Studies on integrating kinematic design method with mechanical systems simulation techniques

Theultimate goal of any research in the mechanism/kinematic/design area may be called predictive design, ie the optimisation of mechanism proportions in the design stage without requiring extensive life and wear testing. This is an ambitious goal and can be realised through development and refinement of numerical (computational) technology in order to facilitate the design analysis and optimisation of complex mechanisms, mechanical components and systems. As a part of the systematic design methodology this thesis concentrates on kinematic synthesis (kinematic design and analysis) methods in the mechanism synthesis process. The main task of kinematic design is to find all possible solutions in the form of structural parameters to accomplish the desired requirements of motion. Main formulations of kinematic design can be broadly divided to exact synthesis and approximate synthesis formulations. The exact synthesis formulation is based in solving n linear or nonlinear equations in n variables and the solutions for the problem areget by adopting closed form classical or modern algebraic solution methods or using numerical solution methods based on the polynomial continuation or homotopy. The approximate synthesis formulations is based on minimising the approximation error by direct optimisation The main drawbacks of exact synthesis formulationare: (ia) limitations of number of design specifications and (iia) failure in handling design constraints- especially inequality constraints. The main drawbacks of approximate synthesis formulations are: (ib) it is difficult to choose a proper initial linkage and (iib) it is hard to find more than one solution. Recentformulations in solving the approximate synthesis problem adopts polynomial continuation providing several solutions, but it can not handle inequality const-raints. Based on the practical design needs the mixed exact-approximate position synthesis with two exact and an unlimited number of approximate positions has also been developed. The solutions space is presented as a ground pivot map but thepole between the exact positions cannot be selected as a ground pivot. In this thesis the exact synthesis problem of planar mechanism is solved by generating all possible solutions for the optimisation process ¿ including solutions in positive dimensional solution sets - within inequality constraints of structural parameters. Through the literature research it is first shown that the algebraic and numerical solution methods ¿ used in the research area of computational kinematics ¿ are capable of solving non-parametric algebraic systems of n equations inn variables and cannot handle the singularities associated with positive-dimensional solution sets. In this thesis the problem of positive-dimensional solutionsets is solved adopting the main principles from mathematical research area of algebraic geometry in solving parametric ( in the mathematical sense that all parameter values are considered ¿ including the degenerate cases ¿ for which the system is solvable ) algebraic systems of n equations and at least n+1 variables.Adopting the developed solution method in solving the dyadic equations in direct polynomial form in two- to three-precision-points it has been algebraically proved and numerically demonstrated that the map of the ground pivots is ambiguousand that the singularities associated with positive-dimensional solution sets can be solved. The positive-dimensional solution sets associated with the poles might contain physically meaningful solutions in the form of optimal defectfree mechanisms. Traditionally the mechanism optimisation of hydraulically driven boommechanisms is done at early state of the design process. This will result in optimal component design rather than optimal system level design. Modern mechanismoptimisation at system level demands integration of kinematic design methods with mechanical system simulation techniques. In this thesis a new kinematic design method for hydraulically driven boom mechanism is developed and integrated in mechanical system simulation techniques. The developed kinematic design method is based on the combinations of two-precision-point formulation and on optimisation ( with mathematical programming techniques or adopting optimisation methods based on probability and statistics ) of substructures using calculated criteria from the system level response of multidegree-of-freedom mechanisms. Eg. by adopting the mixed exact-approximate position synthesis in direct optimisation (using mathematical programming techniques) with two exact positions and an unlimitednumber of approximate positions the drawbacks of (ia)-(iib) has been cancelled.The design principles of the developed method are based on the design-tree -approach of the mechanical systems and the design method ¿ in principle ¿ is capable of capturing the interrelationship between kinematic and dynamic synthesis simultaneously when the developed kinematic design method is integrated with the mechanical system simulation techniques.

