SystemC based simulation environment was implemented. It allows transaction level analysis without time consuming circuit level implementations during early design phases of novel architectures and features. The presented analysis shows that the dynamically clustered monitoring structure can be efficiently utilized for traffic management in faulty and congested Network-on-Chip-based multiprocessor systems. The monitoring structure can be also successfully applied for task mapping purposes. Furthermore, the analysis shows that the presented in-house simulation environment is flexible and practical tool for extensive Network-on-Chip architecture analysis.

Formal development and quantitative verification of dependable systems

-

Taloushallinnon eettiset ongelmat verotarkastuskertomuksista tehtyjen havaintojen perusteella

Tässä tutkielmassa tutkittiin taloushallinnon eettisiä ongelmakohtia käyttäen aineistona verotarkastuskertomuksia. Tutkielman tavoitteena oli selvittää onko taloushallinnon eettisissä ratkaisuissa kyse kirjanpitäjän vai yrittäjän etiikasta, voidaanko verotarkastuksella havaitut virheet jaotella tahallisiin ja tahattomiin ja voidaanko näistä virheistä tehdä johtopäätöksiä veronmaksumyönteisyydestä. Kirjanpitäjän ja yrittäjän etiikan havaittiin ilmenevän eri tavoilla. Jos etiikkaa pohdittiin veronmaksuhalukkuuden merkityksessä, niin tällöin kyse oli yrittäjän etiikasta. Verotarkastuksilla havaitut virheet jaoteltiin virhetyyppeihin, joita käytettiin veronmaksumyönteisyyden analysointiin. Tutkielmassa käytettyjä virhetyyppejä olivat muun muassa luontois- ja henkilökuntaedut, kustannusten korvaukset ja edustusmenot. Veronmaksumyönteisyydessä havaittiin selviä eroja eri virhetyyppien välillä. Suurin osa virhetyypeistä kuului veronmaksumyönteisyyden perusteella joukkoon, jossa lakeja noudatetaan vain valvonnan alaisena. Näitä virheitä tekevien kohdalla verovalvonnan kattavuudella saavutetaan parhaat tulokset.

Adaptive Routing Approaches for Networked Many-Core Systems

Through advances in technology, System-on-Chip design is moving towards integrating tens to hundreds of intellectual property blocks into a single chip. In such a many-core system, on-chip communication becomes a performance bottleneck for high performance designs. Network-on-Chip (NoC) has emerged as a viable solution for the communication challenges in highly complex chips. The NoC architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication challenges such as wiring complexity, communication latency, and bandwidth. Furthermore, the combined benefits of 3D IC and NoC schemes provide the possibility of designing a high performance system in a limited chip area. The major advantages of 3D NoCs are the considerable reductions in average latency and power consumption. There are several factors degrading the performance of NoCs. In this thesis, we investigate three main performance-limiting factors: network congestion, faults, and the lack of efficient multicast support. We address these issues by the means of routing algorithms. Congestion of data packets may lead to increased network latency and power consumption. Thus, we propose three different approaches for alleviating such congestion in the network. The first approach is based on measuring the congestion information in different regions of the network, distributing the information over the network, and utilizing this information when making a routing decision. The second approach employs a learning method to dynamically find the less congested routes according to the underlying traffic. The third approach is based on a fuzzy-logic technique to perform better routing decisions when traffic information of different routes is available. Faults affect performance significantly, as then packets should take longer paths in order to be routed around the faults, which in turn increases congestion around the faulty regions. We propose four methods to tolerate faults at the link and switch level by using only the shortest paths as long as such path exists. The unique characteristic among these methods is the toleration of faults while also maintaining the performance of NoCs. To the best of our knowledge, these algorithms are the first approaches to bypassing faults prior to reaching them while avoiding unnecessary misrouting of packets. Current implementations of multicast communication result in a significant performance loss for unicast traffic. This is due to the fact that the routing rules of multicast packets limit the adaptivity of unicast packets. We present an approach in which both unicast and multicast packets can be efficiently routed within the network. While suggesting a more efficient multicast support, the proposed approach does not affect the performance of unicast routing at all. In addition, in order to reduce the overall path length of multicast packets, we present several partitioning methods along with their analytical models for latency measurement. This approach is discussed in the context of 3D mesh networks.

