Stand dynamics modelling approaches for multicohort management of eastern Canadian boreal forests

Abstract

Combining Advanced Forecasting Methods with System Dynamics - the Case of Finnish Seaports

Seaports play an important part in the wellbeing of a nation. Many nations are highly dependent on foreign trade and most trade is done using sea vessels. This study is part of a larger research project, where a simulation model is required in order to create further analyses on Finnish macro logistical networks. The objective of this study is to create a system dynamic simulation model, which gives an accurate forecast for the development of demand of Finnish seaports up to 2030. The emphasis on this study is to show how it is possible to create a detailed harbor demand System Dynamic model with the help of statistical methods. The used forecasting methods were ARIMA (autoregressive integrated moving average) and regression models. The created simulation model gives a forecast with confidence intervals and allows studying different scenarios. The building process was found to be a useful one and the built model can be expanded to be more detailed. Required capacity for other parts of the Finnish logistical system could easily be included in the model.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.

Determining vehicle drivetrain dynamics using system identification

Target of this book is to propose an approach for modelling drivetrain dynamics in order to design further a vibration control system of a hybrid bus. In this thesis two approaches are examined and compared. First model is obtained by theoretical means: drivetrain is represented as a system of rotating masses, which motion is described with differential equations. Second model is obtained using system identification method: mathematical description of the dynamic behavior of a system is formed based on measured input (torque) and output (speed) data. Then two models are compared and an optimal approach is suggested.

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Environmental inFluences on the Adoption of Open Innovation: Analysis of Structural, Institutional and Cultural Impacts

The concept of open innovation has recently gained widespread attention, and is particularly relevant now as many firms endeavouring to implement open innovation, face different sets of challenges associated with managing it. Prior research on open innovation has focused on the internal processes dealing with open innovation implementation and the organizational changes, already taking place or yet required in companies order to succeed in the global open innovation market. Despite the intensive research on open innovation, the question of what influences its adoption by companies in different contexts has not received much attention in studies. To fill this gap, this thesis contribute to the discussion on open innovation influencing factors by bringing in the perspective of environmental impacts, i.e. gathering data on possible sources of external influences, classifying them and testing their systemic impact through conceptual system dynamics simulation model. The insights from data collection and conceptualization in modelling are used to answer the question of how the external environment affects the adoption of open innovation. The thesis research is presented through five research papers reflecting the method triangulation based study (conducted at initial stage as case study, later as quantitative analysis and finally as system dynamics simulation). This multitude of methods was used to collect the possible external influence factors and to assess their impact (on positive/negative scale rather than numerical). The results obtained throughout the thesis research bring valuable insights into understanding of open innovation influencing factors inside a firm’s operating environment, point out the balance required in the system for successful open innovation performance and discover the existence of tipping point of open innovation success when driven by market dynamics and structures. The practical implications on how firms and policy-makers can leverage environment for their potential benefits are offered in the conclusions.

The Impact of National Innovation System on Entrepreneurial Venture Creation Process

The important role of entrepreneurship in countries’ economic development and overall society well-being is widely recognized by researchers, experts as well as policy makers. Every phase of the process of starting a new business is related to the interaction with at least one player of country innovation system and therefore the efficiency of this interaction may have an influence on the success of whole entrepreneurial process and consequently on the willingness of potential entrepreneurs to engage into this process. The study proposes a System Dynamics model for studying the impact of National Innovation System (NIS) on the entrepreneurial venture creation process. The developed model also takes country population aspect into account and provides results for estimation the effect various demographic tendencies on the process performance. The special impact is made on possible ways to facilitate the development of entrepreneurial framework conditions. Business incubators are seen as one of the effective tool for accomplishing such task. The study also provides the result for estimation of possible impact arising from properly functioned Business Incubators.