Hapettavan BIMODES-mikrobientorjuntamenetelmän vaikutukset paperikoneella

The aim of this study was to examine the effects of oxidising BIMODES microbiological control program on three paper machine process. The chemicals used in BIMODES program are sodium hypochlorite (NaOCl) and bromo-chloro-di-methyl-hydantoin (BCDMH). The literary part of this study discusses the microbiological problems in paper making industry, describes functional mechanisms of oxidants and also introduces the BIMODES- program. In the experimental part the aim was to examine the effects of BIMODES in three different paper machines. The purpose was to find out the effects and changes in wet end chemistry, bacterial counts, in the other additives and also in the sheet defects and holes. The study also examines what are the most important measurements to control BIMODES dosing. In addition the optimal dosing level for each machine was tried to find out. It was found that there is a clear correlation between the total chlorine level and bacterial counts. Changes in the BIMODES dosing level can be measured by redox potential, but the correlation is very poor. BIMODES program doesn’t have straight influence to pH values, but if dosage level is too low the bacterial activity can affect degreasing in the pH value. In this study couldn’t find any consequential effects for the other additives by using BIMODES. In addition the optimal dosing levels were found and by following correct halogen levels it is possible to decrease bacterial levels for very low level.

Päivystyshoitotyön osaaminen valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden arvioimana

Potilaan hoitamisessa korostuvat mm. triagen tekeminen, potilaan voinnin seuranta ja hoitoa koskevien päätösten tekeminen nopeasti potilaan voinnin mukaan sekä potilaan jatkohoidon turvaaminen. Tämä kaksivaiheinen koulutustutkimus kohdistui päivystyshoitotyön osaamiseen. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa määriteltiin päivystyshoitotyön osaaminen ja toisessa vaiheessa arvioitiin valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamista ja osaamiseen yhteydessä olevia tekijöitä. Osaamisen arvioinnin suorittivat opiskelijat itse ja vertailuperustana opiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamiselle käytettiin ammatissa toimivien sairaanhoitajien päivystyshoitotyön osaamista. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioinnin perusteella määrittää päivystyshoitotyön osaamisen nykytaso ja tehdä tarvittavat ehdotukset päivystyshoitotyön osaamisen kehittämiseen. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa (2006–2012) tiedonkeruumenetelminä oli kirjallisuuskatsaus ja asiantuntija-arviointi hyödyntäen delphi-menetelmää. Kirjallisuuskatsauksen perusteella muodostettiin päivystyshoitotyön osaamista kuvaavat pääkategoriat, yläkategoriat ja alakategoriat.Alakategoriat (n=61) annettiin asiantuntijoille (sairaanhoitajat, opettajat, ylihoitajat) arvioitavaksi.Kaksivaiheisen asiantuntija-arvioinnin perusteella muodostui 92 päivystyshoitotyön osaamista kuvaavaa alakategoriaa. Tutkimuksen toisessa vaiheessa (2007–2012) valmistuvien suomalaisten sairaanhoitaja-opiskelijoiden (N=382, n=208, vastausprosentti 55 %) päivystyshoitotyön osaamista arvioitiin tätä tutkimusta varten kehitetyllä mittarilla (Päivystyshoitotyön osaaminen -mittari). Mittari perustui tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa muodostettuun määrittelyyn päivystyshoitotyön osaamisesta. Osaamista mitattiin VAS-janalla (asteikko 0–100) arvon 100 ollessa optimaalinen taso, johon pyrittiin. Sairaanhoitajaopiskelijoiden tavoiteltavaksi osaamisen tasoksi asetettiin 80 olettaen opiskelijoiden osaamisen vielä kehittyvän työkokemuksen myötä. Ammatissa toimivien sairaanhoitajien (N=586, n=280, vastausprosentti 48 %) itsearvioitua osaamista käytettiin vertailuperustana opiskelijoiden osaamiselle. Aineisto analysoitiin tilastollisin menetelmin. Valmistuvien sairaanhoitajaopiskelijoiden itsearvioitu päivystyshoitotyön osaaminen oli alle tavoiteltavan osaamisen tason. Opiskelijoilla oli mielestään eniten eettistä osaamista sekä vuorovaikutus- ja yhteistyöosaamista ja vähiten päätöksenteko-osaamista ja kliinistä osaamista. Myös ammatissa toimivilla sairaanhoitajilla oli mielestään eniten vuorovaikutus- ja yhteistyöosaamista. Vähiten heillä oli ohjausosaamista ja päätöksenteko-osaamista. Sairaanhoitajilla oli tilastollisesti merkitsevästi enemmän päivystyshoitotyön osaamista kuin opiskelijoilla. Opiskelijoiden päivystyshoitotyön osaamista selitti eniten aikaisempi terveysalan tutkinto. Päivystyshoitotyön osaamisen kehittämisehdotukset kohdistuvat ammatillisen peruskoulutuksen ja täydennyskoulutuksen opetuksen sisältöihin ja määrään, opetus- ja opiskelumenetelmiin, osaamisen arviointiin sekä urasuunnitteluun. Jatkotutkimusehdotukset kohdistuvat päivystyshoitotyön osaamisen määrittelyn ja osaamista arvioivan mittarin edelleen kehittämiseen, erilaisten arviointimenetelmien kehittämiseen sekä osaamiseen yhteydessä olevien tekijöiden edelleen tutkimiseen.

