Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Parameter identification in time series models

Time series analysis can be categorized into three different approaches: classical, Box-Jenkins, and State space. Classical approach makes a basement for the analysis and Box-Jenkins approach is an improvement of the classical approach and deals with stationary time series. State space approach allows time variant factors and covers up a broader area of time series analysis. This thesis focuses on parameter identifiablity of different parameter estimation methods such as LSQ, Yule-Walker, MLE which are used in the above time series analysis approaches. Also the Kalman filter method and smoothing techniques are integrated with the state space approach and MLE method to estimate parameters allowing them to change over time. Parameter estimation is carried out by repeating estimation and integrating with MCMC and inspect how well different estimation methods can identify the optimal model parameters. Identification is performed in probabilistic and general senses and compare the results in order to study and represent identifiability more informative way.

Induktiokoneiden roottorivalmistuksen tuotantolayoutin ja materiaalikäsittelyn suunnittelu kapasiteetin kasvattamiseksi

Tämä insinöörityö on tehty ABB OY:n Pitäjänmäen tehtaalle ja käsittelee HX-roottorivalmistuksen uuden layoutin suunnittelua. Työssä tarkastellaan läpimenoajan lyhentämistä ja kapasiteetin nostoa sekä varastointia ja materiaalivirtauksia. Työn pääpaino on kuitenkin uuden tuotanto-layoutin suunnittelussa. Suunnittelu aloitettiin projektin tunnusluvuista. Lisäksi ratkaisuista keskusteltiin osaston työntekijöiden kanssa. Työn tuloksena syntyi kolme layout-vaihtoehtoa. Layout-suunnitelmassa keskeneräinen tuotanto pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi ja karsimaan takaisinpäin suuntautuvaa työskentelyä. Just-in-time-periaatteen mukainen ohjaus parantaa osastolla tarvittavien materiaalien hallintaa. Lisäksi tavaroiden setittäminen vähentää hyllytilan tarvetta ja helpottaa siisteyden ylläpitoa. Asetettuihin tavoitteisiin pääseminen edellyttää uusia konehankintoja.

Strategisen osaamisen määrittely ja arviointi, Case: Finnsteve Oy, Helsinki

Tutkielman tarkoituksena oli ydinosaamisen ja strategisen osaamisen määritteleminen ja arvioiminen. Tavoitteena oli selventää sekä organisaation johdon ja keskijohdon näkemyksiä siitä mitä strateginen kyvykkyys on sekä tehdä osaamisten arvioinnin yhteydessä perustyötä henkilöstön strategisten osaamisten kehittämiseksi. Case- organisaationa tutkimuksessa oli Finnsteve Oy, Helsingin, Turun ja Kotkansatamissa toimiva Suomen toiseksi suurin satamaoperaattori. Tutkimuksessa käytettiin tiedonkeruumenetelmänä lomakekyselyä yhdis-tettynä kvalitatiiviseen teemahaastatteluun. Ydinosaamisten määrittelyssä käytettiin ryhmätyömenetelmää. Tutkimusongelmia peilattiin sekä resurs-siperusteiseen että ydinosaamisen teorioihin. Tutkimuksessa saatiin selvä kuva siitä, miten ydinosaamisen määrittely käytännössä voidaan yrityksessä toteuttaa. Koska kyseessä oleva yritys tuottaa satamapalveluja, on palvelutapahtuman reagointinopeus, tehok-kuus, joustavuus ja oikea-aikaisen informaation tuottaminen asiakkaille yrityksen kannalta ehdottoman tärkeää. Mikäli yritys haluaa säilyttää maineensa joustavana ja asiakkaiden toiveisiin nopeasti reagoivana yrityksenä sen on kyettävä kannustamaan henkilöstöään innovointiin. Innovoinnit johtavat parhaimmillaan prosessi-innovaatioihin ja sitä kautta sisäisen tehokkuuden paranemiseen jaasiakastyytyväisyyteen.

