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.

Numbers and Languages

The thesis presents results obtained during the authors PhD-studies. First systems of language equations of a simple form consisting of just two equations are proved to be computationally universal. These are systems over unary alphabet, that are seen as systems of equations over natural numbers. The systems contain only an equation X+A=B and an equation X+X+C=X+X+D, where A, B, C and D are eventually periodic constants. It is proved that for every recursive set S there exists natural numbers p and d, and eventually periodic sets A, B, C and D such that a number n is in S if and only if np+d is in the unique solution of the abovementioned system of two equations, so all recursive sets can be represented in an encoded form. It is also proved that all recursive sets cannot be represented as they are, so the encoding is really needed. Furthermore, it is proved that the family of languages generated by Boolean grammars is closed under injective gsm-mappings and inverse gsm-mappings. The arguments apply also for the families of unambiguous Boolean languages, conjunctive languages and unambiguous languages. Finally, characterizations for morphisims preserving subfamilies of context-free languages are presented. It is shown that the families of deterministic and LL context-free languages are closed under codes if and only if they are of bounded deciphering delay. These families are also closed under non-codes, if they map every letter into a submonoid generated by a single word. The family of unambiguous context-free languages is closed under all codes and under the same non-codes as the families of deterministic and LL context-free languages.

Real-time simulation of multibody systems with applications for working mobile vehicles

This dissertation describes an approach for developing a real-time simulation for working mobile vehicles based on multibody modeling. The use of multibody modeling allows comprehensive description of the constrained motion of the mechanical systems involved and permits real-time solving of the equations of motion. By carefully selecting the multibody formulation method to be used, it is possible to increase the accuracy of the multibody model while at the same time solving equations of motion in real-time. In this study, a multibody procedure based on semi-recursive and augmented Lagrangian methods for real-time dynamic simulation application is studied in detail. In the semirecursive approach, a velocity transformation matrix is introduced to describe the dependent coordinates into relative (joint) coordinates, which reduces the size of the generalized coordinates. The augmented Lagrangian method is based on usage of global coordinates and, in that method, constraints are accounted using an iterative process. A multibody system can be modelled as either rigid or flexible bodies. When using flexible bodies, the system can be described using a floating frame of reference formulation. In this method, the deformation mode needed can be obtained from the finite element model. As the finite element model typically involves large number of degrees of freedom, reduced number of deformation modes can be obtained by employing model order reduction method such as Guyan reduction, Craig-Bampton method and Krylov subspace as shown in this study The constrained motion of the working mobile vehicles is actuated by the force from the hydraulic actuator. In this study, the hydraulic system is modeled using lumped fluid theory, in which the hydraulic circuit is divided into volumes. In this approach, the pressure wave propagation in the hoses and pipes is neglected. The contact modeling is divided into two stages: contact detection and contact response. Contact detection determines when and where the contact occurs, and contact response provides the force acting at the collision point. The friction between tire and ground is modelled using the LuGre friction model, which describes the frictional force between two surfaces. Typically, the equations of motion are solved in the full matrices format, where the sparsity of the matrices is not considered. Increasing the number of bodies and constraint equations leads to the system matrices becoming large and sparse in structure. To increase the computational efficiency, a technique for solution of sparse matrices is proposed in this dissertation and its implementation demonstrated. To assess the computing efficiency, augmented Lagrangian and semi-recursive methods are implemented employing a sparse matrix technique. From the numerical example, the results show that the proposed approach is applicable and produced appropriate results within the real-time period.

Real-time Imaging and Mosaicking of Planar Surfaces

Laajojen pintojen kuvaaminen rajoitetussa työskentelytilassa riittävällä kuvatarkkuudella voi olla vaikeaa. Kuvaaminen on suoritettava osissa ja osat koottava saumattomaksi kokonaisnäkymäksi eli mosaiikkikuvaksi. Kuvauslaitetta käsin siirtelevän käyttäjän on saatava välitöntä palautetta, jotta mosaiikkiin ei jäisi aukkoja ja työ olisi nopeaa. Työn tarkoituksena oli rakentaa pieni, kannettava ja tarkka kuvauslaite paperi- ja painoteollisuuden tarpeisiin sekä kehittää palautteen antamiseen menetelmä, joka koostaaja esittää karkeaa mosaiikkikuvaa tosiajassa. Työssä rakennettiin kaksi kuvauslaitetta: ensimmäinen kuluttajille ja toinen teollisuuteen tarkoitetuista osista. Kuvamateriaali käsiteltiin tavallisella pöytätietokoneella. Videokuvien välinen liike laskettiin yksinkertaisella seurantamenetelmällä ja mosaiikkikuvaa koottiin kameroiden kuvanopeudella. Laskennallista valaistuksenkorjausta tutkittiin ja kehitetty menetelmä otettiin käyttöön. Ensimmäisessä kuvauslaitteessa on ongelmia valaistuksen ja linssivääristymien kanssa tuottaen huonolaatuisia mosaiikkikuvia. Toisessa kuvauslaitteessa nämä ongelmat on korjattu. Seurantamenetelmä toimii hyvin ottaen huomioon sen yksinkertaisuuden ja siihen ehdotetaan monia parannuksia. Työn tulokset osoittavat, että tosiaikainen mosaiikkikuvan koostaminen megapikselin kuvamateriaalista on mahdollista kuluttajille tarkoitetulla tietokonelaitteistolla.