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.

Optimal Mechanical PulpingProcesses for Eucalyptus, Acacia and Birch

Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin eukalyptuksen, akaasian ja koivun kemimekaanista kuiduttamista ja valkaisua. Yleensä näitä puulajeja käytetään sellun keittoon. Puulajit eroavat toisistaan kasvupaikan ja kuiturakenteen osalta. Eukalyptus ja akaasia ovat niin sanottuja trooppisia lehtipuita, kun taas koivu kasvaa pohjoisilla vyöhykkeillä. Koivulla on kookkaimmat kuidut ja akaasialla pienimmät kuidut. Myös näiden lajien putkilot eroavat toisistaan. Koivun putkilot ovat pitkiä ja kapeita, kun taas eukalyptuksen ja akaasian putkilot ovat lyhyitä ja leveitä. Prosessiksi valittiin kaksivaiheinen APMP-prosessi. Koeajot tehtiinKeskuslaboratorio Oy:ssä. Massoille asetettiin seuraavat tavoitteet: freeness 150-200 ml ja vaaleus 80 %ISO. Eukalyptukselle ja koivulle tehtiin kaksi erilaista impregnointisarjaa, mutta akaasialle vain yksi. Jauhatuksen viimeisessä vaiheessa kokeiltiin myös jauhinvalkaisua. Jauhatuksen energiankulutus oli korkea varsinkin eukalyptuksella ja akaasialla. Jotta energiankulutus saataisiin pienemmäksi, tulisi käyttää enemmän lipeää, mutta se johtaa alkalitummumiseen. Lopuksi massat valkaistiin laboratoriossa. Eukalyptus ja koivu pystyttiin valkaisemaan vaaleuteen 80 %ISO, mutta eukalyptuksen valkaisu vaati enemmän peroksidia kuin koivun valkaisu. Akaasian lähtövaaleus oli niin alhainen, ettei siinä päästy tavoitevaaleuteen. Eukalyptuksella on parempi valonsironta ja paremmat lujuusominaisuudet kuin koivulla. Kemimekaanista massaa voidaan käyttää hienopaperissa parantamassa jäykkyyttä, bulkkia ja valonsirontaa, mutta usein ongelmana on alhainen vaaleus ja huono vaaleuden pysyvyys. Kemimekaanista massaa voidaankäyttää missä tahansa mekaanisissa painopapereissa. Mekaanisissa painopapereissa kemimekaanisella lehtipuumassalla voidaan korvata mekaanista havupuumassaa. Akaasia on niin tummaa, ettei sitä voida käyttää korkeavaaleuksisiin papereihin. Eukalyptus ja koivu ovat vaaleampia ja helpompia valkaista kuin akaasia, mutta myös niillä on niin huono vaaleudenpysyvyys että käyttö hienopapereissa on rajoittunutta. Mekaanisille eukalyptus ja koivumassoille hienopaperia parempi käyttökohde on mekaaniset painopaperit, kuten MWC-paperi.

