Ranking-Dominance Relation for (Evolutionary) Multi-Objective Optimization

An alternative relation to Pareto-dominance relation is proposed. The new relation is based on ranking a set of solutions according to each separate objective and an aggregation function to calculate a scalar fitness value for each solution. The relation is called as ranking-dominance and it tries to tackle the curse of dimensionality commonly observedin evolutionary multi-objective optimization. Ranking-dominance can beused to sort a set of solutions even for a large number of objectives when Pareto-dominance relation cannot distinguish solutions from one another anymore. This permits search to advance even with a large number of objectives. It is also shown that ranking-dominance does not violate Pareto-dominance. Results indicate that selection based on ranking-dominance is able to advance search towards the Pareto-front in some cases, where selection based on Pareto-dominance stagnates. However, in some cases it is also possible that search does not proceed into direction of Pareto-front because the ranking-dominance relation permits deterioration of individual objectives. Results also show that when the number of objectives increases, selection based on just Pareto-dominance without diversity maintenance is able to advance search better than with diversity maintenance. Therefore, diversity maintenance is connive at the curse of dimensionality.

Generalized Differential Evolution for Global Multi-Objective Optimization with Constraints

The objective of this thesis work is to develop and study the Differential Evolution Algorithm for multi-objective optimization with constraints. Differential Evolution is an evolutionary algorithm that has gained in popularity because of its simplicity and good observed performance. Multi-objective evolutionary algorithms have become popular since they are able to produce a set of compromise solutions during the search process to approximate the Pareto-optimal front. The starting point for this thesis was an idea how Differential Evolution, with simple changes, could be extended for optimization with multiple constraints and objectives. This approach is implemented, experimentally studied, and further developed in the work. Development and study concentrates on the multi-objective optimization aspect. The main outcomes of the work are versions of a method called Generalized Differential Evolution. The versions aim to improve the performance of the method in multi-objective optimization. A diversity preservation technique that is effective and efficient compared to previous diversity preservation techniques is developed. The thesis also studies the influence of control parameters of Differential Evolution in multi-objective optimization. Proposals for initial control parameter value selection are given. Overall, the work contributes to the diversity preservation of solutions in multi-objective optimization.

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.

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.

Tietoverkon varmistusten simulointi ja optimointi

Tässä diplomityössä määritellään varmistusjärjestelmän simulointimalli eli varmistusmalli. Varmistusjärjestelmän toiminta optimoidaan kyseisen varmistusmallin avulla. Optimoinnin tavoitteena on parantaa varmistusjärjestelmän tehokkuutta. Parannusta etsitään olemassa olevien varmistusjärjestelmän resurssien maksimaalisella hyödyntämisellä. Varmistusmalli optimoidaan evoluutioalgoritmin avulla. Optimoinnissa on useita tavoitteita, jotka ovat ristiriidassa keskenään. Monitavoiteoptimointiongelma muunnetaan yhden tavoitteen optimointiongelmaksi muodostamalla tavoitefunktio painotetun summan menetelmän avulla. Rinnakkain edellisen menetelmän kanssa käytetään myös Pareto-optimointia. Pareto-optimaalisen rintaman pisteiden etsintä ohjataan lähelle painotetun summan menetelmän optimipistettä. Evoluutioalgoritmin toteutuksessa käytetään hyväksi varmistusjärjestelmiin liittyvää ongelmakohtaista tietoa. Työn tuloksena saadaan varmistusjärjestelmän simulointi- sekä optimointityökalu. Simulointityökalua käytetään kartoittamaan nykyisen varmistusjärjestelmän toimivuutta. Optimoinnin avulla tehostetaan varmistusjärjestelmän toimintaa. Työkalua voidaan käyttää myös uusien varmistusjärjestelmien suunnittelussa sekä nykyisten varmistusjärjestelmien laajentamisessa.

Design and Comparison оf Mixed Hinf/H2 Controller fоr АMB System

This master’s thesis is focused on the active magnetic bearings control, specifically the robust control. As carrying out of such kind of control used mixed H2/Hinf controller. So the goal of this work is to design it using Robust Control Toolbox™ in MATLAB and compare it performance and robustness with Hinf robust controller characteristics. But only one degree-of-freedom controller considered.

