A new heuristic method for solving spatially constrained forest planning problems based on mitigation of infeasibilities radiating outward from a forced choice

[Abstract]

Minimization of the experimental workload for the prediction of pollutants propagation in rivers. Mathematical modelling and knowledge re-use

The present thesis in focused on the minimization of experimental efforts for the prediction of pollutant propagation in rivers by mathematical modelling and knowledge re-use. Mathematical modelling is based on the well known advection-dispersion equation, while the knowledge re-use approach employs the methods of case based reasoning, graphical analysis and text mining. The thesis contribution to the pollutant transport research field consists of: (1) analytical and numerical models for pollutant transport prediction; (2) two novel techniques which enable the use of variable parameters along rivers in analytical models; (3) models for the estimation of pollutant transport characteristic parameters (velocity, dispersion coefficient and nutrient transformation rates) as functions of water flow, channel characteristics and/or seasonality; (4) the graphical analysis method to be used for the identification of pollution sources along rivers; (5) a case based reasoning tool for the identification of crucial information related to the pollutant transport modelling; (6) and the application of a software tool for the reuse of information during pollutants transport modelling research. These support tools are applicable in the water quality research field and in practice as well, as they can be involved in multiple activities. The models are capable of predicting pollutant propagation along rivers in case of both ordinary pollution and accidents. They can also be applied for other similar rivers in modelling of pollutant transport in rivers with low availability of experimental data concerning concentration. This is because models for parameter estimation developed in the present thesis enable the calculation of transport characteristic parameters as functions of river hydraulic parameters and/or seasonality. The similarity between rivers is assessed using case based reasoning tools, and additional necessary information can be identified by using the software for the information reuse. Such systems represent support for users and open up possibilities for new modelling methods, monitoring facilities and for better river water quality management tools. They are useful also for the estimation of environmental impact of possible technological changes and can be applied in the pre-design stage or/and in the practical use of processes as well.

Opportunities, constraints and constrained opportunities – A study on mothers’ working time patterns in 22 European countries

The aim of this study was to analyse mothers’ working time patterns across 22 European countries. The focus was on three questions: how much mothers prefer to work, how much they actually work, and to what degree their preferred and actual working times are (in)consistent with each other. The focus was on cross-national differences in mothers’ working time patterns, comparison of mothers’ working times to that of childless women and fathers, as well as on individual- and country-level factors that explain the variation between them. In the theoretical background, the departure point was an integrative theoretical approach where the assumption is that there are various kinds of explanations for the differences in mothers’ working time patterns – namely structural, cultural and institutional – , and that these factors are laid in two levels: individual- and country-levels. Data were extracted from the European Social Survey (ESS) 2010 / 2011. The results showed that mothers’ working time patterns, both preferred and actual working times, varied across European countries. Four clusters were formed to illustrate the differences. In the full-time pattern, full-time work was the most important form of work, leaving all other working time forms marginal. The full-time pattern was perceived in terms of preferred working times in Bulgaria and Portugal. In polarised pattern countries, fulltime work was also important, but it was accompanied by a large share of mothers not working at all. In the case of preferred working times, many Eastern and Southern European countries followed it whereas in terms of actual working times it included all Eastern and Southern European countries as well as Finland. The combination pattern was characterised by the importance of long part-time hours and full-time work. It was the preferred working time pattern in the Nordic countries, France, Slovenia, and Spain, but Belgium, Denmark, France, Norway, and Sweden followed it in terms of actual working times. The fourth cluster that described mothers’ working times was called the part-time pattern, and it was illustrated by the prevalence of short and long part-time work. In the case of preferred working times, it was followed in Belgium, Germany, Ireland, the Netherlands and Switzerland. Besides Belgium, the part-time pattern was followed in the same countries in terms of actual working times. The consistency between preferred and actual working times was rather strong in a majority of countries. However, six countries fell under different working time patterns when preferred and actual working times were compared. Comparison of working mothers’, childless women’s, and fathers’ working times showed that differences between these groups were surprisingly small. It was only in part-time pattern countries that working mothers worked significantly shorter hours than working childless women and fathers. Results therefore revealed that when mothers’ working times are under study, an important question regarding the population examined is whether it consists of all mothers or only working mothers. Results moreover supported the use of the integrative theoretical approach when studying mothers’ working time patterns. Results indicate that mothers’ working time patterns in all countries are shaped by various opportunities and constraints, which are comprised of structural, cultural, institutional, and individual-level factors.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.