Distance Transforms on Gray-Level Surfaces

This thesis studies gray-level distance transforms, particularly the Distance Transform on Curved Space (DTOCS). The transform is produced by calculating distances on a gray-level surface. The DTOCS is improved by definingmore accurate local distances, and developing a faster transformation algorithm. The Optimal DTOCS enhances the locally Euclidean Weighted DTOCS (WDTOCS) with local distance coefficients, which minimize the maximum error from the Euclideandistance in the image plane, and produce more accurate global distance values.Convergence properties of the traditional mask operation, or sequential localtransformation, and the ordered propagation approach are analyzed, and compared to the new efficient priority pixel queue algorithm. The Route DTOCS algorithmdeveloped in this work can be used to find and visualize shortest routes between two points, or two point sets, along a varying height surface. In a digital image, there can be several paths sharing the same minimal length, and the Route DTOCS visualizes them all. A single optimal path can be extracted from the route set using a simple backtracking algorithm. A new extension of the priority pixel queue algorithm produces the nearest neighbor transform, or Voronoi or Dirichlet tessellation, simultaneously with the distance map. The transformation divides the image into regions so that each pixel belongs to the region surrounding the reference point, which is nearest according to the distance definition used. Applications and application ideas for the DTOCS and its extensions are presented, including obstacle avoidance, image compression and surface roughness evaluation.

Operative level purchasing in pharmaceutical wholesale trade

Tämän tutkintotyön tavoitteena on selvittää operatiivista ostotoimintaa, joka sisältää oikea-aikaisen tilausrytmin ja tasapainoisen tilausmäärän määrityksen sekä saapuvan tavaravirran mukauttamisen myyntiin tai kulutukseen kokonaisuutena. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan myös varastojen merkitystä ja ostotoiminnan kannalta keskeisimpiä tehokkaaseen varastonohjaukseen liittyviä tunnuslukuja. Tutkimus sisältää lääkkeiden toimitusketjun kuvauksen, koska se poikkeaa merkittävästi muista toimialoista. Tämä tutkintotyö on syntetisoiva kirjallisuustutkimus. Tutkintotyön empiirisessä osassa analysoidaan aluksi case-yrityksen vaihto-omaisuusvaraston ohjausta ostotoiminnan näkökulmasta ABC analyysiin pohjautuen. Tämän jälkeen ostotoimintaa analysoidaan tarkemmin tiettyjen toimittajien osalta. Lopuksi laaditaan optimaalinen tilausrytmi ja tilausmäärät sekä ostobudjetti yhden toimittajan tuotteille. ABC analyysia voidaan hyödyntää työkaluna määriteltäessä miten erilaisten tuotteiden materiaalivirtoja tulisi ostotoiminnan kannalta ohjata. Analyysi perustuu resurssien keskittämiseen sinne missä tuotto on suurin.

Tilauspisteen ja tilauseräkoon määrittäminen osana ostoprosessin kehittämistä tukkukaupassa