Design Space Exploration for MPSoC Architectures

Multiprocessor system-on-chip (MPSoC) designs utilize the available technology and communication architectures to meet the requirements of the upcoming applications. In MPSoC, the communication platform is both the key enabler, as well as the key differentiator for realizing efficient MPSoCs. It provides product differentiation to meet a diverse, multi-dimensional set of design constraints, including performance, power, energy, reconfigurability, scalability, cost, reliability and time-to-market. The communication resources of a single interconnection platform cannot be fully utilized by all kind of applications, such as the availability of higher communication bandwidth for computation but not data intensive applications is often unfeasible in the practical implementation. This thesis aims to perform the architecture-level design space exploration towards efficient and scalable resource utilization for MPSoC communication architecture. In order to meet the performance requirements within the design constraints, careful selection of MPSoC communication platform, resource aware partitioning and mapping of the application play important role. To enhance the utilization of communication resources, variety of techniques such as resource sharing, multicast to avoid re-transmission of identical data, and adaptive routing can be used. For implementation, these techniques should be customized according to the platform architecture. To address the resource utilization of MPSoC communication platforms, variety of architectures with different design parameters and performance levels, namely Segmented bus (SegBus), Network-on-Chip (NoC) and Three-Dimensional NoC (3D-NoC), are selected. Average packet latency and power consumption are the evaluation parameters for the proposed techniques. In conventional computing architectures, fault on a component makes the connected fault-free components inoperative. Resource sharing approach can utilize the fault-free components to retain the system performance by reducing the impact of faults. Design space exploration also guides to narrow down the selection of MPSoC architecture, which can meet the performance requirements with design constraints.

Paperitehtaan arkittamon kokonaistehokkuuden nostaminen kunnossapitoa kehittämällä

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia, miten UPM:n Kymin tehtaan A4- arkittamon kunnossapitotoimintaa pystyttäisiin kehittämään niin, että tuotantolaitoksen kokonaistehokkuutta saataisiin kasvatettua. Työssä on pohdittu keinoja nykyisen, pääasiallisesti korjaavan kunnossapitotoiminnan muuttamiseksi suunnitelmalliseksi eri teorialähtökohtien pohjalta. Keskeinen teoria, johon työn tulokset pohjautuvat, on kokonaisvaltainen tuottava kunnossapito (TPM). Kirjallisuuslähteisiin tukeutuvaa tutkimusta täydensivät useat haastattelut, A4-valmistajille suunnattu laitteiden kuntokartoituskysely ja tuotannon- ja toiminnanohjausjärjestelmistä kerätty mittausaineisto. Työn merkittävimmät tulokset osoittavat, että A4-arkittamon kunnossapitotoimintaa tulisi suunnata nykyistä enemmän käyttökunnossapitolähtöiseksi. Käyttökunnossapito perustuu tuotannon operaattoreiden osallistumiseen kunnossapitotoimiin varsinaisen kunnossapitohenkilöstön ohella. Tuotantooperaattoreilla on työnsä vuoksi parhaat mahdollisuudet käyttämiensä laitteiden kunnonvalvontaan ja näin ollen mahdollisten vikaantumisten ennakointiin jo varhaisessa vaiheessa. Ennakoimalla pystyttäisiin parantamaan kunnossapidon suunnitelmallisuutta, minkä ansiosta laitteiden käytettävyys ja sitä kautta tuotantolaitoksen kokonaistehokkuus olisivat nykyistä korkeampia.

