Differential evolution based classification with pool of distances and aggregation operators

The objective of this thesis is to develop and generalize further the differential evolution based data classification method. For many years, evolutionary algorithms have been successfully applied to many classification tasks. Evolution algorithms are population based, stochastic search algorithms that mimic natural selection and genetics. Differential evolution is an evolutionary algorithm that has gained popularity because of its simplicity and good observed performance. In this thesis a differential evolution classifier with pool of distances is proposed, demonstrated and initially evaluated. The differential evolution classifier is a nearest prototype vector based classifier that applies a global optimization algorithm, differential evolution, to determine the optimal values for all free parameters of the classifier model during the training phase of the classifier. The differential evolution classifier applies the individually optimized distance measure for each new data set to be classified is generalized to cover a pool of distances. Instead of optimizing a single distance measure for the given data set, the selection of the optimal distance measure from a predefined pool of alternative measures is attempted systematically and automatically. Furthermore, instead of only selecting the optimal distance measure from a set of alternatives, an attempt is made to optimize the values of the possible control parameters related with the selected distance measure. Specifically, a pool of alternative distance measures is first created and then the differential evolution algorithm is applied to select the optimal distance measure that yields the highest classification accuracy with the current data. After determining the optimal distance measures for the given data set together with their optimal parameters, all determined distance measures are aggregated to form a single total distance measure. The total distance measure is applied to the final classification decisions. The actual classification process is still based on the nearest prototype vector principle; a sample belongs to the class represented by the nearest prototype vector when measured with the optimized total distance measure. During the training process the differential evolution algorithm determines the optimal class vectors, selects optimal distance metrics, and determines the optimal values for the free parameters of each selected distance measure. The results obtained with the above method confirm that the choice of distance measure is one of the most crucial factors for obtaining higher classification accuracy. The results also demonstrate that it is possible to build a classifier that is able to select the optimal distance measure for the given data set automatically and systematically. After finding optimal distance measures together with optimal parameters from the particular distance measure results are then aggregated to form a total distance, which will be used to form the deviation between the class vectors and samples and thus classify the samples. This thesis also discusses two types of aggregation operators, namely, ordered weighted averaging (OWA) based multi-distances and generalized ordered weighted averaging (GOWA). These aggregation operators were applied in this work to the aggregation of the normalized distance values. The results demonstrate that a proper combination of aggregation operator and weight generation scheme play an important role in obtaining good classification accuracy. The main outcomes of the work are the six new generalized versions of previous method called differential evolution classifier. All these DE classifier demonstrated good results in the classification tasks.

Jätehuoltosuunnitelma Pohjois-Karjalan keskussairaalan laajennus K:ssa

Tämän työn tarkoituksena oli suunnitella toimiva jätehuoltoPohjois-Karjalan keskussairaalan alueelle vuosina 2007-2008 rakennettavaan laajennus K:hon. Tavoitteena oli löytää kustannustehokas ja hyvin vanhan rakennuskannan logistiikan kanssa yhteen toimiva jätehuollon vaihtoehto. Suunnittelua ohjasivat lakien, asetusten ja muiden määräyksien ohella laajennuksen pitkälle edennyt suunnitteluvaihe ja vanhan rakennuskannan jätehuollon toimintatavat. Jätehuolto on yksi merkittävä osa sairaalan perustehtävää palvelevista tukitoiminnoista. Jätehuoltojärjestelmä on sairaanhoitotyötä palveleva, jos järjestelyt ovat loogisia, toimivia ja logistiset yhteydet ovat mahdollisimman lyhyitä. Nykyinen ihmistyövoiman käyttöön perustuva jätehuollon prosessi on esitetty varsin tarkasti, sillä laajennuksen jätehuoltosuunnitelman on käytännön syistä pohjauduttava nykyiseen toimintatapaan. Työssä esitetään uusia jätehuollon vaihtoehtoja kustannusarvioineen, mutta ehdotukset jäävät lähinnä visiotasolle laajennuksen pitkälle ehtineen suunnitteluvaiheen vuoksi. Konkreettiset vaihtoehdot koskevat jätejakeiden keräystä ja niiden kuljetuksia. Keskus sairaalan jätehuollon tehostaminen vaatii kokonaisvaltaisen jätehuoltosuunnitelman laatimista koko sairaalan alueelle. Sen myötä on mahdollista lisätä kustannustehokkuutta ottamalla käyttöön teknisiä ratkaisuja. Jätehuoltosuunnitelma laajennukseen on työssä tehty, mutta työn suurimmaksi saavutukseksi jää kuitenkin esitys myöhempien hakkeiden jätehuollon suunnittelun aikaistamisesta jo hankesuunnitteluvaiheeseen.

