Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.

A Co-Processor Approach for Efficient Java Execution in Embedded Systems

This thesis deals with a hardware accelerated Java virtual machine, named REALJava. The REALJava virtual machine is targeted for resource constrained embedded systems. The goal is to attain increased computational performance with reduced power consumption. While these objectives are often seen as trade-offs, in this context both of them can be attained simultaneously by using dedicated hardware. The target level of the computational performance of the REALJava virtual machine is initially set to be as fast as the currently available full custom ASIC Java processors. As a secondary goal all of the components of the virtual machine are designed so that the resulting system can be scaled to support multiple co-processor cores. The virtual machine is designed using the hardware/software co-design paradigm. The partitioning between the two domains is flexible, allowing customizations to the resulting system, for instance the floating point support can be omitted from the hardware in order to decrease the size of the co-processor core. The communication between the hardware and the software domains is encapsulated into modules. This allows the REALJava virtual machine to be easily integrated into any system, simply by redesigning the communication modules. Besides the virtual machine and the related co-processor architecture, several performance enhancing techniques are presented. These include techniques related to instruction folding, stack handling, method invocation, constant loading and control in time domain. The REALJava virtual machine is prototyped using three different FPGA platforms. The original pipeline structure is modified to suit the FPGA environment. The performance of the resulting Java virtual machine is evaluated against existing Java solutions in the embedded systems field. The results show that the goals are attained, both in terms of computational performance and power consumption. Especially the computational performance is evaluated thoroughly, and the results show that the REALJava is more than twice as fast as the fastest full custom ASIC Java processor. In addition to standard Java virtual machine benchmarks, several new Java applications are designed to both verify the results and broaden the spectrum of the tests.

IDEAS for Strategic Technology Management: Design of an electronically mediated scenario method

The age-old adage goes that nothing in this world lasts but change, and this generation has indeed seen changes that are unprecedented. Business managers do not have the luxury of going with the flow: they have to plan ahead, to think strategies that will meet the changing conditions, however stormy the weather seems to be. This demand raises the question of whether there is something a manager or planner can do to circumvent the eye of the storm in the future? Intuitively, one can either run on the risk of something happening without preparing, or one can try to prepare oneself. Preparing by planning for each eventuality and contingency would be impractical and prohibitively expensive, so one needs to develop foreknowledge, or foresight past the horizon of the present and the immediate future. The research mission in this study is to support strategic technology management by designing an effective and efficient scenario method to induce foresight to practicing managers. The design science framework guides this study in developing and evaluating the IDEAS method. The IDEAS method is an electronically mediated scenario method that is specifically designed to be an effective and accessible. The design is based on the state-of-the-art in scenario planning, and the product is a technology-based artifact to solve the foresight problem. This study demonstrates the utility, quality and efficacy of the artifact through a multi-method empirical evaluation study, first by experimental testing and secondly through two case studies. The construction of the artifact is rigorously documented as justification knowledge as well as the principles of form and function on the general level, and later through the description and evaluation of instantiations. This design contributes both to practice and foundation of the design. The IDEAS method contributes to the state-of-the-art in scenario planning by offering a light-weight and intuitive scenario method for resource constrained applications. Additionally, the study contributes to the foundations and methods of design by forging a clear design science framework which is followed rigorously. To summarize, the IDEAS method is offered for strategic technology management, with a confident belief that it will enable gaining foresight and aid the users to choose trajectories past the gales of creative destruction and off to a brighter future.

