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.

Methods for construction and analysis of computational models in systems biology : applications to the modelling of the heat shock response and the self-assembly of intermediate filaments

Systems biology is a new, emerging and rapidly developing, multidisciplinary research field that aims to study biochemical and biological systems from a holistic perspective, with the goal of providing a comprehensive, system- level understanding of cellular behaviour. In this way, it addresses one of the greatest challenges faced by contemporary biology, which is to compre- hend the function of complex biological systems. Systems biology combines various methods that originate from scientific disciplines such as molecu- lar biology, chemistry, engineering sciences, mathematics, computer science and systems theory. Systems biology, unlike “traditional” biology, focuses on high-level concepts such as: network, component, robustness, efficiency, control, regulation, hierarchical design, synchronization, concurrency, and many others. The very terminology of systems biology is “foreign” to “tra- ditional” biology, marks its drastic shift in the research paradigm and it indicates close linkage of systems biology to computer science. One of the basic tools utilized in systems biology is the mathematical modelling of life processes tightly linked to experimental practice. The stud- ies contained in this thesis revolve around a number of challenges commonly encountered in the computational modelling in systems biology. The re- search comprises of the development and application of a broad range of methods originating in the fields of computer science and mathematics for construction and analysis of computational models in systems biology. In particular, the performed research is setup in the context of two biolog- ical phenomena chosen as modelling case studies: 1) the eukaryotic heat shock response and 2) the in vitro self-assembly of intermediate filaments, one of the main constituents of the cytoskeleton. The range of presented approaches spans from heuristic, through numerical and statistical to ana- lytical methods applied in the effort to formally describe and analyse the two biological processes. We notice however, that although applied to cer- tain case studies, the presented methods are not limited to them and can be utilized in the analysis of other biological mechanisms as well as com- plex systems in general. The full range of developed and applied modelling techniques as well as model analysis methodologies constitutes a rich mod- elling framework. Moreover, the presentation of the developed methods, their application to the two case studies and the discussions concerning their potentials and limitations point to the difficulties and challenges one encounters in computational modelling of biological systems. The problems of model identifiability, model comparison, model refinement, model inte- gration and extension, choice of the proper modelling framework and level of abstraction, or the choice of the proper scope of the model run through this thesis.

Utilisation of Statistics in Intelligent Web Applications

Web-portaalien aiheenmukaista luokittelua voidaan hyödyntää tunnistamaan käyttäjän kiinnostuksen kohteet keräämällä tilastotietoa hänen selaustottumuksistaan eri kategorioissa. Tämä diplomityö käsittelee web-sovelluksien osa-alueita, joissa kerättyä tilastotietoa voidaan hyödyntää personalisoinnissa. Yleisperiaatteet sisällön personalisoinnista, Internet-mainostamisesta ja tiedonhausta selitetään matemaattisia malleja käyttäen. Lisäksi työssä kuvaillaan yleisluontoiset ominaisuudet web-portaaleista sekä tilastotiedon keräämiseen liittyvät seikat.

