Monte Carlo Methods in Parameter Estimation of Nonlinear Models

Yksi keskeisimmistä tehtävistä matemaattisten mallien tilastollisessa analyysissä on mallien tuntemattomien parametrien estimointi. Tässä diplomityössä ollaan kiinnostuneita tuntemattomien parametrien jakaumista ja niiden muodostamiseen sopivista numeerisista menetelmistä, etenkin tapauksissa, joissa malli on epälineaarinen parametrien suhteen. Erilaisten numeeristen menetelmien osalta pääpaino on Markovin ketju Monte Carlo -menetelmissä (MCMC). Nämä laskentaintensiiviset menetelmät ovat viime aikoina kasvattaneet suosiotaan lähinnä kasvaneen laskentatehon vuoksi. Sekä Markovin ketjujen että Monte Carlo -simuloinnin teoriaa on esitelty työssä siinä määrin, että menetelmien toimivuus saadaan perusteltua. Viime aikoina kehitetyistä menetelmistä tarkastellaan etenkin adaptiivisia MCMC menetelmiä. Työn lähestymistapa on käytännönläheinen ja erilaisia MCMC -menetelmien toteutukseen liittyviä asioita korostetaan. Työn empiirisessä osuudessa tarkastellaan viiden esimerkkimallin tuntemattomien parametrien jakaumaa käyttäen hyväksi teoriaosassa esitettyjä menetelmiä. Mallit kuvaavat kemiallisia reaktioita ja kuvataan tavallisina differentiaaliyhtälöryhminä. Mallit on kerätty kemisteiltä Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja Åbo Akademista, Turusta.

Computational methods for tactical simulations

Tämä taktiikan tutkimus keskittyy tietokoneavusteisen simuloinnin laskennallisiin menetelmiin, joita voidaan käyttää taktisen tason sotapeleissä. Työn tärkeimmät tuotokset ovat laskennalliset mallit todennäköisyyspohjaisen analyysin mahdollistaviin taktisen tason taistelusimulaattoreihin, joita voidaan käyttää vertailevaan analyysiin joukkue-prikaatitason tarkastelutilanteissa. Laskentamallit keskittyvät vaikuttamiseen. Mallit liittyvät vahingoittavan osuman todennäköisyyteen, jonka perusteella vaikutus joukossa on mallinnettu tilakoneina ja Markovin ketjuina. Edelleen näiden tulokset siirretään tapahtumapuuanalyysiin operaation onnistumisen todennäköisyyden osalta. Pienimmän laskentayksikön mallinnustaso on joukkue- tai ryhmätasolla, jotta laskenta-aika prikaatitason sotapelitarkasteluissa pysyisi riittävän lyhyenä samalla, kun tulokset ovat riittävän tarkkoja suomalaiseen maastoon. Joukkueiden mies- ja asejärjestelmävahvuudet ovat jakaumamuodossa, eivätkä yksittäisiä lukuja. Simuloinnin integroinnissa voidaan käyttää asejärjestelmäkohtaisia predictor corrector –parametreja, mikä mahdollistaa aika-askelta lyhytaikaisempien taistelukentän ilmiöiden mallintamisen. Asemallien pohjana ovat aiemmat tutkimukset ja kenttäkokeet, joista osa kuuluu tähän väitöstutkimukseen. Laskentamallien ohjelmoitavuus ja käytettävyys osana simulointityökalua on osoitettu tekijän johtaman tutkijaryhmän ohjelmoiman ”Sandis”- taistelusimulointiohjelmiston avulla, jota on kehitetty ja käytetty Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa. Sandikseen on ohjelmoitu karttakäyttöliittymä ja taistelun kulkua simuloivia laskennallisia malleja. Käyttäjä tai käyttäjäryhmä tekee taktiset päätökset ja syöttää nämä karttakäyttöliittymän avulla simulointiin, jonka tuloksena saadaan kunkin joukkuetason peliyksikön tappioiden jakauma, keskimääräisten tappioiden osalta kunkin asejärjestelmän aiheuttamat tappiot kuhunkin maaliin, ammuskulutus ja radioyhteydet ja niiden tila sekä haavoittuneiden evakuointi-tilanne joukkuetasolta evakuointisairaalaan asti. Tutkimuksen keskeisiä tuloksia (kontribuutio) ovat 1) uusi prikaatitason sotapelitilanteiden laskentamalli, jonka pienin yksikkö on joukkue tai ryhmä; 2) joukon murtumispisteen määritys tappioiden ja haavoittuneiden evakuointiin sitoutuvien taistelijoiden avulla; 3) todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttömahdollisuus vertailevassa tutkimuksessa sekä 4) kokeellisesti testatut tulen vaikutusmallit ja 5) toimivat integrointiratkaisut. Työ rajataan maavoimien taistelun joukkuetason todennäköisyysjakaumat luovaan laskentamalliin, kenttälääkinnän malliin ja epäsuoran tulen malliin integrointimenetelmineen sekä niiden antamien tulosten sovellettavuuteen. Ilmasta ja mereltä maahan -asevaikutusta voidaan tarkastella, mutta ei ilma- ja meritaistelua. Menetelmiä soveltavan Sandis -ohjelmiston malleja, käyttötapaa ja ohjelmistotekniikkaa kehitetään edelleen. Merkittäviä jatkotutkimuskohteita mallinnukseen osalta ovat muun muassa kaupunkitaistelu, vaunujen kaksintaistelu ja maaston vaikutus tykistön tuleen sekä materiaalikulutuksen arviointi.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Time consumption analysis of the mechanized cut-to-length harvesting system