Quantitative refinement of reaction-based biomodels

In the field of molecular biology, scientists adopted for decades a reductionist perspective in their inquiries, being predominantly concerned with the intricate mechanistic details of subcellular regulatory systems. However, integrative thinking was still applied at a smaller scale in molecular biology to understand the underlying processes of cellular behaviour for at least half a century. It was not until the genomic revolution at the end of the previous century that we required model building to account for systemic properties of cellular activity. Our system-level understanding of cellular function is to this day hindered by drastic limitations in our capability of predicting cellular behaviour to reflect system dynamics and system structures. To this end, systems biology aims for a system-level understanding of functional intraand inter-cellular activity. Modern biology brings about a high volume of data, whose comprehension we cannot even aim for in the absence of computational support. Computational modelling, hence, bridges modern biology to computer science, enabling a number of assets, which prove to be invaluable in the analysis of complex biological systems, such as: a rigorous characterization of the system structure, simulation techniques, perturbations analysis, etc. Computational biomodels augmented in size considerably in the past years, major contributions being made towards the simulation and analysis of large-scale models, starting with signalling pathways and culminating with whole-cell models, tissue-level models, organ models and full-scale patient models. The simulation and analysis of models of such complexity very often requires, in fact, the integration of various sub-models, entwined at different levels of resolution and whose organization spans over several levels of hierarchy. This thesis revolves around the concept of quantitative model refinement in relation to the process of model building in computational systems biology. The thesis proposes a sound computational framework for the stepwise augmentation of a biomodel. One starts with an abstract, high-level representation of a biological phenomenon, which is materialised into an initial model that is validated against a set of existing data. Consequently, the model is refined to include more details regarding its species and/or reactions. The framework is employed in the development of two models, one for the heat shock response in eukaryotes and the second for the ErbB signalling pathway. The thesis spans over several formalisms used in computational systems biology, inherently quantitative: reaction-network models, rule-based models and Petri net models, as well as a recent formalism intrinsically qualitative: reaction systems. The choice of modelling formalism is, however, determined by the nature of the question the modeler aims to answer. Quantitative model refinement turns out to be not only essential in the model development cycle, but also beneficial for the compilation of large-scale models, whose development requires the integration of several sub-models across various levels of resolution and underlying formal representations.

Structural dynamics in the global pulp and paper industry

The pulp and paper industry is currently facing broad structural changes due to global shifts in demand and supply. These changes have significant impacts on national economies worldwide. Planted forests (especially eucalyptus) and recovered paper have quickly increased their importance as raw material for paper and paperboard production. Although advances in information and communication technologies could reduce the demand for communication papers, and the growth of paper consumption has indeed flattened in developed economies, particularly in North America and Western Europe, the consumption is increasing on a global scale. Moreover, the focal point of production and consumption is moving from the Western world to the rapidly growing markets of Southeast Asia. This study analyzes how the so-called megatrends (globalization, technological development, and increasing environmental awareness) affect the pulp and paper industry’s external environment, and seeks reliable ways to incorporate the impact of the megatrends on the models concerning the demand, trade, and use of paper and pulp. The study expands current research in several directions and points of view, for example, by applying and incorporating several quantitative methods and different models. As a result, the thesis makes a significant contribution to better understand and measure the impacts of structural changes on the pulp and paper industry. It also provides some managerial and policy implications.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

SAP R/3 -toimimianohjausjärjestelmän käytettävyyden parantaminen metsäteollisuusyrityksessä

Työn tavoitteena on parantaa SAP R/3-järjestelmän käytettävyyttä muutoksenhallintaprosessia mallintamalla. Työn alussa selkeytetään järjestelmän käytön nykytilaa yrityksessä sekä käyttäjien vaatimia parannuskohteita. Työn teoriaosassa käsitellään asiakasnäkökulmasta prosessien kehittämisen sekä niiden mallintamisen teoriaa. Teoriaosassa haetaan vastauksia järjestelmiin liittyviin kysymyksiin: - Kuinka selkeytetään käyttöönottoa sekä hyödynnetään toiminnan prosessilähtöistä kehittämistä? - Kuinka asiakastarpeita kartoittamalla huomioidaan käyttäjien tulevat taipeet? - Miten prosessimallintaminen lisää käyttäjien luottamusta ja yrityksen kilpailukykyä? Soveltavassa osassa tutkitaan vika- ja pienkehityspyyntöjen hallintaa ARIS-mallinnuksen avulla. Toimintoketjun avulla luodaan M-real-konsemissa käyttäjien ja palveluntarjoajan yhteinen toimintamalli. Prosessin omistajuus, käyttäjien liittymäpinta sekä toiminnan organisointi huomioidaan kaikkien osapuolten kesken