Rasvaisten ja öljyisten jätevesien biologisen puhdistuksen mallinnus

Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu rasvaistenjätevesien puhdistuksessa käytettyjä perinteisiä käsittelymenetelmiä ja ultrasuodatusta. Perinteisiä rasvaisten jätevesien käsittelymenetelmiä ovat muun muassalaskeutus, flotaatio, hydrosykloni, pisarakoon kasvattaminen suodatus sekä biologinen käsittely. Lisäksi happohydrolyysia voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Perinteisten puhdistusmenetelmien käyttöä rajoittavatniiden tehottomuus emulgoituneen ja liukoisen öljyn poistossa. Tämä sekä kiristyneet päästövaatimukset ja kalvotekniikan nopea kehittyminen ovat lisänneet kiinnostusta kalvotekniikkaan. Työn soveltavassa osassa on tarkasteltu rasvojen mahdollisesti aiheuttamia ongelmia Porvoon jalostamon kemiallisessa ja biologisessa puhdistuksessa. Rasvaisia jätevesiä muodostuu biodieselin valmistuksessa, jossa rasvoja käytetään syöttöaineena. Vertailtaessa jalostamon vesilaitoksen nykyisiä olosuhteita ja rasvojen käsittelyn vaatimia olosuhteita havaitaan, että optimiolosuhteet ovat melko lähellä toisiaan ja rasvaisten jätevesien mukana tulevat fosfori-, typpi- ja COD-kuormat melko pieniä. Suurimmat mahdolliset rasvojen aiheuttamat ongelmat syntyvät aktiivilietelaitoksella, jossa kevyt pinnalle nouseva rasva nostaa mukanaan lietettä. Rasvat ja rasvahapot myös lisäävät rihmamaisten bakteerien kasvua, joiden runsas esiintyminen aiheuttaa huonosti laskeutuvaa lietettä, eli paisuntalietettä. Rasvaisten vesien aiheuttamaa kuormitusta aktiivilieteprosessiin on tarkasteltu Activated sludge Model No. 3:n ja bio-P fosforin poisto moduuliin pohjautuvan Excel-taulukkolaskentamallin avulla. Pohjana työssä on käytetty Tuomo Hillin vuonna 2002 diplomityönä tekemää taulukkolaskentamallia. Työssä on esitelty kaikki mallin kannalta oleelliset yhtälöt ja parametrit. Tämän tutkimuksen perusteella mallin käytettävyyttä rajoittaa se, että sitä ei ole kalibroitu Porvoon jalostamolle. Kalibroimattomalla mallilla voidaan saada vain suuntaa antavia tuloksia.

Sähkönjakeluverkon komponenttien pitoajat

Suomessa sähkönjakeluverkkoyhtiöt toimivat verkkovastuualueillaan yksinoikeudella. Verkkovastuualuiden ominaispiirteet voivat olla hyvin erilaiset. Energiamarkkinavirasto valvoo sähkömarkkinalainsäädännön noudattamista jakeluverkkotoiminnassa. Jakeluverkonhaltijat on velvoitettu Energiamarkkinaviraston valvontamallin kautta määrittämään tiettyjen rajoitusten mukaisesti verkkokomponenteillensa sopivimmat teknistaloudelliset pitoajat. Nämä pitoajat vaikuttavat varsinkin verkkoyhtiön tuottomahdollisuuksiin ja asiakkaiden siirtohintoihin. Lisäksi huomioon on otettava jaettavan sähkön laatu, verkon käyttövarmuus sekä vaikutukset ympäristöön ja turvallisuuteen. Pitoaikojen matemaattinen mallintaminen on usein monimutkaista. Teknistaloudellinen pitoaika valitaankin monesti kokemuksen ja harkinnan perusteella. Tärkeimmät reunaehdot jakeluverkkokomponenttien teknistaloudellisten pitoaikojen valinnalle muodostavat verkkovastuualueen sähkönkulutuksen kasvun sekä infrastruktuurin muutoksen nopeudet. Hitaan muutoksen alueilla verkkokomponenttien teknistaloudelliset pitoajat lähenevät teknisiä pitoaikoja, joihin vaikuttavat voimakkaasti verkkovastuualueen maantieteelliset ja ilmastolliset ominaispiirteet. Yhtiöittäin vaihtelevat verkon rakennus- ja ylläpitomenetelmät tulee myös huomioida. Tässä diplomityössä keskitytään pääosin sähkönjakeluverkon komponenttien teknistaloudelliseen pitoaikaan verkon ja verkkovastuualueen ominaispiirteiden kautta. Aluksi määritellään jakeluverkon pitoaika usealla eri tavalla, sekä selvitetään pitoajan merkitystä nykytilanteessa. Lisäksi työn alkuosassa esitellään Energiamarkkinaviraston vuoden 2005 alusta käyttöönotettu jakeluverkkotoiminnan hinnoittelun kohtuullisuuden valvontamalli ja käydään läpi teknistaloudellisen pitoajan merkitys siinä. Sen jälkeen tarkastellaan jakeluverkkokomponenttien ja niiden osien tekniseen pitoaikaan vaikuttavia tekijöitä. Erityisesti puupylväisiin ja niihin liittyviin ajankohtaisiin asioihin kiinnitetään huomiota, koska puupylväät määräävät monesti koko ilmajohtorakenteen uusimisajankohdan. Lisäksi suolakyllästeiselle puupylväälle esitetään yleinen rappeutumismalli ja jakelumuuntajan rappeutumistapahtumaa tutkitaan. Lopuksi tarkastellaan Graninge Kainuu Oy:tä jakeluverkonhaltijana sekä määritetään sen verkkovastuualueelle ominaisia komponenttien teknisiä ja teknistaloudellisia pitoaikoja haastattelujen, tuoreimpien lähteiden, tutkimustulosten, vertailun ja harkinnan avulla.