Mittakuvatoiminnan asiakaslähtöisyyden kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää tämän päivän mittakuviin liittyviä asiakastarpeita Metso Automaation Virtauksensäätöratkaisut -liiketoimintalinjassa. Mittakuvat ovat tärkeä osa asiakkaalle tuotteen yhteydessä toimitettavaa dokumenttipakettia, joihin on kohdistettu yhä enemmän vaatimuksia viime vuosien aikana. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli ymmärtää 3D-mittakuvien merkitys Metson liiketoiminnassa, tunnistaa tämän päivän mittakuviin liittyvät asiakastarpeet, sekä luoda tunnistettujen asiakastarpeiden pohjalta kehittämissuunnitelma mittakuvatoiminnalle. Työssä toteutettiin teoreettinen kirjallisuusselvitys 3D-mallintamisesta sekä empiirinen tutkimusosuus asiakastarpeiden tunnistamisesta. Venttiiliyhdistelmä -mittakuviin liittyvät asiakastarpeet kerättiin haastatteluiden sekä verkkokyselyn avulla. Työssä haastateltiin Metson asiantuntijoita, Metson asiakkaita sekä CAD-järjestelmien toimittajia. Työn keskeisimpänä tuloksena esitettiin mittakuvatoiminnan kehittämissuunnitelma, jonka perustana oli mittakuviin liittyvä asiakastarvekartoitus, arvio Metson mittakuvatyökaluista sekä tulokset 3D-mittakuvien data- ja järjestelmävaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa kuvattiin, miten mittakuvatoimintaa tulee kehittää kokonaisvaltaisesti lähitulevaisuudessa. Tulokset antavat hyvän perustan laadukkaamman ja asiakaslähtöisemmän toiminnan kehittämiselle.

Michelson interferometer with porch swing bearing for portable FTIR spectrometer

The interferometer for low resolution portable Fourier Transform middle infrared spectrometer was developed and studied experimentally. The final aim was a concept for a commercial prototype. Because of the portability, the interferometer should be compact sized and insensitive to the external temperature variations and mechanical vibrations. To minimise the size and manufacturing costs, Michelson interferometer based on plane mirrors and porch swing bearing was selected and no dynamic alignment system was applied. The driving motor was a linear voice coil actuator to avoid mechanical contact of the moving parts. The driving capability for low mirror driving velocities required by the photoacoustic detectors was studied. In total, four versions of such an interferometer were built and experimentally studied. The thermal stability during the external temperature variations and the alignment stability over the mirror travel were measured using the modulation depth of the wide diameter laser beam. Method for estimating the mirror tilt angle from the modulation depth was developed to take account the effect from the non-uniform intensity distribution of the laser beam. The spectrometer stability was finally studied also using the infrared radiation. The latest interferometer was assembled for the middle infrared spectrometer with spectral range from 750 cm−1 to 4500 cm−1. The interferometer size was (197 × 95 × 79) mm3 with the beam diameter of 25 mm. The alignment stability as the change of the tilt angle over the mirror travel of 3 mm was 5 μrad, which decreases the modulation depth only about 0.7 percent in infrared at 3000 cm−1. During the temperature raise, the modulation depth at 3000 cm−1 changed about 1 . . . 2 percentage units per Celsius over short term and even less than 0.2 percentage units per Celsius over the total temperature raise of 30 °C. The unapodised spectral resolution was 4 cm−1 limited by the aperture size. The best achieved signal to noise ratio was about 38 000:1 with commercially available DLaTGS detector. Although the vibration sensitivity requires still improving, the interferometer performed, as a whole, very well and could be further developed to conform all the requirements of the portable and stable spectrometer.