Paperiteollisuusyrityksen hankintaprosessien parantaminen - Case M-real

Tämä tutkimus käsittelee teollisuusyrityksen hankintaprosessien parantamista. Tavoitteena oli selvittää, millaisilla toimenpiteillä raakaaineiden ja MRO (maintenance, repair and operating)-tuotteiden hankintaprosesseista saadaan toimivia ja tehokkaita. Tutkielmassa tarkastellaan hankintaprosessiin vaikuttavia asioita, erityisesti keskittämistä sekä informaatioteknologiaa, ja tuodaan esille erilaisia hankintaprosessin parantamiseen tähtääviä lähestymistapoja. Tutkimus toteutettiin laadullisena tapaustutkimuksena. Empiirinen aineisto kerättiin kohdeyritys M-realilla tehtyjen haastattelujen sekä havainnoinnin avulla. Tutkimuksessa havaittiin, että raaka-aineiden hankintaprosessia voidaan tehostaa lisäämällä automatiikkaa sekä parantamalla yhteistyötä hankintaprosessiin osallistuvien tahojen kesken. MRO-tuotteiden hankintaa voidaan tehostaa monilla operationaalisilla toimenpiteillä, kuten yksinkertaistamalla hankintaehdotuksen tekemistä. Yhtenä keskeisimpänä tutkimustuloksena on se, että toiminnanohjausjärjestelmä on merkittävimpiä hankintaprosessin parantamista rajoittavia tekijöitä. Merkittävänä tutkimustuloksena voidaan pitää myös sitä, että hankintaprosessin osien keskittämisen myötä kosketus paikallisiin asioihin vähenee, mutta tämä ei ole kuitenkaan ylivoimainen este hankintaprosessin tehokkaalle hoitamiselle. Tutkimuksessa havaittiin, että informaatioteknologian kehittymisen myötä hankintaprosessi on nopeutunut.

Strategic investment appraisal; extended real options approach

Tutkielma keskittyy lisäämään investointiarviointiprosessien rationaalisuutta strategisten investointien arvioinnissa duopoli- / oligopolimarkkinoilla. Tutkielman päätavoitteena on selvittää kuinka peliteorialla laajennettu reaalioptioperusteinen investointien arviointimenetelmä, laajennettu reaalioptiokehikko, voisi mahdollisesti parantaa analyysien tarkkuutta. Tutkimus lähestyy ongelmaa investoinnin ajoituksen sekä todellisten investoinnin arvoattribuuttien riippuvuuksien kautta. Laajennettu reaalioptiokehikko on investointien analysointi- ja johtamistyökalu, joka tarjoaa osittain rajoitetun (sisältää tällä hetkellä ainoastaan parametrisen ja peliteoreettisen epävarmuuden) optimaalisen arvovälin investoinnin todellisesta arvosta. Kehikossa, ROA kartoittaa mahdolliset strategiset hyödyt tunnistamalla investointiinliittyvät eri optiot ja epävarmuudet, peliteoria korostaa ympäristön luomia paineita investointiin liittyvän epävarmuuden hallitsemisessa. Laajennettu reaalioptiokehikko tarjoaa rationaalisemman arvion strategisen investoinnin arvosta, koska se yhdistää johdonmukaisemmin option toteutuksen ja siten myös optioiden aika-arvon, yrityksen todellisiin rajoitettuihin (rajoituksena muiden markkinatoimijoiden toimet) polkuriippuvaisiin kyvykkyyksiin.