[Abstract]

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

Value added logistics in supply and demand chains. Smile. Part 1. eBusiness between global company and itslocal sme supplier network

VALOSADE (Value Added Logistics in Supply and Demand Chains) is the research project of Anita Lukka's VALORE (Value Added Logistics Research) research team inLappeenranta University of Technology. VALOSADE is included in ELO (Ebusiness logistics) technology program of Tekes (Finnish Technology Agency). SMILE (SME-sector, Internet applications and Logistical Efficiency) is one of four subprojects of VALOSADE. SMILE research focuses on case network that is composed of small and medium sized mechanical maintenance service providers and global wood processing customers. Basic principle of SMILE study is communication and ebusiness insupply and demand network. This first phase of research concentrates on creating backgrounds for SMILE study and for ebusiness solutions of maintenance case network. The focus is on general trends of ebusiness in supply chains and networksof different industries; total ebusiness system architecture of company networks; ebusiness strategy of company network; information value chain; different factors, which influence on ebusiness solution of company network; and the correlation between ebusiness and competitive advantage. Literature, interviews and benchmarking were used as research methods in this qualitative case study. Networks and end-to-end supply chains are the organizational structures, which can add value for end customer. Information is one of the key factors in these decentralized structures. Because of decentralization of business, information is produced and used in different companies and in different information systems. Information refinement services are needed to manage information flows in company networksbetween different systems. Furthermore, some new solutions like network information systems are utilised in optimising network performance and in standardizingnetwork common processes. Some cases have however indicated, that utilization of ebusiness in decentralized business model is not always a necessity, but value-add of ICT must be defined case-specifically. In the theory part of report, different ebusiness and architecture models are introduced. These models are compared to empirical case data in research results. The biggest difference between theory and empirical data is that models are mainly developed for large-scale companies - not for SMEs. This is due to that implemented network ebusiness solutions are mainly large company centered. Genuine SME network centred ebusiness models are quite rare, and the study in that area has been few in number. Business relationships between customer and their SME suppliers are nowadays concentrated more on collaborative tactical and strategic initiatives besides transaction based operational initiatives. However, ebusiness systems are further mainly based on exchange of operational transactional data. Collaborative ebusiness solutions are in planning or pilot phase in most case companies. Furthermore, many ebusiness solutions are nowadays between two participants, but network and end-to-end supply chain transparency and information systems are quite rare. Transaction volumes, data formats, the types of exchanged information, information criticality,type and duration of business relationship, internal information systems of partners, processes and operation models (e.g. different ordering models) differ among network companies, and furthermore companies are at different stages on networking and ebusiness readiness. Because of former factors, different customer-supplier combinations in network must utilise totally different ebusiness architectures, technologies, systems and standards.