Polttoaineen reaktiivisuuden määrittäminen kiertoleijupoltossa

Kehitettäessä leijupolttotekniikkaa entistä ympäristöystävällisemmäksi ja tehokkaammaksi tarvitaan lisää tietoa polttoaineen käyttäytymisestä tulipesässä. Polttoaineen palamisprofiili ja reaktiivisuus vaikuttavat oleellisesti esimerkiksi voimalaitoskattilan lämmönsiirtopintojen sijoitteluun ja suunnitteluun sekä ohjausjärjestelmän toteutukseen. Varsinkin monipolttoainekattiloilla ohjausjärjestelmän toimivuus joutuu koetukselle esimerkiksi kuormanmuutostilanteissa ja äkillisissä polttoaineen syöttöhäiriöissä. Tässä työssä on aluksi tutustuttu kiertoleijupolton ilmiöihin ja niiden matemaattiseen mallintamiseen. Lisäksi esitetään katsaus eri prosessiolosuhteiden vaikutuksesta palamiseen kiertoleijuolosuhteissa. Työn tutkimusosassa kehitettiin menetelmä polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi kiertoleijupoltossa. Kehitetty menetelmä koostuu koesarjasta ja matemaattisesta simulointimallista. Koetoiminta suoritettiin VTT Energian laboratoriokokoluokan kiertoleijukoelaitteella. Koesarja polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi sisältää eri kaasukomponenttien profiilimittauksia ja dynaamisia muutoskokeita. Menetelmän avulla voidaan tutkia eri polttoaineiden reaktiivisuuksia sekä polttoaineen reaktiivisuuden ja tietyn prosessiolosuhteen välistä riippuvuutta. Suorittamalla koeajomatriisin mukaiset kokeet tietyissä prosessiolosuhteissa voidaan polttoaineen reaktiivisuus selvittää koetulosten ja simulointimallin perusteella.

Jätevesilaitosten mallinnus

TäTässä työssä tarkastellaan jäteveden biologiseen puhdistukseen käytettävän aktiiviliete-prosessin kuvaamista matemaattisen mallintamisen avulla. Jäteveden puhdistus on jo vanha keksintö ja aktiivilieteprosessikin on otettu ensimmäisen kerran pilot- käyttöön vuonna 1914. Myös jätevesilaitosten matemaattinen mallintaminen on ollut pitkään tunnettu tekniikka ja ensimmäiset dynaamiset mallit kehitettiin 1950–luvulla. Työn alkuosassa on tarkasteltu jätevesilaitosten matemaattista mallintamista kirjallisuus-lähteiden pohjalta. Tarkastelun painopiste on suunnattu erilaisiin matemaattisiin malleihin ja mallintamisen kehitykseen. Mallintamisen ohessa on kiinnitetty huomiota aktiiviliete-prosessiin ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Mallintamiseen vaikuttavista tekijöistä erityistä huomiota on kiinnitetty ilmastukseen, bakteerien kasvuun ja selkeytykseen sekä niiden vaikutuksiin prosessin kannalta. Matemaattisen mallintamisen tarkastelun jälkeen työssä on pohdittu CFD–mallintamisen hyödyntämismahdollisuuksia aktiivilieteprosessien kuvaamisessa. Mallintamisosiossa on tarkasteltu Activated Sludge Model No. 3 (ASM 3) mallin rakennetta ja sisältöä sekä sen eri tekijöiden vaikutuksia malliin. Työn tässä osassa on tarkasteltu myös hapensiirtoa ilmastuksessa ilmakuplista veteen ja selkeytystä osana aktiivilieteprosessia. Tässä osiossa on käyty läpi myös kaikki prosessin kannalta oleelliset yhtälöt, esimerkiksi reaktionopeus- ja massataseyhtälöt.