Design and validation of stateful composite RESTful web services

A web service is a software system that provides a machine-processable interface to the other machines over the network using different Internet protocols. They are being increasingly used in the industry in order to automate different tasks and offer services to a wider audience. The REST architectural style aims at producing scalable and extensible web services using technologies that play well with the existing tools and infrastructure of the web. It provides a uniform set of operation that can be used to invoke a CRUD interface (create, retrieve, update and delete) of a web service. The stateless behavior of the service interface requires that every request to a resource is independent of the previous ones facilitating scalability. Automated systems, e.g., hotel reservation systems, provide advanced scenarios for stateful services that require a certain sequence of requests that must be followed in order to fulfill the service goals. Designing and developing such services for advanced scenarios with REST constraints require rigorous approaches that are capable of creating web services that can be trusted for their behavior. Systems that can be trusted for their behavior can be termed as dependable systems. This thesis presents an integrated design, analysis and validation approach that facilitates the service developer to create dependable and stateful REST web services. The main contribution of this thesis is that we provide a novel model-driven methodology to design behavioral REST web service interfaces and their compositions. The behavioral interfaces provide information on what methods can be invoked on a service and the pre- and post-conditions of these methods. The methodology uses Unified Modeling Language (UML), as the modeling language, which has a wide user base and has mature tools that are continuously evolving. We have used UML class diagram and UML state machine diagram with additional design constraints to provide resource and behavioral models, respectively, for designing REST web service interfaces. These service design models serve as a specification document and the information presented in them have manifold applications. The service design models also contain information about the time and domain requirements of the service that can help in requirement traceability which is an important part of our approach. Requirement traceability helps in capturing faults in the design models and other elements of software development environment by tracing back and forth the unfulfilled requirements of the service. The information about service actors is also included in the design models which is required for authenticating the service requests by authorized actors since not all types of users have access to all the resources. In addition, following our design approach, the service developer can ensure that the designed web service interfaces will be REST compliant. The second contribution of this thesis is consistency analysis of the behavioral REST interfaces. To overcome the inconsistency problem and design errors in our service models, we have used semantic technologies. The REST interfaces are represented in web ontology language, OWL2, that can be part of the semantic web. These interfaces are used with OWL 2 reasoners to check unsatisfiable concepts which result in implementations that fail. This work is fully automated thanks to the implemented translation tool and the existing OWL 2 reasoners. The third contribution of this thesis is the verification and validation of REST web services. We have used model checking techniques with UPPAAL model checker for this purpose. The timed automata of UML based service design models are generated with our transformation tool that are verified for their basic characteristics like deadlock freedom, liveness, reachability and safety. The implementation of a web service is tested using a black-box testing approach. Test cases are generated from the UPPAAL timed automata and using the online testing tool, UPPAAL TRON, the service implementation is validated at runtime against its specifications. Requirement traceability is also addressed in our validation approach with which we can see what service goals are met and trace back the unfulfilled service goals to detect the faults in the design models. A final contribution of the thesis is an implementation of behavioral REST interfaces and service monitors from the service design models. The partial code generation tool creates code skeletons of REST web services with method pre and post-conditions. The preconditions of methods constrain the user to invoke the stateful REST service under the right conditions and the post condition constraint the service developer to implement the right functionality. The details of the methods can be manually inserted by the developer as required. We do not target complete automation because we focus only on the interface aspects of the web service. The applicability of the approach is demonstrated with a pedagogical example of a hotel room booking service and a relatively complex worked example of holiday booking service taken from the industrial context. The former example presents a simple explanation of the approach and the later worked example shows how stateful and timed web services offering complex scenarios and involving other web services can be constructed using our approach.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Efficient Optimization Algorithms for Nonlinear Data Analysis

Identification of low-dimensional structures and main sources of variation from multivariate data are fundamental tasks in data analysis. Many methods aimed at these tasks involve solution of an optimization problem. Thus, the objective of this thesis is to develop computationally efficient and theoretically justified methods for solving such problems. Most of the thesis is based on a statistical model, where ridges of the density estimated from the data are considered as relevant features. Finding ridges, that are generalized maxima, necessitates development of advanced optimization methods. An efficient and convergent trust region Newton method for projecting a point onto a ridge of the underlying density is developed for this purpose. The method is utilized in a differential equation-based approach for tracing ridges and computing projection coordinates along them. The density estimation is done nonparametrically by using Gaussian kernels. This allows application of ridge-based methods with only mild assumptions on the underlying structure of the data. The statistical model and the ridge finding methods are adapted to two different applications. The first one is extraction of curvilinear structures from noisy data mixed with background clutter. The second one is a novel nonlinear generalization of principal component analysis (PCA) and its extension to time series data. The methods have a wide range of potential applications, where most of the earlier approaches are inadequate. Examples include identification of faults from seismic data and identification of filaments from cosmological data. Applicability of the nonlinear PCA to climate analysis and reconstruction of periodic patterns from noisy time series data are also demonstrated. Other contributions of the thesis include development of an efficient semidefinite optimization method for embedding graphs into the Euclidean space. The method produces structure-preserving embeddings that maximize interpoint distances. It is primarily developed for dimensionality reduction, but has also potential applications in graph theory and various areas of physics, chemistry and engineering. Asymptotic behaviour of ridges and maxima of Gaussian kernel densities is also investigated when the kernel bandwidth approaches infinity. The results are applied to the nonlinear PCA and to finding significant maxima of such densities, which is a typical problem in visual object tracking.