Estimating the Price and Demand Development of Some Paperboard Grades

Työn tavoitteena oli luoda malli, jonka avulla voitaisiin ennustaa kartonkituotteiden hinnan ja kysynnän kehitystä. Työssä kerättiin aluksi tietoa kartonkimarkkinoista haastattelujen ja tilastotietojen avulla. Näiden perusteella luotiin malli, joka kuvaa kartonkimarkkinoiden ja -teollisuuden rakennetta. Erityisesti kiinnitettiin huomiota asiakkaiden tilauskäyttäytymiseen, tuotannonohjaukseen sekä hinnan muodostumiseen. Työssä käytettiin ennustemenetelmänä systeemidynamiikkaa. Oleellista oli löytää systeemissä esiintyvät tärkeimmät takaisinkytkennät ja systeemin avainmuuttujat. Kun kaikille mallin muuttujille oli määritetty yhtälöt ja vakioille annettu arvot, voitiin mallia simuloida, ja saada ennusteet halutuille muuttujille. Työssä esitettiin ennusteet kartonkimarkkinoiden tärkeimmille parametreille kahden vuoden päähän. Työssä tarkasteltiin myös, miten muutokset mallin käyttäytymistä säätelevissä muuttujissa vaikuttavat tuloksiin. Jotta pystyttäisiin paremmin selvittämään koko kartonkiteollisuuden dynamiikka, lisätutkimusta tarvittaisiin vielä eri kartonkilajien substituutiomahdollisuuksista ja hintojen riippuvuuksista. Mielenkiintoista olisi myös tietää, miten tuotannon käyttöasteiden muutokset ja hinnan vaihtelut vaikuttavat liiketoiminnan kannattavuuteen valmistajien näkökulmasta.

Etelä-Karjalan aluebarometri

Tutkimuksen päätavoitteena oli rakentaa Etelä-Karjalan maakunnan alueellinen suhdannebarometri. Aluebarometrilla kuvataan ja analysoidaan alueen toimialojen tuotannon ja työllisyyden kehitystä sekä nykytilannetta tuoreilla, havainnollisilla ja luotettavilla indikaattoreilla. Tutkimusmenetelmänä on konstruktiivinen tutkimus. Aluebarometri toteutettiin kyselytutkimuksena 454:ltä yritykseltä Etelä-Karjalan alueella keväällä 2002. Tulokset on raportoitu toimialoittain sisältäen kyselytutkimuksen 11 indikaattoria sekä kaksi tilastollista muuttujaa. Teoriaosassa tarkasteltiin aluetalouden rakentumista, aluekehitystä, yritysten sijaintiteorioita ja systeemidynamiikkaa. Barometrin konstruoinnin lisäksi empiirisessä osassa analysoitiin maakunnan yritystoiminnan ja toimialarakenteen tyypillisiä piirteitä sekä selvitettiin barometrin käyttäjäkunnan tietotarpeita. Tutkimustulosten mukaan Etelä-Karjalan yritykset odottavat aluebarometrin indikaattoreiden kehittyvän seuraavan kuuden kuukauden ajanjaksolla lievästi myönteiseen suuntaan. Myönteisintä kehitystä odotetaan myynnin ja Venäjän yleisen suhdannetilanteen suhteen. Toimialoista positiivisimmat odotukset ovat informaatioteknologian, liike-elämän palveluiden, muiden palveluiden sekä kaupan aloilla, heikoimmat puolestaan rakentamisen alalla.