Kiinteistötekniikan materiaalitoimintojen kehittäminen

Tutkimus on tehty osana YIT Huber Oy:n logistiikan kehitystyötä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää yrityksen logistiikan nykytila sekä luoda uusia toimintamalleja parantamaan toimintaa. Näiden lisäksi tavoitteena oli selvittää toimintamuutokset, jotta uuteen malliin siirtyminen on mahdollista. Logistinen nykytila selvitettiin toimitusketjun toimintoperusteisella kustannusanalyysillä. Analyysi toteutettiin kahden tyypillisen urakointikohteen avulla. Molempien projektien osalta kustannukset kohdennettiin kolmeen toimintoryhmään; tulologistiikkaan, sisältölogistiikkaan sekä projektinhallintaan. Näiden lisäksi analyysissa huomioitiin hallinto- ja varastointikustannukset, joita ei voida kohdistaa projekteille. Analyysin tuottaman tiedon avulla muodostettiin kolme toimintamallia (yhteistyö kolmannen osapuolen, tukkureiden ja YIT Rakennus Oy:n kanssa), jotka vähentävät toimitusketjuun sitoutuneen työn määrää, parantavat materiaalitoimitusten oikea-aikaisuutta sekä joustavuutta. Toimintamallien pohjalta selvitettiin niihin liittyvät hallinnolliset ja operatiiviset muutokset, jotka luovat edellytykset uuden mallin käytölle.

Tuotantofilosofiat

Työssä esitellään käytetyimpiä tuotantofilosofioita. Tuotantofilosofia on hyvin laaja käsite ja sen vuoksi myös jotkin esiteltävistä menetelmistä ovat hyvin kaukana toisistaan. Työ koostuu teoriaosiosta, jossa on esitelty kukin tuotantofilosofia ja lopuksi johtopäätöksiä-osiossa käsitellään sitä, kuinka menetelmät liittyvät toisiinsa. Työssä esitellään JIT/JOT-tuotanto, Lean-tuotanto, Monozukuri, Modulointi, Standardointi, Strategiatyö, Six Sigma, TQM, TPM, QFD, MFD, Simulointi, Digitaalinen valmistus, DFX ja ns. uudet tuotantofilosofiat. Eri menetelmistä löytyvää lähdemateriaalia on tarjolla monipuolisesti, josta johtuen menetelmistä on voitu esitellä vain pääpiirteet. Tuotantofilosofioiden avulla voidaan saavuttaa monia eri asioita. Osa menetelmistä on luotu tuotannon tehostamiseksi ja yksinkertaistamiseksi, osa puolestaan lisää tuotannon tai koko yrityksen laatutasoa ja osa puolestaan helpottaa tuotteiden suunnittelu-työtä. Moni esiteltävistä filosofioista ei istu yksinomaan yhteen edellä mainituista kategorioista vaan kattaa laajempia alueita pitäen sisällään jopa kaikkia kolmea mainittua tulosta. Näiden lisäksi työssä on esitelty lyhyesti uusia tuotantofilosofioita, jotka ovat hieman irrallisia kokonaisuuksia verrattuna muihin työssä esiteltäviin filosofioihin. Työn tarkoituksena on auttaa hahmottamaan suurta kokonaisuutta jonka tuotantofilosofiat tuottavat. On tärkeää osata hahmottaa filosofioiden riippuvuus toisistaan ja se, että otettaessa käyttöön jotain tuotantofilosofiaa, tarkoittaa se myös mahdollisesti monen muunkin asian huomioonottamista. Tätä näkökantaa selvennetään johtopäätöksissä.

JIT-tuotannonohjausmenetelmän soveltaminen autoteollisuudessa

Autoteollisuuden kovan kilpailun takia autonvalmistajat ovat etsineet tapoja pienentää kustannuksia, lisätä tuottavuutta ja ylläpitää kannattavuutta, ja ovat ottaneet käyttöön JIT-tuotannonohjausmenetelmän. Autoteollisuus nähdäänkin yleisesti johtavana JIT-menetelmän soveltajana. JIT-menetelmän käytöllä saavutettavat hyödyt ovat hyvin näkyvissä juuri autoteollisuudessa. Tässä työssä käsittelemme, miten JIT-tuotannonohjausmenetelmää sovelletaan autoteollisuudessa. Lisäksi esittelemme käytännön työkaluja, joiden avulla JIT-tuotannonohjaus voidaan toteuttaa autoteollisuudessa.