Tulevaisuuden työkonepuomin globaali optimointi -esiselvitys

Monitavoiteoptimointia käytetään laajasti auto- ja lentokoneteollisuudessa suunnittelun apu-välineenä, mutta muuten sen käyttö ei ole vielä yleistynyt laajemmin. Tässä työssä on tarkoi-tus tehdä laaja esiselvitys monitavoiteoptimoinnista ja sen hyödyntämisestä työkonepuomien suunnittelun apuvälineenä. Työ tehtiin yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja projektiin osallistuvien FIMA ry:n jäsenten kanssa. Tulosten ja johtopäätösten perusteella tutkimusta tullaan mahdollisesti jatkamaan Tampereen teknillisen yliopiston tohtorikoulussa. Työssä selvitettiin mitä monitavoiteoptimoinnilla tarkoitetaan ja esitellään sen etenemisvai-heet. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti kuusi monitavoiteoptimointiohjelmistoa pääominai-suuksineen sekä selvitetään ohjelmistolisenssien hintoja. Työssä optimointiin perehdyttiin teleskooppipuomin jatkoksen case -tutkimuksen avulla. Ni-velpuomit ja nivel- ja teleskooppipuomien yhdistelmät rajattiin työn ulkopuolelle. Työssä muodostettiin teleskooppipuomin jatkoksen poikkileikkauksen optimointityökalu. Sen avulla voidaan laskea luotettavasti optimit mitat painon suhteen niin, että lommahdusrajoitteet, tai-vutusvastus sekä taipuma otetaan huomioon ja samalla voitiin arvioida optimointiprosessin etuja ja haittoja. Optimoinnin tuloksia voidaan käyttää edelleen monitavoiteoptimoinnin lähtö-arvoina. Optimointi tehtiin Matlabin avulla ja tulokset verifioitiin AGIFAP -elementtimenetelmäohjelmistolla. Optimoituja tuloksia tutkittiin edelleen Femap -elementtimenetelmäohjelmistolla, jolla haettiin vuorovaikutussuhteita monitavoiteoptimoinnin tueksi. FE -analyysien avulla muodostettiin kaksi apuohjelmaa optimoinnin tueksi. Työssä havaittiin, että teleskooppipuomin jatkoksen optimointi vaatii FE -analyysiohjelmiston rinnalleen, jotta voidaan varmistua rakenteen kestävyydestä ja optimoida väsymiskestävyyt-tä. Liukupalojen vaikutus teleskooppipuomin käytökseen sekä väsymiskestävyyden optimoin-ti vaatii jatkotutkimusta.

GIS-based approach for optimization of onshore wind park infrastructure alignment in Finland

Wind power is a rapidly developing, low-emission form of energy production. In Fin-land, the official objective is to increase wind power capacity from the current 1 005 MW up to 3 500–4 000 MW by 2025. By the end of April 2015, the total capacity of all wind power project being planned in Finland had surpassed 11 000 MW. As the amount of projects in Finland is record high, an increasing amount of infrastructure is also being planned and constructed. Traditionally, these planning operations are conducted using manual and labor-intensive work methods that are prone to subjectivity. This study introduces a GIS-based methodology for determining optimal paths to sup-port the planning of onshore wind park infrastructure alignment in Nordanå-Lövböle wind park located on the island of Kemiönsaari in Southwest Finland. The presented methodology utilizes a least-cost path (LCP) algorithm for searching of optimal paths within a high resolution real-world terrain dataset derived from airborne lidar scannings. In addition, planning data is used to provide a realistic planning framework for the anal-ysis. In order to produce realistic results, the physiographic and planning datasets are standardized and weighted according to qualitative suitability assessments by utilizing methods and practices offered by multi-criteria evaluation (MCE). The results are pre-sented as scenarios to correspond various different planning objectives. Finally, the methodology is documented by using tools of Business Process Management (BPM). The results show that the presented methodology can be effectively used to search and identify extensive, 20 to 35 kilometers long networks of paths that correspond to certain optimization objectives in the study area. The utilization of high-resolution terrain data produces a more objective and more detailed path alignment plan. This study demon-strates that the presented methodology can be practically applied to support a wind power infrastructure alignment planning process. The six-phase structure of the method-ology allows straightforward incorporation of different optimization objectives. The methodology responds well to combining quantitative and qualitative data. Additional-ly, the careful documentation presents an example of how the methodology can be eval-uated and developed as a business process. This thesis also shows that more emphasis on the research of algorithm-based, more objective methods for the planning of infrastruc-ture alignment is desirable, as technological development has only recently started to realize the potential of these computational methods.

Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

The Optimization of Flotation Process Parameters in the Deinking Plant

Tämän diplomityön tavoitteena oli sekundäärisen esiflotaation optimointi Stora Enso Sachsen GmbH:n tehtaalla. Optimoinnin muuttujana käytettiin vaahdon määrää ja optimointiparametreinä ISO-vaaleutta, saantoja sekä tuhkapitoisuutta. Lisäksi tutkittiin flotaatiosakeuden vaikutusta myös muihin tehtaan flotaatioprosesseihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin flotaatiotapahtumaa, poistettavien partikkeleiden ja ilmakuplien kontaktia, vaahdon muodostumista sekä tärkeimpiä käytössä olevia siistausflotaattoreiden laiteratkaisuja. Kokeellisessa osassa tutkittiin flotaatiosakeuden pienetämisen vaikutuksia tehtaan flotaatioprosesseihin tuhkapitoisuuden, ISO-vaaleuden, valon sironta- ja valon absorpiokerrointen kannalta. Sekundäärisen esiflotaation optimonti suoritettiin muuttamalla vaahdon määrää kolmella erilaisella injektorin koolla, (8 mm, 10 mm ja 13 mm), joista keskimmäinen kasvattaa 30 % massan tilavuusvirtaa ilmapitoisuuden muodossa. Optimonnin tarkoituksena oli kasvattaa hyväksytyn massajakeen ISO-vaaleutta, sekä kasvattaa kuitu- ja kokonaissaantoa sekundäärisessä esiflotaatiossa. Flotaatiosakeuden pienentämisellä oli edullisia vaikutuksia ISO-vaaleuteen ja valon sirontakertoimeen kussakin flotaatiossa. Tuhkapitoisuus pieneni sekundäärisissä flotaatioissa enemmän sakeuden ollessa pienempi, kun taas primäärisissä flotaatiossa vaikutus oli päinvastainen. Valon absorptiokerroin parani jälkiflotaatioissa alhaisemmalla sakeudella, kun taas esiflotaatioissa vaikutus oli päinvastainen. Sekundäärisen esiflotaation optimoinnin tuloksena oli lähes 5 % parempi ISO-vaaleus hyväksytyssä massajakeessa. Kokonaissaanto parani optimoinnin myötä 5 % ja kuitusaanto 2 %. Saantojen nousu tuottaa vuosittaisia säästöjä siistauslaitoksen tuotantokapasiteetin noustessa 0,5 %. Tämän lisäksi sekundäärisessä esiflotaatiossa rejektoituvan massavirran pienentyminen tuottaa lisäsäästöjä tehtaan voimalaitoksella.

Railway Wagon Market Analysis and New Multi-Purpose Wagon Solution for Freight Transports - Finnish Manufacturing Perspective

Rautateillä käytettävät tavaravaunut ovat vanhenemassa hyvin nopeasti; tämä koskee niin Venäjää, Suomea, Ruotsia kuin laajemminkin Eurooppaa. Venäjällä ja Euroopassa on käytössä runsaasti vaunuja, jotka ovat jo ylittäneet niille suositeltavan käyttöiän. Silti niitä käytetään kuljetuksissa, kun näitä korvaavia uusia vaunuja ei ole tarpeeksi saatavilla. Uusimmat vaunut ovat yleensä vaunuja vuokraavien yritysten tai uusien rautatieoperaattorien hankkimia - tämä koskee erityisesti Venäjää, jossa vaunuvuokraus on noussut erittäin suosituksi vaihtoehdoksi. Ennusteissa kerrotaan vaunupulan kasvavan ainakin vuoteen 2010 saakka. Jos rautateiden suosio rahtikuljetusmuotona kasvaa, niin voimistuva vaunukysyntä jatkuu huomattavan paljon pidemmän aikaa. Euroopan ja Venäjän vaunukannan tilanne näkyy myös sitä palvelevan konepajateollisuuden ongelmina - yleisesti ottaen alan eurooppalaiset yritykset ovat heikosti kannattavia ja niiden liikevaihto ei juuri kasva, venäläiset ja ukrainalaiset yritykset ovat olleet samassa tilanteessa, joskin aivan viime vuosina tilanne on osassa kääntynyt paremmaksi. Kun näiden maanosien yritysten liikevaihtoa, voittoa ja omistaja-arvoa verrataan yhdysvaltalaisiin kilpailijoihin, huomataan että jälkimmäisten suoriutuminen on huomattavan paljon parempaa, ja näillä yrityksillä on myös kyky maksaa osinkoja omistajilleen. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uuden tyyppinen kuljetusvaunu Suomen, Venäjän sekä mahdollisesti myös Kiinan väliseen liikenteeseen. Vaunutyypin tarkoituksena olisi kyetä toimimaan monikäyttöisenä, niin raaka-aineiden kuin konttienkin kuljetuksessa, tasapainottaen kuljetusmuotojen aiheuttamaa kuljetuspaino-ongelmaa. Kehitystyön pohjana käytimme yli 1000 venäläisen vaunutyypin tietokantaa, josta valitsimme Data Envelopment Analysis -menetelmällä soveliaimmat vaunut kontinkuljetukseen (lähemmin tarkastelimme n. 40 vaunutyyppiä), jättäen mahdollisimman vähän tyhjää tilaa junaan, mutta silti kyeten kantamaan valitun konttilastin. Kun kantokykyongelmia venäläisissä vaunuissa ei useinkaan ole, on vertailu tehtävissä tavarajunan pituuden ja kokonaispainon perusteella. Simuloituamme yhdistettyihin kuljetuksiin soveliasta vaunutyyppiä käytännössä löytyvässä kuljetusverkostossa (esim. raakapuuta Suomeen tai Kiinaan ja kontteja takaisin Venäjän suuntaan), huomasimme lyhemmän vaunupituuden sisältävän kustannusetua, erityisesti raakaainekuljetuksissa, mutta myös rajanylityspaikkojen mahdollisesti vähentyessä. Lyhempi vaunutyyppi on myös joustavampi erilaisten konttipituuksien suhteen (40 jalan kontin käyttö on yleistynyt viime vuosina). Työn lopuksi ehdotamme uuden vaunutyypin tuotantotavaksi verkostomaista lähestymistapaa, jossa osa vaunusta tehtäisiin Suomessa ja osa Venäjällä ja/tai Ukrainassa. Vaunutyypin tulisi olla rekisteröity Venäjälle, sillä silloin sitä voi käyttää Suomen ja Venäjän, kuten myös soveltuvin osin Venäjän ja Kiinan välisessä liikenteessä.