Ympäristövaikutusten velvoitetarkkailun tulosten epävarmuuden arviointi

Tämä diplomityö tehtiin Neste Oil Oyj:n Kehittäminen ja Laboratoriot yksikön HSE-palveluille. Työn tavoitteena oli arvioida Neste Oilin ympäristövaikutusten velvoitetarkkailujen mittaustulosten epävarmuutta. Tarkastelu koski ilmanlaadun SO2-, NO2-, TRS- sekä O3-mittauksia, ympäristömelumittauksia sekä pohjavesinäytteenottoa. Ympäristönsuojelulaki (86/2000) velvoittaa tuotantolaitoksia selvittämään toimintansa ympäristövaikutukset. Myös esimerkiksi akkreditoitaessa menetelmiä mittausepävarmuus on tunnettava. On arvioitu, että tulevaisuudessa direktiivit tulevat tiukentamaan päästöraja-arvoja ja mittausepävarmuuden käsite tulee käyttöön kaikilla ympäristösektoreilla.Tässä työssä ilmanlaadun mittausepävarmuus arvioitiin vertaamalla Neste Oilin mittaustuloksia Ilmatieteenlaitoksen vertailumittausten ja kalibrointien tuloksiin. Ympäristömelun mittausepävarmuus arvioitiin Ympäristöministeriön ympäristömelunmittausohjeen (1/1995)mukai-sesti. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuus arvioitiin laskemalla haitta-aineiden ajallisen vaihtelun, näytteenottomenetelmien, näytteiden kuljetuksenja säilytyksen aiheuttaman kontaminaation sekä analyysivaiheen epävarmuustekijöiden yhdistetty mittausepävarmuus. Tarkastelussa todettiin, että ilmanlaadunmittaustulokset eivät poikenneet merkittävästi vertai-lumittausten ja kalibrointien tuloksista. Menetelmien laajennetuksi mittausepävarmuudeksi saatiin 6-8 %. Ympäristömelun mittausepävarmuus vastasi ympäristömelunmittausohjeessa esitettyjä arvoja ja vaihtelivat 2-10 dB:n välillä, riippuen mittausetäisyydestä ja mittauskertojen lukumäärästä. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudelle ei ole asetettu laatutavoitteita. Tässä tarkastelussa pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudeksi saatiin 33 %.

Riskianalyysistäohjeelliseen panostussuunnitelmaan

Nykytekniikalla kyetään tehokkaaseen ja turvalliseen työn toteuttamiseen. Suorituksen aikaansaanti edellyttää ympäristön kartoittamista niin, että urakoitsija tuntee ne seikat, jotka ovat tarpeen, jotta työ voidaan suorittaa vaurioittamatta olevia rakennuksia ja aiheuttamatta asukkaille vaaratilanteita. Riskianalyysi tuo esille ne seikat, jotka on syytä tietää työn laskenta- ja suoritustilanteessa. On tunnettava käytettävät räjähdysaineet ja mitä tapahtuu räjähdysprosessissa. Prosessin ideaalimallin (harmoninen värähtely) pohjalta on kehitetty teorioita, joiden avulla kyetään pitämään suorituksen aiheuttama tärinätaso sellaisena, ettei ympäristössä olevia entisiä rakennuksia vaurioiteta eikä teknisestä suorituksesta aiheudu vaaratilanteita ihmisille. Riskianalyysi- ja rakennuskatselmustietojen perusteella mitoitetaan käytettävä panos sellaiseksi, että asetetut turvallisuusvaateet tulevat täytetyiksi. Työn suorituksen onnistumiseksilaaditaan ohjeellinen panostussuunnitelma, jossa käytettävä panoskoko ilmoitetaan etäisyyden funktiona varottavasta kohteesta. Samassa esityksessä käy selville rakenteille sallittu tärinäaallon heilahdusnopeus mm/s:ssa. Muuttunut etäisyys ja se tosiasia, etteivät räjäytyskentät ole tärinätasoltaan identtisiä, vaikka etäisyys ja panoskoko ovat samat, tarvitsee muutostentekoa varten teoreettistasoisen esityksen tuekseen. Tuo tuki on ohjeellinen panostussuunnitelma. Muutosten perusteena ei ole mutu - menettely, vaan teoreettinen, yleisesti hyväksyttyihin menettelytapoihin perustuva malli.

Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.

Langattoman tiedonsiirron hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmän hallinnassa

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehittyessä mielenkiinto niiden soveltamiseen teollisuudessa on kasvanut. Langattoman tiedonsiirron avulla voidaan korvata perinteiset kaapeliratkaisut ja samalla mahdollistaa uusia, lisäarvoa toiminnalle tuovia sovelluksia. Tavoitteena on kustannussäästöjen lisäksi tuotannon tehostaminen paremman tiedonkeruun ja joustavamman käyttöympäristön avulla. Kaukolämpöjärjestelmän osien väliset etäisyydet ovat useimmiten niin pitkiä, ettei lyhyen kantaman langattomia tekniikoita voida hyödyntää. Tämän työn perusteella realistisina vaihtoehtoina ovat toistaiseksi yleisten matkapuhelinverkkojen hyödyntäminen sekä radiolinkit, mutta tulevaisuudessa uudet langattomat verkkotekniikat voivat mahdollistaa ulkopuolisista operaattoreista riippumattoman mobiilin tiedonsiirtojärjestelmän toteuttamisen koko kaukolämpöjärjestelmän alueelle. Työn aikana havaittiin myös, että uusien sovellusalueiden kanssa on vielä entistäkin tärkeämpää kiinnittää huomiota huolelliseen suunnitteluun, kustannuslaskelmiin sekä tietoturvaan, jotta voidaan toteuttaa luotettava, edullinen ja toimivalangaton tiedonsiirtojärjestelmä.

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Suitability of Ultra Wideband for Mobile Devices

Mobiililaitteet ovat kehittyneet merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Ne eivät enää ole pelkästään puhelimia tai kämmentietokoneita, vaan multimediatietokoneita, jotka pystyvät tuottamaan korkealaatuisia elämyksiä käyttäjälleen.Sisällön laadun paraneminen johtaa väistämättä myös siirrettävän tietomäärän kasvamiseen. Siksi uusia, nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä on otettava käyttöön. Ultra Wideband (UWB) on uusi radioaaltotekniikka, jokamahdollistaa korkeat tiedonsiirtonopeudet lyhyillä etäisyyksillä. Tekniikka operoi erittäin leveällä 3.1 - 10.6 gigahertsin taajuuskaistalla.UWB on suunnattu nopeaan, langattomaan tiedonsiirtoon personal area networkin (PAN) laitteiden välillä. Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida UWBn soveltuvuutta mobiililaitteisiin. Arviointi tehdään teoreettiselta pohjalta, sillä UWBtä ei vielä ole implementoitu kaupallisiin laitteisiin. Ensin esitellään UWBn tekniikka ja ominaisuudet, jonka jälkeen sen soveltuvuutta arvioidaan esimerkkikäyttötapausten valossa. Esimerkkikäyttötapauksiksi on valittu kolme tyypillistä mutta erilaista toimintoa, jotka mahdollisimman hyvin kuvaavat mobiililaitteiden käyttöä.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetusmahdollisuudet

Metsäpolttoaineen kysyntä kasvaa voimakkaasti johtuen päästökaupasta ja vaihtoehtoisten polttoaineiden hintatason kohoamisesta. Metsäpolttoaineen kysynnän kasvu aiheuttaa uusia vaatimuksia polttoaineen hankintaan. Hankintaa täytyy monipuolistaa ja laajentaa, jotta saataisiin riittävä määrä metsäpolttoainetta suurkäyttäjille. Hankintalogistiikkajärjestelmiä täytyy kehittää, jotta saataisiin metsäpolttoainetta kustannustehokkaasti suurkäyttäjille. Metsäpolttoaineiden kaukokuljetus rekalla ei ole kannattavaa pitkistä etäisyyksistä, sillä metsä-polttoaineiden energiamäärä suhteessa tilavuuteen on alhainen. Vesitiekuljetus on osoittautunut kustannustehokkaaksi raakapuun kuljetuksessa pitkillä etäisyyksillä. Vesitiekuljetus proomukalustolla voisi olla sopiva kuljetusmuoto myös metsäpolttoaineille. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää vesitiekuljetuksen mahdollisuuksia osana metsä-polttoaineiden hankintalogistiikkajärjestelmää. Julkaisussa käsiteltiin vesitiekuljetuksen sisältämää hankintalogistiikkajärjestelmää metsästä voimalaitokselle. Julkaisu koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä osassa käytiin läpi raakapuun ja metsäpolttoaineiden kaukokuljetusmuotoja. Toisessa osassa tarkasteltiin metsäpolttoaineiden hankintamenetelmiä. Kolmannessa osassa keskityttiin tarkastelemaan tarkemmin terminaalihaketusjärjestelmää osana metsäpolttoaineiden vesi-tiekuljetuksia. Tutkimus koostui asiantuntijahaastatteluista ja aikaisemmasta tutkimustiedosta. Tämä julkaisu auttaa hahmottamaan vesitiekuljetuksen mahdollisuuksia osana metsäpolttoaineiden hankintalogistiikkaa. Parhaimmillaan vesitiekuljetus mahdollistaa kustannustehokkaan vaihtoehdon laajentaa metsäpolttoaineiden hankinta-aluetta.