Design and implementation of a production synchronization extension for Microsoft Dynamics AX

In a just-in-time, assemble-to-order production environments the scheduling of material requirements and production tasks - even though difficult - is of paramount importance. Different enterprise resource planning solutions with master scheduling functionality have been created to ease this problem and work as expected unless there is a problem in the material flow. This case-based candidate’s thesis introduces a tool for Microsoft Dynamics AX multisite environment, that can be used by site managers and production coordinators to get an overview of the current open sales order base and prioritize production in the event of material shortouts to avoid part-deliveries.

Improve the production capacity: A case study of Eurofins Viljavuuspalvelu Oy

In any manufacturing system, there are many factors that are affecting and limiting the capacity of the entire system. This thesis addressed a study on how to improve the production capacity in a Finnish company (Viljavuuspalvelu Oy) through different methods like bottleneck analysis, Overall Equipment Effectiveness (OEE), and Just in Time production. Four analyzing methods have been studied in order to detect the bottleneck machine in Viljavuuspalvelu Oy. The results shows that the bottleneck machine in the industrial area that constraint the production is the grinding machine while the bottleneck machine in the laboratory section is the photometry machine. In addition, the Overall Equipment Effectiveness (OEE) of the entire system of the studied case was calculated and it has been found that the OEE of the Viljavuuspalvelu Oy is 35.75%. Moreover, two methods on how to increase the OEE were studied and it was shown that either the total output of the company should be 1254 samples/shift in order to have an OEE around 85% which is considered as a world class or the Ideal run rate should be 1.45 pieces/minute. In addition, some realistic methods are applied based on the finding in this thesis to increase the OEE factor in the company and in one realistic method the % OEE has increase to 62.59%. Finally, an explanation on how to implement the Just in Time production in Viljavuuspalvelu Oy has been studied.

Rakennusurakan kassavirranhallinta infra-alan yrityksessä

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää keinot, joilla voidaan alentaa infrateollisuuden yrityksen käyttöpääoman määrää. Tutkimus tehtiin konstruktiivisena tapaustutkimuksena, jossa käytettiin excel –mallia kuvaamaan yksittäisen urakan kassavirtaa. Tutkimukseen valittiin kaksi urakkaa, joiden tulevia kassavirtoja ennustettiin ja seurattiin mallin avulla. Tutkimuksen aikana kehitettiin urakan rahoituseromalli, jolla ennustetaan ja seurataan tulevia kassavirtoja. Tunnuslukuna käytettiin urakan rahoituseroa. Mallin avulla urakalle luotiin maksuerätaulukko. Urakan kustannukset ja tuotot jaksotettiin (aikataulutettiin) malliin, joka näytti urakan rahoituseron. Tutkimuksen tuloksina voidaan sanoa, että merkittävin keino vaikuttaa urakan rahoituseroon, on hyvin muotoiltu maksuerätaulukko. Toinen merkittävä asia on saada maksuerälle laskutuslupa mahdollisimman nopeasti. Laskutusprosessia parantamalla voidaan vaikuttaa positiivisesti urakan rahoituseroon. Tutkimuksen pääpaino oli edellä mainittujen keinojen ympärillä, mutta rahoituseroon voidaan vaikuttaa myös kustannusten hallinnalla. Kustannusten syntymisen ajankohtaan voidaan vaikuttaa mm. aliurakointisopimusten muotoilulla, oikea-aikaisella materiaalin ostamisella ja oikeilla omilla resursseilla.

Variational ensemble Kalman filtering applied to data assimilation problems in computational fluid dynamics