Embedded Service Bus for Internet of Things Interoperability

Internet of Things (IoT) technologies are developing rapidly, and therefore there exist several standards of interconnection protocols and platforms. The existence of heterogeneous protocols and platforms has become a critical challenge for IoT system developers. To mitigate this challenge, few alliances and organizations have taken the initiative to build a framework that helps to integrate application silos. Some of these frameworks focus only on a specific domain like home automation. However, the resource constraints in the large proportion of connected devices make it difficult to build an interoperable system using such frameworks. Therefore, a general purpose, lightweight interoperability framework that can be used for a range of devices is required. To tackle the heterogeneous nature, this work introduces an embedded, distributed and lightweight service bus, Lightweight IoT Service bus Architecture (LISA), which fits inside the network stack of a small real-time operating system for constrained nodes. LISA provides a uniform application programming interface for an IoT system on a range of devices with variable resource constraints. It hides platform and protocol variations underneath it, thus facilitating interoperability in IoT implementations. LISA is inspired by the Network on Terminal Architecture, a service centric open architecture by Nokia Research Center. Unlike many other interoperability frameworks, LISA is designed specifically for resource constrained nodes and it provides essential features of a service bus for easy service oriented architecture implementation. The presented architecture utilizes an intermediate computing layer, a Fog layer, between the small nodes and the cloud, thereby facilitating the federation of constrained nodes into subnetworks. As a result of a modular and distributed design, the part of LISA running in the Fog layer handles the heavy lifting to assist the lightweight portion of LISA inside the resource constrained nodes. Furthermore, LISA introduces a new networking paradigm, Node Centric Networking, to route messages across protocol boundaries to facilitate interoperability. This thesis presents a concept implementation of the architecture and creates a foundation for future extension towards a comprehensive interoperability framework for IoT.

A new heuristic method for solving spatially constrained forest planning problems based on mitigation of infeasibilities radiating outward from a forced choice

[Abstract]

Generating a raster map presentation of a forest resource by solving a transportation problem

Abstract

Resource-based approach to new product development at the intersection of industries. Two case studies in telecommunications

Työn tavoitteena on selvittää mitkä ovat tärkeimmät aineettomat resurssit, joita tarvitaan teollisuuksien risteyskohdassa tapahtuvassa tuotekehityksessä. Teollisuuksien risteyskohdissa syntyvät tuotteet ovat usein radikaaleja, mikä tekee tuotteista mielenkiintoisia, paljon liiketoimintapotentiaalia tarjoavia. Tämä tutkimus lähestyy tuotekehitystä resurssipohjaisesta näkökulmasta. Myös tietämyspohjaista ja suhdepohjaista näkemystä hyödynnetään korostamaan keskittymistä aineettomiin resursseihin. Tutkimuksessa rakennetaan viitekehys, jossa tutkitaan eri resurssikategorioita. Valitut kategoriat ovat teknologiset, markkinointi-, johtamiseen ja hallinnointiin liittyvät ja suhdepohjaiset resurssit. Empiirisessä osassa tutkitaan kahta uutta tuotekonseptia, jotka ovat syntyneet teollisuuksien risteyskohdissa. Empiirisen osan tavoitteena on määritellä tutkimuksen kohteena olevia alustavia tuotekonsepteja tarkemmin ja selvittää millaisia resursseja näiden toteuttamiseen tarvitaan. Myös tarvittavien resurssien nykytila selvitetään ja pohditaan tulisiko puuttuvia resursseja kehittää yrityksen sisällä vai hankkia ne ulkopuolelta. Tutkimus toteutettiin asiantuntijahaastatteluin. Kahden tapaustutkimuksen perusteella näyttäisi siltä, että suhdepohjaiset resurssit ovat erittäin tärkeitä teollisuuksien risteyskohdissa tapahtuvassa tuotekehityksessä. Myös teknologiset resurssit ovat tärkeitä. Markkinointiresurssien tärkeys riippuu lopullisesta tuotekonseptista, kun taas johtamiseen ja kehittämiseen liittyvät resurssit ovat tärkeitänäiden konseptien luomisessa.

