Study of ligand-based virtual screening tools in computer-aided drug design

Virtual screening is a central technique in drug discovery today. Millions of molecules can be tested in silico with the aim to only select the most promising and test them experimentally. The topic of this thesis is ligand-based virtual screening tools which take existing active molecules as starting point for finding new drug candidates. One goal of this thesis was to build a model that gives the probability that two molecules are biologically similar as function of one or more chemical similarity scores. Another important goal was to evaluate how well different ligand-based virtual screening tools are able to distinguish active molecules from inactives. One more criterion set for the virtual screening tools was their applicability in scaffold-hopping, i.e. finding new active chemotypes. In the first part of the work, a link was defined between the abstract chemical similarity score given by a screening tool and the probability that the two molecules are biologically similar. These results help to decide objectively which virtual screening hits to test experimentally. The work also resulted in a new type of data fusion method when using two or more tools. In the second part, five ligand-based virtual screening tools were evaluated and their performance was found to be generally poor. Three reasons for this were proposed: false negatives in the benchmark sets, active molecules that do not share the binding mode, and activity cliffs. In the third part of the study, a novel visualization and quantification method is presented for evaluation of the scaffold-hopping ability of virtual screening tools.

Monikappalesysteemin esikäsittelijä kaupallisessa ympäristössä

Työn tavoitteena oli tehdä monikappalesysteemin esikäsittelijä, joka toimii CAD-ohjelmiston yhteydessä. CAD-ohjelmistoksi valittiin SolidWorks-ohjelmisto. Esikäsittelijästä tehtiin yhteensopiva monikappaledynamiikan simulointi ohjelmiston kanssa, joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Aikaansaadun esikäsittelijän avulla pystytään tuottamaan monikappaledynamiikan simuloinnissa tarvittavat lähtötiedot. Lähtötiedot esikäsittelijä laskee käyttäjän tekemästä kokoonpanokuvasta ja käyttäjän antamista tiedoista. Esikäsittelijän toiminta verifioitiin kaupallisin simulointiohjelmisto ADAMS:n avulla. Esikäsittelijän todettiin toimivan luotettavasti ja täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi esikäsittelijän todettiin nopeuttavan huomattavasti simulointimallien tekoa.

Interaktiivinen NURBS-sovelma opetuskäyttöön

Parametriset NURBS-käyrät ja -pinnat ovat yleisiä työkaluja graafisessa mallinnuksessa, tietokoneavusteisessa suunnittelussa ja muissa sovelluksissa. NURBS-mallinnus on pääosin melko intuitiivista, mutta siinä on joitakin vaikeammin ymmärrettäviä osia. Ihminen oppii parhaiten tekemällä, minkä takia päätettiin tehdä interaktiivinen NURBS-opetussovelma, joka tutustuttaa käyttäjän NURBSien toimintaan. Sovelma toimii www-selaimessa Java-liitännäisen avulla ja hyödyntää Java OpenGL -grafiikkarajapintaa kolmiulotteisen grafiikan piirtämiseen. Sovelma on helppokäyttöinen ja opastaa käyttäjää NURBS-mallinnuksen eri osa-alueissa.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Simulation of new p-type pixel strip detector with enhanced multiplication effect

This Master’s Thesis is dedicated to the simulation of new p-type pixel strip detector with enhanced multiplication effect. It is done for high-energy physics experiments upgrade such as Super Large Hadron Collider especially for Compact Muon Solenoid particle track silicon detectors. These detectors are used in very harsh radiation environment and should have good radiation hardness. The device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors is used for minimizing the radiation degradation. New detector structure with enhanced multiplication effect is proposed in this work. There are studies of electric field and electric charge distribution of conventional and new p-type detector under reverse voltage bias and irradiation. Finally, the dependence of the anode current from the applied cathode reverse voltage bias under irradiation is obtained in this Thesis. For simulation Silvaco Technology Computer Aided Design software was used. Athena was used for creation of doping profiles and device structures and Atlas was used for getting electrical characteristics of the studied devices. The program codes for this software are represented in Appendixes.