A quantitative view on fuzzy numbers

Since its introduction, fuzzy set theory has become a useful tool in the mathematical modelling of problems in Operations Research and many other fields. The number of applications is growing continuously. In this thesis we investigate a special type of fuzzy set, namely fuzzy numbers. Fuzzy numbers (which will be considered in the thesis as possibility distributions) have been widely used in quantitative analysis in recent decades. In this work two measures of interactivity are defined for fuzzy numbers, the possibilistic correlation and correlation ratio. We focus on both the theoretical and practical applications of these new indices. The approach is based on the level-sets of the fuzzy numbers and on the concept of the joint distribution of marginal possibility distributions. The measures possess similar properties to the corresponding probabilistic correlation and correlation ratio. The connections to real life decision making problems are emphasized focusing on the financial applications. We extend the definitions of possibilistic mean value, variance, covariance and correlation to quasi fuzzy numbers and prove necessary and sufficient conditions for the finiteness of possibilistic mean value and variance. The connection between the concepts of probabilistic and possibilistic correlation is investigated using an exponential distribution. The use of fuzzy numbers in practical applications is demonstrated by the Fuzzy Pay-Off method. This model for real option valuation is based on findings from earlier real option valuation models. We illustrate the use of number of different types of fuzzy numbers and mean value concepts with the method and provide a real life application.

Työstövärähtelyt metallin sorvauksessa ja jyrsinnässä: perusteet, ehkäiseminen ja matemaattinen mallintaminen

Tämä kandidaatintyö on tarkoitettu suomenkieliseksi selvitykseksi lastuavissa työstöprosesseissa esiintyvien työstövärähtelyjen luonteesta, syntymekanismeista ja välttämismenetelmistä. Erityisesti työssä keskitytään matemaattiseen mallintamiseen pohjautuviin välttämismenetelmiin.

Crystallization of selected anions and cations from mine waters

The aim of this Master’s thesis was to review some methods that are already being utilized in a field of mine water purification and to find and study possible new methods and chemicals for mine water purification by precipitation. The target was also to list the optimal process conditions for these precipitating chemicals. Separation methods were reviewed for several anions and cations, but being a real topical issue, sulphate removal was selected to be in the main focus. Sulphate salts e.g. Na2SO4 are relatively soluble in water, which makes the separation processes difficult. Eutectic freeze crystallization was studied more closely in laboratory tests for sodium sulphate removal. Gravimetric solubility tests were made for three cases of mixed electrolyte solutions: Na2SO4 – NaOH, BaSO4 – NaOH and Na3PO4 – NaOH. The aim of these experiments was to study the effect of NaOH addition on solubility of the studied salt. These phenomena were however noticed to be difficult to see in the used laboratory tests. Thus mathematical modelling was utilized to contribute the laboratory experiments and to bring additional information of the influence of NaOH presence on solubility of selected electrolytes, Na2SO4 and Na3PO4. The results from mathematical modelling of activity coefficients suggest Na2SO4 and Na3PO4 to be precipitated rather with presence and with higher concentrations of NaOH, since the raise of NaOH concentration decreases the solubility of these electrolytes in water.