Logging residues from regeneration fellings for biofuel production - a GIS-based availability and supply cost analysis

Finland has large forest fuel resources. However, the use of forest fuels for energy production has been low, except for small-scale use in heating. According to national action plans and programs related to wood energy promotion, the utilization of such resources will be multiplied over the next few years. The most significant part of this growth will be based on the utilization of forest fuels, produced from logging residues of regeneration fellings, in industrial and municipal power and heating plants. Availability of logging residues was analyzed by means of resource and demand approaches in order to identify the most suitable regions with focus on increasing the forest fuel usage. The analysis included availability and supply cost comparisons between power plant sites and resource allocation in a least cost manner, and between a predefined power plant structure under demand and supply constraints. Spatial analysis of worksite factors and regional geographies were carried out using the GIS-model environment via geoprocessing and cartographic modeling tools. According to the results of analyses, the cost competitiveness of forest fuel supply should be improved in order to achieve the designed objectives in the near future. Availability and supply costs of forest fuels varied spatially and were very sensitive to worksite factors and transport distances. According to the site-specific analysis the supply potential between differentlocations can be multifold. However, due to technical and economical reasons ofthe fuel supply and dense power plant infrastructure, the supply potential is limited at plant level. Therefore, the potential and supply cost calculations aredepending on site-specific matters, where regional characteristics of resourcesand infrastructure should be taken into consideration, for example by using a GIS-modeling approach constructed in this study.

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.

Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Development of advanced silicon radiation detectors for harsh radiation environment

This thesis describes the development of advanced silicon radiation detectors and their characterization by simulations, used in the work for searching elementary particles in the European Organization for Nuclear Research, CERN. Silicon particle detectors will face extremely harsh radiation in the proposed upgrade of the Large Hadron Collider, the future high-energy physics experiment Super-LHC. The increase in the maximal fluence and the beam luminosity up to 1016 neq / cm2 and 1035 cm-2s-1 will require detectors with a dramatic improvement in radiation hardness, when such a fluence will be far beyond the operational limits of the present silicon detectors. The main goals of detector development concentrate on minimizing the radiation degradation. This study contributes mainly to the device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors with better characteristics. Also the defect engineering technology is discussed. In the nearest region of the beam in Super-LHC, the only detector choice is 3D detectors, or alternatively replacing other types of detectors every two years. The interest in the 3D silicon detectors is continuously growing because of their many advantages as compared to conventional planar detectors: the devices can be fully depleted at low bias voltages, the speed of the charge collection is high, and the collection distances are about one order of magnitude less than those of planar technology strip and pixel detectors with electrodes limited to the detector surface. Also the 3D detectors exhibit high radiation tolerance, and thus the ability of the silicon detectors to operate after irradiation is increased. Two parameters, full depletion voltage and electric field distribution, is discussed in more detail in this study. The full depletion of the detector is important because the only depleted area in the detector is active for the particle tracking. Similarly, the high electric field in the detector makes the detector volume sensitive, while low-field areas are non-sensitive to particles. This study shows the simulation results of full depletion voltage and the electric field distribution for the various types of 3D detectors. First, the 3D detector with the n-type substrate and partial-penetrating p-type electrodes are researched. A detector of this type has a low electric field on the pixel side and it suffers from type inversion. Next, the substrate is changed to p-type and the detectors having electrodes with one doping type and the dual doping type are examined. The electric field profile in a dual-column 3D Si detector is more uniform than that in the single-type column 3D detector. The dual-column detectors are the best in radiation hardness because of their low depletion voltages and short drift distances.