One challenge on data assimilation (DA) methods is how the error covariance for the model state is computed. Ensemble methods have been proposed for producing error covariance estimates, as error is propagated in time using the non-linear model. Variational methods, on the other hand, use the concepts of control theory, whereby the state estimate is optimized from both the background and the measurements. Numerical optimization schemes are applied which solve the problem of memory storage and huge matrix inversion needed by classical Kalman filter methods. Variational Ensemble Kalman filter (VEnKF), as a method inspired the Variational Kalman Filter (VKF), enjoys the benefits from both ensemble methods and variational methods. It avoids filter inbreeding problems which emerge when the ensemble spread underestimates the true error covariance. In VEnKF this is tackled by resampling the ensemble every time measurements are available. One advantage of VEnKF over VKF is that it needs neither tangent linear code nor adjoint code. In this thesis, VEnKF has been applied to a two-dimensional shallow water model simulating a dam-break experiment. The model is a public code with water height measurements recorded in seven stations along the 21:2 m long 1:4 m wide flume’s mid-line. Because the data were too sparse to assimilate the 30 171 model state vector, we chose to interpolate the data both in time and in space. The results of the assimilation were compared with that of a pure simulation. We have found that the results revealed by the VEnKF were more realistic, without numerical artifacts present in the pure simulation. Creating a wrapper code for a model and DA scheme might be challenging, especially when the two were designed independently or are poorly documented. In this thesis we have presented a non-intrusive approach of coupling the model and a DA scheme. An external program is used to send and receive information between the model and DA procedure using files. The advantage of this method is that the model code changes needed are minimal, only a few lines which facilitate input and output. Apart from being simple to coupling, the approach can be employed even if the two were written in different programming languages, because the communication is not through code. The non-intrusive approach is made to accommodate parallel computing by just telling the control program to wait until all the processes have ended before the DA procedure is invoked. It is worth mentioning the overhead increase caused by the approach, as at every assimilation cycle both the model and the DA procedure have to be initialized. Nonetheless, the method can be an ideal approach for a benchmark platform in testing DA methods. The non-intrusive VEnKF has been applied to a multi-purpose hydrodynamic model COHERENS to assimilate Total Suspended Matter (TSM) in lake Säkylän Pyhäjärvi. The lake has an area of 154 km2 with an average depth of 5:4 m. Turbidity and chlorophyll-a concentrations from MERIS satellite images for 7 days between May 16 and July 6 2009 were available. The effect of the organic matter has been computationally eliminated to obtain TSM data. Because of computational demands from both COHERENS and VEnKF, we have chosen to use 1 km grid resolution. The results of the VEnKF have been compared with the measurements recorded at an automatic station located at the North-Western part of the lake. However, due to TSM data sparsity in both time and space, it could not be well matched. The use of multiple automatic stations with real time data is important to elude the time sparsity problem. With DA, this will help in better understanding the environmental hazard variables for instance. We have found that using a very high ensemble size does not necessarily improve the results, because there is a limit whereby additional ensemble members add very little to the performance. Successful implementation of the non-intrusive VEnKF and the ensemble size limit for performance leads to an emerging area of Reduced Order Modeling (ROM). To save computational resources, running full-blown model in ROM is avoided. When the ROM is applied with the non-intrusive DA approach, it might result in a cheaper algorithm that will relax computation challenges existing in the field of modelling and DA.

Hankintastrategia prosessiteollisuuden kunnossapito- ja palveluyrityksessä

Työn tavoitteena oli luoda Stora Enson Varkauden tehtaille hankintastrategia käyttäen hyväksi siihen tarkoitukseen kehitettyjä työkaluja sekä etsiä kustannussäästöjä kilpailun lisäämisellä. Työkaluiksi valittiin yksinkertainen ostosalkkuanalyysi ja SWOT-analyysi. Tarvittava analysointimateriaali saatiin hakemallatoimittaja- ja nimikeraportteja SAP R/3 -toiminnanohjausjärjestelmästä. Työssä käytiin läpi nimikkeistöä niin, että sieltä etsittiin sellaiset tuotteet, joilla ei ole kilpailua tai vaihtoehtoista toimittajaa. Näissä nimikkeissä keskityttiin sellaisiin tuotteisiin, joissa on mahdollisimman helposti saatavissa kustannussäästöjä eli pääasiassa kemikaaleihin. Tämän työn tarkoitus ei ollut etsiä vaihtoehtoisia tuotteita/toimittajia, vaan luoda ostolle edellytysnäiden etsimiseen. Hankintastrategian avulla osto voi selkeyttää ja rationalisoida toimintaansa paremmin yritykselle lisäarvoa tuovaksi organisaatioksi. Kullekin ostosalkun matriisille luodun strategian avulla ostajat voivat kehittää toimintaansa tehokkaammaksi. Strategia ei kuitenkaan ole vain kertaluontoinen prosessi, vaan sitä on myös muistettava ylläpitää.