Tuning the design procedures for laser processed microwave mechanics

This research has been focused at the development of a tuned systematic design methodology, which gives the best performance in a computer aided environment and utilises a cross-technological approach, specially tested with and for laser processed microwave mechanics. A tuned design process scheme is also presented. Because of the currently large production volumes of microwave and radio frequency mechanics even slight improvements of design methodologies or manufacturing technologies would give reasonable possibilities for cost reduction. The typical number of required iteration cycles could be reduced to one fifth of normal. The research area dealing with the methodologies is divided firstly into a function-oriented, a performance-oriented or a manufacturability-oriented product design. Alternatively various approaches can be developed for a customer-oriented, a quality-oriented, a cost-oriented or an organisation-oriented design. However, the real need for improvements is between these two extremes. This means that the effective methodology for the designers should not be too limited (like in the performance-oriented design) or too general (like in the organisation-oriented design), but it should, include the context of the design environment. This is the area where the current research is focused. To test the developed tuned design methodology for laser processing (TDMLP) and the tuned optimising algorithm for laser processing (TOLP), seven different industrial product applications for microwave mechanics have been designed, CAD-modelled and manufactured by using laser in small production series. To verify that the performance of these products meets the required level and to ensure the objectiveness ofthe results extensive laboratory tests were used for all designed prototypes. As an example a Ku-band horn antenna can be laser processed from steel in 2 minutes at the same time obtaining a comparable electrical performance of classical aluminium units or the residual resistance of a laser joint in steel could be limited to 72 milliohmia.

Cam-tekniikan opetusohjelma

Tässä työssä keskitytään rakentamaan opetusohjelma, jonka avulla pyritään kehittämään tietokoneavusteisten valmistusjärjestelmien käyttöä puutuotteiden valmistuksessa. Tavoitteena on cam-teknologian opetustyön ja oppimistapahtuman selkeyttäminen sekä järjestelmän opetuksessa tarvittavan koulutusaineiston luominen. Suunnittelussa pyritään vastaamaan puutuoteteollisuuden tämän hetken tarpeisiin, jotta koulutettavat pystyisivät toimimaan nykyaikaisten cam-järjestelmien parissa. Opetusohjelma sisältää opetuskokonaisuuksia cam-järjestelmän rakenteesta, sen toteuttamisesta ja käytöstä. Lisäksi työssä sovelletaan toteutettua opetusohjelmaa erilaisten kohderyhmien opetussuunnitelmissa ja tutkitaan verkkopohjaisen oppimisympäristön luonnetta ja sen mahdollista käyttöä cam-tekniikan opetuksessa.

Evolutionary computing in search-based software engineering

This master’s thesis aims to study and represent from literature how evolutionary algorithms are used to solve different search and optimisation problems in the area of software engineering. Evolutionary algorithms are methods, which imitate the natural evolution process. An artificial evolution process evaluates fitness of each individual, which are solution candidates. The next population of candidate solutions is formed by using the good properties of the current population by applying different mutation and crossover operations. Different kinds of evolutionary algorithm applications related to software engineering were searched in the literature. Applications were classified and represented. Also the necessary basics about evolutionary algorithms were presented. It was concluded, that majority of evolutionary algorithm applications related to software engineering were about software design or testing. For example, there were applications about classifying software production data, project scheduling, static task scheduling related to parallel computing, allocating modules to subsystems, N-version programming, test data generation and generating an integration test order. Many applications were experimental testing rather than ready for real production use. There were also some Computer Aided Software Engineering tools based on evolutionary algorithms.