Assessing Strategic IT Investments of Forest Industry by Means of the Real Options Approach, Case: Stora Enso

Tutkimuksen päämääränä oli tutkia miten reaalioptiomenetelmä soveltuu metsäteollisuuden strategisten informaatioteknologiainvestointien arvioimiseen. Tässä tutkimuksessa muodostettiin mukautettu reaalioptiosovelluskehys, esiteltyjen reaalioptiosovelluskehyksien perusteella. Valitut investointiehdotukset arvioitiin muodostetun sovelluskehyksen avulla. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen. Pääasiallisia tiedonlähteitä olivat lehtiartikkelit, GDSS -istunnot ja haastattelut. Tutkimuksen tuloksena selvisi, että reaalioptiomenetelmä sopii metsäteollisuudenstrategisten informaatioteknologiainvestointien arvioimiseen. On kuitenkin huomioitava, että investoinnin suunnitteluprosessin kypsyysaste vaikuttaa reaalioptiomenetelmän soveltamiseen. Tutkimuksessa arvioidut investoinnit ovat investoinnin suunnitteluvaiheen varhaisessa vaiheessa.

Computational Analysis and Optimization of Real Gas Flow In Small Centrifugal Compressors

Small centrifugal compressors are more and more widely used in many industrialsystems because of their higher efficiency and better off-design performance comparing to piston and scroll compressors as while as higher work coefficient perstage than in axial compressors. Higher efficiency is always the aim of the designer of compressors. In the present work, the influence of four partsof a small centrifugal compressor that compresses heavy molecular weight real gas has been investigated in order to achieve higher efficiency. Two parts concern the impeller: tip clearance and the circumferential position of the splitter blade. The other two parts concern the diffuser: the pinch shape and vane shape. Computational fluid dynamics is applied in this study. The Reynolds averaged Navier-Stokes flow solver Finflo is used. The quasi-steady approach is utilized. Chien's k-e turbulence model is used to model the turbulence. A new practical real gas model is presented in this study. The real gas model is easily generated, accuracy controllable and fairly fast. The numerical results and measurements show good agreement. The influence of tip clearance on the performance of a small compressor is obvious. The pressure ratio and efficiency are decreased as the size of tip clearance is increased, while the total enthalpy rise keeps almost constant. The decrement of the pressure ratio and efficiency is larger at higher mass flow rates and smaller at lower mass flow rates. The flow angles at the inlet and outlet of the impeller are increased as the size of tip clearance is increased. The results of the detailed flow field show that leakingflow is the main reason for the performance drop. The secondary flow region becomes larger as the size of tip clearance is increased and the area of the main flow is compressed. The flow uniformity is then decreased. A detailed study shows that the leaking flow rate is higher near the exit of the impeller than that near the inlet of the impeller. Based on this phenomenon, a new partiallyshrouded impeller is used. The impeller is shrouded near the exit of the impeller. The results show that the flow field near the exit of the impeller is greatly changed by the partially shrouded impeller, and better performance is achievedthan with the unshrouded impeller. The loading distribution on the impeller blade and the flow fields in the impeller is changed by moving the splitter of the impeller in circumferential direction. Moving the splitter slightly to the suction side of the long blade can improve the performance of the compressor. The total enthalpy rise is reduced if only the leading edge of the splitter ismoved to the suction side of the long blade. The performance of the compressor is decreased if the blade is bended from the radius direction at the leading edge of the splitter. The total pressure rise and the enthalpy rise of thecompressor are increased if pinch is used at the diffuser inlet. Among the fivedifferent pinch shape configurations, at design and lower mass flow rates the efficiency of a straight line pinch is the highest, while at higher mass flow rate, the efficiency of a concave pinch is the highest. The sharp corner of the pinch is the main reason for the decrease of efficiency and should be avoided. The variation of the flow angles entering the diffuser in spanwise direction is decreased if pinch is applied. A three-dimensional low solidity twisted vaned diffuser is designed to match the flow angles entering the diffuser. The numerical results show that the pressure recovery in the twisted diffuser is higher than in a conventional low solidity vaned diffuser, which also leads to higher efficiency of the twisted diffuser. Investigation of the detailed flow fields shows that the separation at lower mass flow rate in the twisted diffuser is later than in the conventional low solidity vaned diffuser, which leads to a possible wider flow range of the twisted diffuser.