Varastojen hallinta sisältää yksinkertaisimmillaan varastotasojen, tilauspisteiden ja tilauseräkokojen määrittämiseen liittyviä päätöksiä ja toimenpiteitä. Perinteisesti näitä päätöksiä on tarkasteltu ainoastaan yhden ohjauspisteen sisäisestä näkökulmasta. Ostoprosessin ja siihen liittyvien toimittajasuhteiden kehittämisen merkitystä varastojen hallinnassa ei ole sen sijaan täysin ymmärretty. Tässä työssä tarkastellaan sekä perinteisiä varastonohjausjärjestelmiä että ostoprosessin kehittämistä teoreettisen viitekehyksen ja empiirisen case-tutkimuksen kautta. Tutkimuksen päätarkoitus on esittää varastonimikkeiden tilausajankohdan ja –eräkoon määrittämiseen liittyviä menetelmiä. Tutkimuksen teoriaosassa muodostetaan viitekehys tuotteiden luokitteluun perustuville varastojen hallinnan menettelytavoille. Varastojen hallinnan päätöksiin vaikuttavia tekijöitä ovat mm. ostoprosessin vaiheiden operatiivinen kehittäminen, toimittajayhteistyön parantaminen toimitusketjun hallinnan ja partnership-suhteiden kautta sekä nimikkeiden kysynnän, toimitusaikojen, varastojen hallinnan kustannusten ja mittarien määrittäminen. Lisäksi kuvataan tukkukauppaan liittyviä erityispiirteitä em. seikkojen osalta. Empiirisessä osassa tarkastellaan ensin terästuotteiden tukkukaupan Oy Kontino Ab:n ostotoiminnan ja varastojen hallinnan nykytilaa. Haastatteluaineiston perusteella esitetään optimaalisia varastotäydennysmenetelmiä luokitelluille nimikkeille. Tutkimuksen mukaan varaston palvelukyvyn mittaaminen on välttämätöntä optimaalisen tilauspisteen ja –eräkoon määrittämisessä. Tukkukaupan varastojen hallintaan soveltuu parhaiten kiinteän tilausvälin järjestelmä, jossa tilaushetki on kiinteä ja eräkoko sekä tilauspiste vaihtelevat. Tutkimuksesta voidaan päätellä, että myös tukkukaupan on pyrittävä varastotasojen alentamiseen parantaakseen varastoinnin tehokkuutta ja palvelukykyä. Parannukset voidaan toteuttaa vain ymmärtämällä varastojen hallinnan ja ostoprosessin välinen läheinen yhteys ja kehittämällä strategista toimittajayhteistyötä.

Mathematical modeling of level of anaesthesia from EEG measurements

Problem of modeling of anaesthesia depth level is studied in this Master Thesis. It applies analysis of EEG signals with nonlinear dynamics theory and further classification of obtained values. The main stages of this study are the following: data preprocessing; calculation of optimal embedding parameters for phase space reconstruction; obtaining reconstructed phase portraits of each EEG signal; formation of the feature set to characterise obtained phase portraits; classification of four different anaesthesia levels basing on previously estimated features. Classification was performed with: Linear and quadratic Discriminant Analysis, k Nearest Neighbours method and online clustering. In addition, this work provides overview of existing approaches to anaesthesia depth monitoring, description of basic concepts of nonlinear dynamics theory used in this Master Thesis and comparative analysis of several different classification methods.

Extreme Observables and Optimal Measurements in Quantum Theory

Optimization of quantum measurement processes has a pivotal role in carrying out better, more accurate or less disrupting, measurements and experiments on a quantum system. Especially, convex optimization, i.e., identifying the extreme points of the convex sets and subsets of quantum measuring devices plays an important part in quantum optimization since the typical figures of merit for measuring processes are affine functionals. In this thesis, we discuss results determining the extreme quantum devices and their relevance, e.g., in quantum-compatibility-related questions. Especially, we see that a compatible device pair where one device is extreme can be joined into a single apparatus essentially in a unique way. Moreover, we show that the question whether a pair of quantum observables can be measured jointly can often be formulated in a weaker form when some of the observables involved are extreme. Another major line of research treated in this thesis deals with convex analysis of special restricted quantum device sets, covariance structures or, in particular, generalized imprimitivity systems. Some results on the structure ofcovariant observables and instruments are listed as well as results identifying the extreme points of covariance structures in quantum theory. As a special case study, not published anywhere before, we study the structure of Euclidean-covariant localization observables for spin-0-particles. We also discuss the general form of Weyl-covariant phase-space instruments. Finally, certain optimality measures originating from convex geometry are introduced for quantum devices, namely, boundariness measuring how ‘close’ to the algebraic boundary of the device set a quantum apparatus is and the robustness of incompatibility quantifying the level of incompatibility for a quantum device pair by measuring the highest amount of noise the pair tolerates without becoming compatible. Boundariness is further associated to minimum-error discrimination of quantum devices, and robustness of incompatibility is shown to behave monotonically under certain compatibility-non-decreasing operations. Moreover, the value of robustness of incompatibility is given for a few special device pairs.