Timing of Capacity Change: Models for Capital Intensive Industry

The suitable timing of capacity investments is a remarkable issue especially in capital intensive industries. Despite its importance, fairly few studies have been published on the topic. In the present study models for the timing of capacity change in capital intensive industry are developed. The study considers mainly the optimal timing of single capacity changes. The review of earlier research describes connections between cost, capacity and timing literature, and empirical examples are used to describe the starting point of the study and to test the developed models. The study includes four models, which describe the timing question from different perspectives. The first model, which minimizes unit costs, has been built for capacity expansion and replacement situations. It is shown that the optimal timing of an investment can be presented with the capacity and cost advantage ratios. After the unit cost minimization model the view is extended to the direction of profit maximization. The second model states that early investments are preferable if the change of fixed costs is small compared to the change of the contribution margin. The third model is a numerical discounted cash flow model, which emphasizes the roles of start-up time, capacity utilization rate and value of waiting as drivers of the profitable timing of a project. The last model expands the view from project level to company level and connects the flexibility of assets and cost structures to the timing problem. The main results of the research are the solutions of the models and analysis or simulations done with the models. The relevance and applicability of the results are verified by evaluating the logic of the models and by numerical cases.

Työnantajan sivukulujen poiston vaikutus työllisyyteen

Tutkielman tavoitteena oli osoittaa minkälaisia vaikutuksia työnantajan sivukulujen poisto toisi työllisyyteen. Tutkielman empiirinen osio toteutettiin survey-tutkimuksella. Tämä toteutettiin postikyselyllä, jossa 810 Etelä-Karjalalaiselle yritykselle lähetettiin joulukuussa 2004 kyselylomake. Kyselyyn vastanneiden yritysten määrä oli 141 ja vastausprosentti oli 17. Vastanneiden yritysten toimialajakauma vastasi koko Etelä-Karjalan alueen yritysten toimialajakaumaa, jossa suurimpana toimialana oli eri palvelualan yritykset. Tutkielma eroaa aikaisemminista työllisyyden parantamiseksi esitetyistä malleista. Ensimmäineneroavaisuus on sivukulujen poistaminen yrityksiltä kokonaan eikä vain muutamilla prosenttiyksiköillä. Toinen eroavaisuus on sivukulujen poiston kohdistamisessavain niille yrityksille, joilla työllistävyys kasvaa merkittävästi. Näiden tarkoituksena on maksimoida työllisyysvaikutukset ja vaikuttaa aiheutuneiden kustannusten minimointiin tai kustannusten korvaantumiseen täysimääräisesti. Asetetut tavoitteet voidaan saavuttaa kohdistamalla sivukulujen poisto vain niihin yrityksiin, jotka työllistävät alle 5 henkilöä. Näiden yritysten kohdalla mahdollistuvauusien työntekijöiden määrä nousee keskimäärin 36 prosentilla. Tämä merkitsee laskelmien mukaan sitä, että sivululujen poiston aiheuttama sosiaalivakuutusmaksujen väheneminen korvaantuu vanhojen ja uusien työntekijöiden maksamilla tuloveroilla ja vähentyvillä työttömyyskorvauksilla. Uusien työpaikkojen kasvu merkitseeEtelä-Karjalan työttömyysprosentin laskua yli 4 prosenttiyksiköllä.

Reduction of Greenhouse Gas Emissions in North-West Russia - Finnish Business Opportunities

Tutkimus suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksista hiilidoksidipäästöjen vähentämisen parissa Luoteis-Venäjällä.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

Artificially Intelligent and Adaptive Methods for Prediction and Analysis of Superheater Fireside Corrosion in Fluidized Bed Boilers