Trolley R&D project for a small portal log yard crane

This master’s thesis was done for Andritz Inc. Atlanta Georgia. The purpose of the thesis was to develop a new trolley for a small portal log yard crane. In the beginning of the thesis the basic principles of the systematic design processes have been described, along which the design work of the trolley has proceeded. The second literature part consists of the design and dimensioning of the welded steel structures under fatigue loading. The design work of the trolley consists of the engineering and the selection of the mechanical components and the design of the load carrying structure for the trolley. The realization of the steel structure of the trolley is based on the fatigue and static dimensioning. The fatigue dimensioning is grounded in the life expectations estimated for the trolley and the static dimensioning is based on the CMAA guidelines. The computer aided element method was utilized in the design of the steel structure. The effective notch method and the hot spot method were used in the fatigue calculations. The trolley structure was carried out by using the sheet metal parts in order to manufacture the structure as effective and low cost way as possible. The corner stone of the dimensioning of the trolley structure was the utilization of the open profiles made of welded or cold formed sheet metals, which provide better weldability, weld inspection, access for repairs and corrosion protection. As a last part of the thesis a new trolley traveling system was developed. The distribution of the wheel loads of the trolley bogies on the main girder was also studied, which led to an innovative suspension arrangement between the trolley leg and the bogie. The new bogie solution increases the service life of the main girder of the crane and improves the stability of the bogies. The outcome of the thesis is an excellent trolley structure from the weight and the service life point of view.

Tietokoneavusteinen opetus koulun oppimisympäristöjen muutoksessa

Summary: Computer-aided instruction in the changing learning environments

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Simulation Supported Robot Programming using XML

The main objective of this master's thesis is to study robot programming using simulation software, and also how to embed the simulation software into company's own robot controlling software. The further goal is to study a new communication interface to the assembly line's components -more precisely how to connect the robot cell into this new communication system. Conveyor lines are already available where the conveyors use the new communication standard. The robot cell is not yet capable of communicating with to other devices using the new communication protocols. The main problem among robot manufacturers is that they all have their own communication systems and programming languages. There has not been any common programming language to program all the different robot manufacturers robots, until the RRS (Realistic Robot Simulation) standards were developed. The RRS - II makes it possible to create the robot programs in the simulation software and it gives a common user interface for different robot manufacturers robots. This thesis will present the RRS - II standard and the robot manufacturers situation for the RRS - II support. Thesis presents how the simulation software can be embedded into company's own robot controlling software and also how the robot cell can be connected to the CAMX (Computer Aided Manufacturing using XML) communication system.

Huoltoraportoinnin kehittämien sähköalan kunnossapitoyrityksessä

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää ABB Service Oy:n tekemien huoltotöiden asiakkaille suunnattua raportointia tietojärjestelmän avulla hallittavaksi elektroniseksi kokonaisuudeksi. Työn perusteella havaittiin suurimmiksi kehityskohteiksi raporttien laadinnan nopeuttaminen ja niiden sisältämän informaation hyödyntäminen ennakoivan kunnossapidon tarpeisiin. Työtä varten tehtiin syksyllä 1998 haastattelututkimus ABB Service Oy:n asiakkaille ja muille ABB yhtiöille, jonka avulla selvitettiin eri osapuolten näkemät suurimmat ongelmat ja kehitystoiveet huoltoraportoinnissa. Työssä kartoitettiin ABB Service -yhtiöiden huoltotoiminnan laajuus ja raportoinnin tämänhetkinen toteutus sekä siinä ilmenneet kehitystarpeet. Työssä tutkitaan eri vaihtoehdot raportoinnin kokonaisuuden hallitsemiseksi tietokoneavusteisesti sekä tehdään ehdotus ja pilot-toteutus huoltoraportointitietojärjestelmästä. Raporttien hyötykäytön mahdollistamiseksi on ne tallennettava tietokantaan, johon myös ABB:n tuoteyhtöiden henkilöillä on pääsy. Asiakaspalvelun parantamiseksi on raportit toimitettava sähköisessä muodossa asiakkaalle mahdollisimman nopeasti huollon päätyttyä. Standardoimalla lisäksi raporttien ulkoasu, helpottuu raporttien käsittely niin asiakkaalla kuin ABB Service -yhtiöissäkin. Työn lopuksi tarkastellaan tietojärjestelmän jatkokehitysnäkymiä toteutustapaa ja -järjestystä silmällä pitäen.