The Boundaries of a Firm in the Pulp and Paper Industry: Complementarities of the Resource-Based View and Transaction Cost Economics

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia sellu- ja paperiteollisuuden toimintojen luonnetta sekä miten yrityksen rajapinnat ovat muodostuneet ko. teollisuudenalalla. Tutkimus on eksploratiivinen ja luonteeltaan kvalitatiivinen. Tutkimuksen aineisto kerättiin yrityksissä tehdyillä teemahaastatteluilla. Sellu- ja paperitehtaan toimintojen analysoinnissa käytetään resurssiperusteista näkemystä ja transaktiokustannusteoriaa. Tutkimuksen yritysten rakennetta voidaan pitää varsin konservatiivisena. Teoreettinen kehys pystyi selittämään varsinaisen tuotannon järjestämistä varsin hyvin. Tukitoiminnoissa löytyi ristiriitoja teorian ja todellisuuden välillä. Tuotantotoiminnot kannattaa pitää yrityksen sisällä, koska ne täyttävät VRIN-attribuutit ja niihin liittyy korkeita transaktiokustannuksia. Suurin osa tukitoiminnoista voidaan luokitella triviaaleiksi. Joitain tukitoimintoja voidaan kuitenkin luokitella strategisesti tärkeiksi, ja voidaan päätellä, että ne pitäisi pitää yrityksen sisällä. Tässä suhteessa tulokset olivat kuitenkin ristiriitaisia, ja lisätutkimuksia tarvittaisiin lopullisten johtopäätösten tekemiseen.

The Reflections of Strategic Orientation on profitability - A resource-based study in pulp and paper industry

Tutkielman tavoitteena oli analysoida erilaisia strategisia orientaatioita sellu- ja paperiteollisuudessa. Sellu- ja paperiteollisuus on kohtaamassa strategisia haasteita, jotka ulottuvat syvälle sen rakenteisiin. Yritykset ovat valinneet erilaisia lähestymistapoja organisoidessaan tuotantoa ja kansainvälistä arvoketjuaan tässä muuttuvassa ympäristössä. Tutkimukseen valittiin 30 suurinta sellu- ja paperiteollisuudessa toimivaa yritystä ja mahdollisia syitä kannattavuuseroihin yritysten välillä analysoitiin. Yritysten strategista orientaatiota tarkasteltiin vertailemalla muun muassa seuraavia tekijöitä: vertikaalinen integraatioaste, tuotevalikoiman laajuus, tuotantokapasiteetin levinneisyys ja tuotantokapasiteetin ikä. Kannattavuutta mitattiin erilaisilla talouden tunnusluvuilla (liikevoitto, oman pääoman tuotto-%, koko pääoman tuotto-%). Tulosten mukaan yrityksiä voidaan ryhmitellä strategisen orientaation perusteella ja ryhmien välillä on kannattavuuseroja.

From the Resource-Base to Firm Boundaries in the Electricity Network Business - Case Lappeenrannan Energia Oy

Tutkielman tavoitteena oli selvittääcase -yrityksen resurssi- ja kyvykkyyspohjaa resurssiperustaisen näkemyksen mukaan, sekä yrityksen rajoja transaktiokustannusteorian mukaan. Tutkimusongelmia lähestyttiin kirjallisuuskatsauksella, puoli-strukturoiduilla teemahaastatteluilla, sekä kyselylomakkeilla. Tutkielman päätuloksiksi voidaan Tukea löydetty resurssikuilu, resurssien ja kyvykkyyksien tutkinta, sekä kyselylomakkeiden rakentaminen ja käyttö. Tutkielman paljastamasta kuilusta voidaan erottaa kolme päähaastetta; ikääntyvät sähköverkot, ikääntyvä henkilökunta ja liiketoimintaosaamisen puute. Lisäksi resurssien ja kyvykkyyksien tutkinta nosti esille organisaation rutiineja ja prosesseja, ja kyselylomakkeet osoittautuivat varsin toimiviksi tutkimuksen kontekstissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että sähköverkkoliiketoiminta ja case yritys ovat suuren rakennemuutoksen alla, joka tuo mukanaan suuria haasteita myös lähitulevaisuudessa.