Kiertoleijupetikattilateknologia ja sen matemaattinen mallinnus energiantuotantoprosessissa

Työn teoreettisessa osuudessa tehdään katsaus kiertoleijupetiteknologian eri osa-alueisiin: leijupedin virtausdynamiikkaan, hiukkaserottimeen ja kiintoaineen palautusmekanismiin. Myös teknologian historiaa ja muita käyttötarkoituksia energiantuotannon ohella käydään läpi. Termodynamiikkaa sekä lämmönsiirron ja voimalaitosprosessien teoriaa käsitellään mallinnuksessa tarvittavilta osin. Mallinnusosiossa käydään läpi kiertoleijupetihöyrykattilan matemaattisen mallin tekoprosessia. Malli perustuu yleisesti saatavilla oleviin yhtälöihin ja korrelaatioihin. Mallintaminen koostuu höyrykattilan jakamisesta lämpöpintoihin ja niiden mitoittamisesta. Mallissa esitetään myös näkemys siitä, miten lämpö siirtyy savukaasuun ja miten petimateriaalin kierto tapahtuu tulipesässä.

Orthogonal function method in modelling paper web quality variation

This work is devoted to the analysis of signal variation of the Cross-Direction and Machine-Direction measurements from paper web. The data that we possess comes from the real paper machine. Goal of the work is to reconstruct the basis weight structure of the paper and to predict its behaviour to the future. The resulting synthetic data is needed for simulation of paper web. The main idea that we used for describing the basis weight variation in the Cross-Direction is Empirical Orthogonal Functions (EOF) algorithm, which is closely related to Principal Component Analysis (PCA) method. Signal forecasting in time is based on Time-Series analysis. Two principal mathematical procedures that we used in the work are Autoregressive-Moving Average (ARMA) modelling and Ornstein–Uhlenbeck (OU) process.

Formal modelling for digital media distribution

Human beings have always strived to preserve their memories and spread their ideas. In the beginning this was always done through human interpretations, such as telling stories and creating sculptures. Later, technological progress made it possible to create a recording of a phenomenon; first as an analogue recording onto a physical object, and later digitally, as a sequence of bits to be interpreted by a computer. By the end of the 20th century technological advances had made it feasible to distribute media content over a computer network instead of on physical objects, thus enabling the concept of digital media distribution. Many digital media distribution systems already exist, and their continued, and in many cases increasing, usage is an indicator for the high interest in their future enhancements and enriching. By looking at these digital media distribution systems, we have identified three main areas of possible improvement: network structure and coordination, transport of content over the network, and the encoding used for the content. In this thesis, our aim is to show that improvements in performance, efficiency and availability can be done in conjunction with improvements in software quality and reliability through the use of formal methods: mathematical approaches to reasoning about software so that we can prove its correctness, together with the desirable properties. We envision a complete media distribution system based on a distributed architecture, such as peer-to-peer networking, in which different parts of the system have been formally modelled and verified. Starting with the network itself, we show how it can be formally constructed and modularised in the Event-B formalism, such that we can separate the modelling of one node from the modelling of the network itself. We also show how the piece selection algorithm in the BitTorrent peer-to-peer transfer protocol can be adapted for on-demand media streaming, and how this can be modelled in Event-B. Furthermore, we show how modelling one peer in Event-B can give results similar to simulating an entire network of peers. Going further, we introduce a formal specification language for content transfer algorithms, and show that having such a language can make these algorithms easier to understand. We also show how generating Event-B code from this language can result in less complexity compared to creating the models from written specifications. We also consider the decoding part of a media distribution system by showing how video decoding can be done in parallel. This is based on formally defined dependencies between frames and blocks in a video sequence; we have shown that also this step can be performed in a way that is mathematically proven correct. Our modelling and proving in this thesis is, in its majority, tool-based. This provides a demonstration of the advance of formal methods as well as their increased reliability, and thus, advocates for their more wide-spread usage in the future.

Long-term fertilizer field trials: comparison of three mathematical response models

Selostus: Lannoituksen pitkäaikaiset kenttäkokeet: kolmen matemaattisen mallin vertailu