Analyzing Carbon Trade Permits in Optimization Framework

The threats caused by global warming motivate different stake holders to deal with and control them. This Master's thesis focuses on analyzing carbon trade permits in optimization framework. The studied model determines optimal emission and uncertainty levels which minimize the total cost. Research questions are formulated and answered by using different optimization tools. The model is developed and calibrated by using available consistent data in the area of carbon emission technology and control. Data and some basic modeling assumptions were extracted from reports and existing literatures. The data collected from the countries in the Kyoto treaty are used to estimate the cost functions. Theory and methods of constrained optimization are briefly presented. A two-level optimization problem (individual and between the parties) is analyzed by using several optimization methods. The combined cost optimization between the parties leads into multivariate model and calls for advanced techniques. Lagrangian, Sequential Quadratic Programming and Differential Evolution (DE) algorithm are referred to. The role of inherent measurement uncertainty in the monitoring of emissions is discussed. We briefly investigate an approach where emission uncertainty would be described in stochastic framework. MATLAB software has been used to provide visualizations including the relationship between decision variables and objective function values. Interpretations in the context of carbon trading were briefly presented. Suggestions for future work are given in stochastic modeling, emission trading and coupled analysis of energy prices and carbon permits.

Optimization of a heatset dryer

The objective of the thesis was to examine the possibilities in designing better performing nozzles for the heatset drying oven in Forest Pilot Center. To achieve the objective, two predesigned nozzle types along with the replicas of the current nozzles in the heatset drying oven were tested on a pilot-scale dryer. During the runnability trials, the pilot dryer was installed between the last printing unit and the drying oven. The two sets of predesigned nozzles were consecutively installed in the dryer. Four web tension values and four different impingement air velocities were used and the web behavior during the trial points was evaluated and recorded. The runnability in all trial conditions was adequate or even good. During the heat transfer trials, each nozzle type was tested on at least two different nozzle-to-surface distances and four different impingement air velocities. In a test situation, an aluminum plate fitted with thermocouples was set below a nozzle and the temperature measurement of each block was logged. From the measurements, a heat transfer coefficient profile for the nozzle was calculated. The performance of each nozzle type in tested conditions could now be rated and compared. The results verified that the predesigned simpler nozzles were better than the replicas. For runnability reasons, there were rows of inclined orifices on the leading and trailing edges of the current nozzles. They were believed to deteriorate the overall performance of the nozzle, and trials were conducted to test this hypothesis. The perpendicular orifices and inclined orifices of a replica nozzle were consecutively taped shut and the performance of the modified nozzles was measured as before, and then compared to the performance of the whole nozzle. It was found out, that after a certain nozzle-to-surface distance the jets from the two nozzles would collide, which deteriorates the heat transfer.