Superheater corrosion causes vast annual losses for the power companies. With a reliable corrosion prediction method, the plants can be designed accordingly, and knowledge of fuel selection and determination of process conditions may be utilized to minimize superheater corrosion. Growing interest to use recycled fuels creates additional demands for the prediction of corrosion potential. Models depending on corrosion theories will fail, if relations between the inputs and the output are poorly known. A prediction model based on fuzzy logic and an artificial neural network is able to improve its performance as the amount of data increases. The corrosion rate of a superheater material can most reliably be detected with a test done in a test combustor or in a commercial boiler. The steel samples can be located in a special, temperature-controlled probe, and exposed to the corrosive environment for a desired time. These tests give information about the average corrosion potential in that environment. Samples may also be cut from superheaters during shutdowns. The analysis ofsamples taken from probes or superheaters after exposure to corrosive environment is a demanding task: if the corrosive contaminants can be reliably analyzed, the corrosion chemistry can be determined, and an estimate of the material lifetime can be given. In cases where the reason for corrosion is not clear, the determination of the corrosion chemistry and the lifetime estimation is more demanding. In order to provide a laboratory tool for the analysis and prediction, a newapproach was chosen. During this study, the following tools were generated: · Amodel for the prediction of superheater fireside corrosion, based on fuzzy logic and an artificial neural network, build upon a corrosion database developed offuel and bed material analyses, and measured corrosion data. The developed model predicts superheater corrosion with high accuracy at the early stages of a project. · An adaptive corrosion analysis tool based on image analysis, constructedas an expert system. This system utilizes implementation of user-defined algorithms, which allows the development of an artificially intelligent system for thetask. According to the results of the analyses, several new rules were developed for the determination of the degree and type of corrosion. By combining these two tools, a user-friendly expert system for the prediction and analyses of superheater fireside corrosion was developed. This tool may also be used for the minimization of corrosion risks by the design of fluidized bed boilers.

Direct torque control of permanent magnet synchronous machines - analysis and implementation

Thedirect torque control (DTC) has become an accepted vector control method besidethe current vector control. The DTC was first applied to asynchronous machines,and has later been applied also to synchronous machines. This thesis analyses the application of the DTC to permanent magnet synchronous machines (PMSM). In order to take the full advantage of the DTC, the PMSM has to be properly dimensioned. Therefore the effect of the motor parameters is analysed taking the control principle into account. Based on the analysis, a parameter selection procedure is presented. The analysis and the selection procedure utilize nonlinear optimization methods. The key element of a direct torque controlled drive is the estimation of the stator flux linkage. Different estimation methods - a combination of current and voltage models and improved integration methods - are analysed. The effect of an incorrect measured rotor angle in the current model is analysed andan error detection and compensation method is presented. The dynamic performance of an earlier presented sensorless flux estimation method is made better by improving the dynamic performance of the low-pass filter used and by adapting the correction of the flux linkage to torque changes. A method for the estimation ofthe initial angle of the rotor is presented. The method is based on measuring the inductance of the machine in several directions and fitting the measurements into a model. The model is nonlinear with respect to the rotor angle and therefore a nonlinear least squares optimization method is needed in the procedure. A commonly used current vector control scheme is the minimum current control. In the DTC the stator flux linkage reference is usually kept constant. Achieving the minimum current requires the control of the reference. An on-line method to perform the minimization of the current by controlling the stator flux linkage reference is presented. Also, the control of the reference above the base speed is considered. A new estimation flux linkage is introduced for the estimation of the parameters of the machine model. In order to utilize the flux linkage estimates in off-line parameter estimation, the integration methods are improved. An adaptive correction is used in the same way as in the estimation of the controller stator flux linkage. The presented parameter estimation methods are then used in aself-commissioning scheme. The proposed methods are tested with a laboratory drive, which consists of a commercial inverter hardware with a modified software and several prototype PMSMs.

Jätteen määrän vähentäminen ja jätteenkäsittelymahdollisuuksien selvittäminen pinnoitetehtaassa

EU:n mukanaan tuomat uudet vaatimukset jätteenpoltolle aiheuttavat suuria muutoksia Dynea Overlays Oy:n jätteen käsittelylle. Samalla tehdasalueella tapahtuva jätteenpoltto päättyy todennäköisesti vuoden 2005 lopulla. Tästä syystä tehtaalla syntyville jätteille haettiin uusia hävitysreittejä. Jokaiselle jätejakeelle löydettiin uusi hävitysvaihtoehto, jotka pääosin ovat jätteen hyödyntämistä energiana. Pinnoitejätteet, kovetetut hartsit ja kuitujäte hyödynnetään energiana, tyhjät kertakäyttökontit joko otetaan uudelleenkäyttöön tai toimitetaan purettuina metallin- ja muovinkeräykseen. Työn toinen tavoite oli jätteen määrän vähentäminen. Jätteen määrää vähentämällä saadaan alennettua jätteenkäsittelykustannuksia sekä parannettua saantoa. Saanto on mittari, jota seurataan Dynean kaikilla pinnoitetehtailla ympäri maailmaa. Yrityksen johto on asettanut tavoitteeksi nostaa saannon vuoden 2003 tasolta 90 % tasolle 93 % vuoden 2004 loppuun mennessä. Jo vuoden 2004 ensimmäisinä kuukausina saanto näyttää parantuneen tavoitetasolle asiaan kiinnitetyn huomion ja tarkentuneen raportoinnin seurauksena.

Normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin

Evoluutioalgoritmit ovat viime vuosina osoittautuneet tehokkaiksi menetelmiksi globaalien optimointitehtävien ratkaisuun. Niiden vahvuutena on etenkin yleiskäyttöisyys ja kyky löytää globaali ratkaisu juuttumatta optimoitavan tavoitefunktion paikallisiin optimikohtiin. Tässä työssä on tavoitteena kehittää uusi, normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin, joka on eräs uusimmista evoluutiopohjaisista optimointialgoritmeista. Menetelmän oletetaan vähentävän entisestään sekä populaation ennenaikaisen suppenemisen, että algoritmin tilojen juuttumisen riskiä ja se on teoreettisesti osoitettavissa suppenevaksi. Tämä ei päde alkuperäisen differentiaalievoluution tapauksessa, koska on voitu osoittaa, että sen tilanmuutokset voivat pienellä todennäköisyydellä juuttua. Työssä uuden menetelmän toimintaa tarkastellaan kokeellisesti käyttäen testiongelmina monirajoiteongelmia. Rajoitefunktioiden käsittelyyn käytetään Jouni Lampisen kehittämää, Pareto-optimaalisuuden periaatteeseen perustuvaa menetelmää. Samalla saadaan kerättyä lisää kokeellista näyttöä myös tämän menetelmän toiminnasta. Kaikki käytetyt testiongelmat kyettiin ratkaisemaan sekä alkuperäisellä differentiaalievoluutiolla, että uutta mutaatio-operaatiota käyttävällä versiolla. Uusi menetelmä osoittautui kuitenkin luotettavammaksi sellaisissa tapauksissa, joissa alkuperäisellä algoritmilla oli vaikeuksia. Lisäksi useimmat ongelmat kyettiin ratkaisemaan luotettavasti pienemmällä populaation koolla kuin alkuperäistä differentiaalievoluutiota käytettäessä. Uuden menetelmän käyttö myös mahdollistaa paremmin sellaisten kontrolliparametrien käytön, joilla hausta saadaan rotaatioinvariantti. Laskennallisesti uusi menetelmä on hieman alkuperäistä differentiaalievoluutiota raskaampi ja se tarvitsee yhden kontrolliparametrin enemmän. Uusille kontrolliparametreille määritettiin kuitenkin mahdollisimman yleiskäyttöiset arvot, joita käyttämällä on mahdollista ratkaista suuri joukko erilaisia ongelmia.

SB-lateksitehtaan päästöjen minimointi

Diplomityön tavoitteena oli löytää soveltuvimmat parhaaseen käytettävissä olevaan tekniikkaan perustuvat menetelmät SB-lateksitehtaan päästöjen käsittelemiseksi. Kirjallisuuslähteinä käytettiin Euroopan komission julkaisemia toimialakohtaisia BAT-julkaisuja. Lisäksi hyödynnettiin kemianteollisuudessa jo käytössä olevien menetelmien kokemusperäistä tietoa. Kokeellinen osan pohjaksi kartoitettiin merkittävät päästölähteet: kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset päästöt. Päästömittaukset olivat kvantitatiivisia, mutta mittauksissa kerättiin myös kvalitatiivista tietoa. Kirjallisen ja kokemusperäisen tiedon sekä päästöjen mittaustulosten perusteella valittiin soveltuvimmat päästöjenkäsittelyvaihtoehdot. Kiinteiden päästöjen määrään vaikuttaa eniten lateksin suodatusmenetelmän valinta. Nestemäisten päästöjen uudelleenkäyttö on tehokkain tapa minimoida päästöjä. Tehokkain tapa käsitellä orgaanisia jätevesiä on kolonnistrippaus. Lateksipitoisille jätevesille soveltuvin menetelmä on membraanitekniikka. Kaasuseospäästöille soveltuvin käsittelymenetelmä on terminen kammiopoltto. Yhden kemikaalin kaasupäästöjen käsittelyssä menetelmät perustuvat kondensointiin, paikallisiin suodattimiin ja kaasujen takaisinkierrätykseen riippuen kemikaalin ominaisuuksista.