KUMPPANUUKSIEN LAATUTEKIJÄT JA KUMPPANUUSKYVYKKYYS VERKOSTOSUHTEIDEN KRIITTISINÄ MENESTYSTEKIJÖINÄ

Pro gradu -tutkielman tavoitteena on selvittää, mitkä ovat kahden yrityksen läheisen verkostoyhteistyösuhteen menestystekijät ja kuinka yritys pystyy parantamaan onnistumistaan verkostosuhteissaan. Päämääränä on selvittää kirjallisuudesta löydettyjen menestystekijöiden avulla, mikä on case –yritysten yhteistyösuhteiden ja kumppanuuskyvykkyyden nykytila, pullonkaulatekijät ja kuinka niitä voidaan parantaa. Tutkielman tavoitteisiin on pyritty kvalitatiivisiin tutkimusmenetelmiin kuuluvalla case –tutkimuksella. Aineisto kerättiin teemahaastatteluin ja analysoitiin purkamalla ne sanallisiin, teema-alueiden mukaisiin kokonaisuuksiin. Analyysissä käytettiin osittain Atlas.Ti –ohjelmistoa. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että läheisen verkostoyhteistyösuhteen menestystekijät ovat luottamus, sitoutuminen ja kommunikaatio sekä verkostoidentiteetti. Näistä luottamuksen tila oli tutkituissa suhteissa hyvä ja sitoutumisenkin kohtuullinen. Sen sijaan verkostoidentiteetti oli jossain määrin epäselvä ja kommunikaatiossa oli puutteita kasvaen sitä mukaan, kun organisaatiohierarkiassa edetään korkeammalle. Nämä mahdollisesti heikentävät läheisestä suhteesta saatavia hyötyjä. Tulokset osoittavat myös sen, että nostaakseen onnistumisen tason kaikissa yhteistyösuhteissaan, niiden tulee pyrkiä järjestelmällisesti hyödyntämään aikaisempaa yhteistyökokemustaan ja näin rakentamaan kumppanuuskyvykkyyttään. Kohdeyrityksissä oli tehty vielä vähän konkreettisia toimenpiteitä yritystason kumppanuuskyvykkyyden kohentamiseksi.

Real-Time Simulation of Mobile and Industrial Machines Using the Multibody Simulation Approach

This thesis introduces a real-time simulation environment based on the multibody simulation approach. The environment consists of components that are used in conventional product development, including computer aided drawing, visualization, dynamic simulation and finite element software architecture, data transfer and haptics. These components are combined to perform as a coupled system on one platform. The environment is used to simulate mobile and industrial machines at different stages of a product life time. Consequently, the demands of the simulated scenarios vary. In this thesis, a real-time simulation environment based on the multibody approach is used to study a reel mechanism of a paper machine and a gantry crane. These case systems are used to demonstrate the usability of the real-time simulation environment for fault detection purposes and in the context of a training simulator. In order to describe the dynamical performance of a mobile or industrial machine, the nonlinear equations of motion must be defined. In this thesis, the dynamical behaviour of machines is modelled using the multibody simulation approach. A multibody system may consist of rigid and flexible bodies which are joined using kinematic joint constraints while force components are used to describe the actuators. The strength of multibody dynamics relies upon its ability to describe nonlinearities arising from wearing of the components, friction, large rotations or contact forces in a systematic manner. For this reason, the interfaces between subsystems such as mechanics, hydraulics and control systems of the mechatronic machine can be defined and analyzed in a straightforward manner.