Real-time Quality of Service Controller for Differentiated Services

IP-verkkojen hyvin tunnettu haitta on, että nämä eivät pysty takaamaan tiettyä palvelunlaatua (Quality of Service) lähetetyille paketeille. Seuraavat kaksi tekniikkaa pidetään lupaavimpina palvelunlaadun tarjoamiselle: Differentiated Services (DiffServ) ja palvelunlaatureititys (QoS Routing). DiffServ on varsin uusi IETF:n määrittelemä Internetille tarkoitettu palvelunlaatumekanismi. DiffServ tarjoaa skaalattavaa palvelujen erilaistamista ilman viestintää joka hypyssä ja per-flow –tilan ohjausta. DiffServ on hyvä esimerkki hajautetusta verkkosuunnittelusta. Tämän palvelutasomekanismin tavoite on viestintäjärjestelmien suunnittelun yksinkertaistaminen. Verkkosolmu voidaan rakentaa pienestä hyvin määritellystä rakennuspalikoiden joukosta. Palvelunlaatureititys on reititysmekanismi, jolla liikennereittejä määritellään verkon käytettävissä olevien resurssien pohjalta. Tässä työssä selvitetään uusi palvelunlaatureititystapa, jota kutsutaan yksinkertaiseksi monitiereititykseksi (Simple Multipath Routing). Tämän työn tarkoitus on suunnitella palvelunlaatuohjain DiffServille. Tässä työssä ehdotettu palvelunlaatuohjain on pyrkimys yhdistää DiffServ ja palvelunlaatureititysmekanismeja. Työn kokeellinen osuus keskittyy erityisesti palvelunlaatureititysalgoritmeihin.

Dynamic Capabilities and Real Options

Tutkielman tavoitteena oli selvittää dynaamisten kyvykkyyksien teorian kehittymistä ja nykytilaa. Työssä tarkastellaan myös mahdollisuuksia yhdistää reaalioptioajattelua ja dynaamisten kyvykkyyksien teoriaa. Tutkielma on toteutettu teoreettisena kirjallisuuskatsauksena. Dynaamisten kyvykkyyksien teorian mukaan muuttuvassa toimintaympäristössä yritysten kilpailuetu perustuu kykyyn rakentaa, yhdistää ja muokata resursseja ja kyvykkyyksiä. Yritysten täytyy pystyä löytämään, sulauttamaan ja muuntamaan tietoa voidakseen tunnistaa uusia mahdollisuuksia ja pystyäkseen reagoimaan niihin. Tutkielma tuo esille uusia yhteyksiä dynaamisten kyvykkyyksien teorian ja yritysten käyttäytymisen välillä. Reaalioptioajattelu auttaa tunnistamaan yrityksen rajojen määrittämiseen vaikuttavia tekijöitä. Työssä tehdään ehdotuksia dynaamisten kyvykkyyksien teorian jatkotutkimusta varten.

Methods of Design and Testing of Real Time Systems

Teollusuussovelluksissa vaaditaan nykyisin yhä useammin reaaliaikaista tiedon käsittelyä. Luotettavuus on yksi tärkeimmistä reaaliaikaiseen tiedonkäsittelyyn kykenevän järjestelmän ominaisuuksista. Sen saavuttamiseksi on sekä laitteisto, että ohjelmisto testattava. Tämän työn päätavoitteena on laitteiston testaaminen ja laitteiston testattavuus, koska luotettava laitteistoalusta on perusta tulevaisuuden reaaliaikajärjestelmille. Diplomityössä esitetään digitaaliseen signaalinkäsittelyyn soveltuvan prosessorikortin suunnittelu. Prosessorikortti on tarkoitettu sähkökoneiden ennakoivaa kunnonvalvontaa varten. Uusimmat DFT (Desing for Testability) menetelmät esitellään ja niitä sovelletaan prosessorikortin sunnittelussa yhdessä vanhempien menetelmien kanssa. Kokemukset ja huomiot menetelmien soveltuvuudesta raportoidaan työn lopussa. Työn tavoitteena on kehittää osakomponentti web -pohjaiseen valvontajärjestelmään, jota on kehitetty Sähkötekniikan osastolla Lappeenrannan teknillisellä korkeakoululla.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.

Innovation Processes: Case M-real

Tässä työssä on tutkittu innovaatiota kirjallisuudessa ja M-realissa. Tekninen kehitys johtuu innovaatioista. Innovaatio on luonteeltaan epävarmaa, polkusidonnaista ja sisältää eri teknologioita. Innovaation vaikutukset ulottuvat usein myös asiakkaisiin ja toimittajiin. Yrityksen eri funktioita ja hierarkiatasoja tarvitaan kaupallistamaan uusi idea tai keksintö. Dynaamiset kyvykkyydet erottavat muutokset ympäristöstä ja niitä tarvitaan innovaatioiden toteuttamisessa. Yrityksen ympäristö muuttuu ja joustavuutta tarvitaan projektien toteuttamisessa. Reaalioptiot tarjoavat joustavuutta projektien toteuttamisessa. M-realissa on vahva tekninen osaaminen, mutta asiakkaat ovat jääneet vähälle huomiolle innovaatioprosessissa. Innovaatiota ei myöskään ajateltu koko yrityksen tehtävänä. Tästä johtuu osittain vaikeudet saada ekstravoittoja. Paino M-realissa on kehittää palveluinnovaatioita.