Tehdaslogistiikka : value added logistics of the supply and demand chain costfix

VALOSADE (Value Added Logistics in Supply and Demand Chains) on Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja sielläprofessori Anita Lukan VALORE -tutkimusryhmän toteuttama tutkimusprojekti, jonka rahoittaja on ollut Tekes. Projekti on osa Tekesin ELO - Elektronisen liiketoiminnan logistiikka - teknologiaohjelmaa. Tutkimusta rahoittivat Tekesin lisäksi neljä yritystä, jotka toimivat myös tutkimustyön kohteina ja toimivat tarpeen mukaan yhteistyössä tutkijoiden kanssa. Yritysten toimialat ovat metsäteollisuus, laitevalmistaja, joka tarjoaa myös tuotteilleen jälkimarkkinapalveluja sekä kaksi logistiikkapalveluyritystä. Tämä työraportti liittyy VALOSADE - tutkimusprojektin osaprojektiin Costfix (Paper Mill Process - from Fixed Costs into Variable Costs). Costfix - projektin tavoitteena on tutkia ja löytää paperiteollisuudelle uusia toimintamalleja, jotka mahdollistavat kiinteiden kustannusten muuttamisen muuttuviksi. Merkittävä tutkimuksen osa-alue on myös tutkimuskohteiden liike-toiminnan nykytilan aiempaa tarkempi selvittäminen. Tämä työraportti käsittelee kunnossapidon materiaalilogistiikan osalta tehtaan sisällä tapahtuvaa toimintaa, josta tässä tutkimuksessa käytetään nimitystä tehdaslogistiikka. Nykytilaselvityksen perusteella nykyinen prosessiteollisuudessa ja myös pääsääntöisesti valmistavassa teollisuudessa yleisesti vallitseva teollisuusyrityksen käyttöinvestointia ylläpitävän palveluprosessin toimintarakenne, johtamistapa ja prosessin operatiivisten tehtävien toimenkuvat eivät tue ko. palvelukokonaisuuden tehokasta ja tuloksellista toteuttamista. Nykymuotoinen toimintamalli pikemminkin rajoittaa toimintaprosessin kokonaishallintaa ja sen tehostamiseksi investoitujen uusien teknisten ratkaisujen ja teknologian käyttöönottoa. Lisäksi yleisesti vallitseva toimintakulttuuri (mm. arvokäsitykset, uskomukset sekä toiminnan ja tavoitteiden taustalla olevat motiivit) sekä vaikeuttaa nykyisen ja tulevan kilpailutilanteen edellyttämien tehokkuus- ja tuottavuustavoitteiden toteutumista että hidastaa uudistusten onnistumista edellyttävän muutoksen etenemistä yrityksen sisällä. Tutkimuksen tulokset vahvistivat osaltaan sen, että tehdas- ja toimintokeskeinen johtaminen aiheuttavat palveluprosessin eri tehtäville asetettujen tavoitteiden ja perustehtäväkäsityksen välille ristiriitoja, joista seuraa sekä suoria että välillisiä vaikutuksia teollisuusyrityksen tuotantoprosessin toiminnan laatuun ja tuotantolaitteiden käyttövarmuuteen. Palvelukokonaisuuteen kuuluvien eri toimintaprosessien tehtävät on jaettu ristiriitaisesti toiminnoille siten, että erityisestikunnossapidon teknisten toimihenkilöitten hoidettavana on sekä ihmisen henkilökohtaisen kapasiteettirajan ylittävä että toisistaan liian suuri erilaisia osaamisia ja ymmärrystä edellyttävä tehtävämäärä. Nykytilan palvelutuotannossa esiintyvien ongelmien seuraukset ja perussyyt osoittavat, että merkittävästi pääomia sitovan valmistavan teollisuuden (mm. prosessiteollisuus) käyttö-omaisuutta ylläpitävän palveluprosessin hallinta on ulkoistettava tehdastasolta itsenäisesti hoidettavaksi liiketoimintakokonaisuudeksi, jonka operatiivinen johtaminen tapahtuu toimintaprosesseittain konsernin ylätasolta käsin. Johtamismallissa painottuu prosessijohtaminen ja oman vastuualueen toimintaprosessin asiantuntemus. Lisäksi ihmisen osaamiseen, ymmärrykseen ja toimintatapaan perustuva palvelu edellyttää johtamiselta henkilöjohtamistaitoa ja osaamisen johtamista. Liiketoiminnan uudenlainen keskittyminen, verkostoituminen ja globalisoituminen edellyttävät johdoltamyös erilaisten toimintaverkostojen ja sidosryhmien toiminnan ja tarpeen ymmärtämistä. Tutkimustulosten perusteella myös palveluprosesseissa toimivien toimihenkilöitten tehtäväkuvia on muutettava radikaalisti ja osa uusista toimenkuvista edellyttää lisäksi henkilöitten osaamistason aktiivista parantamista. Tässä raportissa esitetään toimintamalli, jossa kuvataan tutkimuksen pohjalta luotu palvelukokonaisuuden johtamismalli ja palveluprosessien eri tehtävätasot tehtävineen. Kuvattu johtamismalli on ollut jo yleisesti käytössä yksittäisillä palvelualoilla, mutta tässä esitetty malli on valmistavan yrityksen teknisiin tukipalveluihin muokattu sovellus.

A comparative performance study of four-pole induction motors and synchronous reluctance motors in variable speed drives

Design aspects of the Transversally Laminated Anisotropic (TLA) Synchronous Reluctance Motor (SynRM) are studied and the machine performance analysis compared to the Induction Motor (IM) is done. The SynRM rotor structure is designed and manufactured for a30 kW, four-pole, three-phase squirrel cage induction motor stator. Both the IMand SynRM were supplied by a sensorless Direct Torque Controlled (DTC) variablespeed drive. Attention is also paid to the estimation of the power range where the SynRM may compete successfully with a same size induction motor. A technicalloss reduction comparison between the IM and SynRM in variable speed drives is done. The Finite Element Method (FEM) is used to analyse the number, location and width of flux barriers used in a multiple segment rotor. It is sought for a high saliency ratio and a high torque of the motor. It is given a comparison between different FEM calculations to analyse SynRM performance. The possibility to take into account the effect of iron losses with FEM is studied. Comparison between the calculated and measured values shows that the design methods are reliable. A new application of the IEEE 112 measurement method is developed and used especially for determination of stray load losses in laboratory measurements. The study shows that, with some special measures, the efficiency of the TLA SynRM is equivalent to that of a high efficiency IM. The power factor of the SynRM at rated load is smaller than that of the IM. However, at lower partial load this difference decreases and this, probably, brings that the SynRM gets a better power factor in comparison with the IM. The big rotor inductance ratio of the SynRM allows a good estimating of the rotor position. This appears to be very advantageous for the designing of the rotor position sensor-less motor drive. In using the FEM designed multi-layer transversally laminated rotor with damper windings it is possible to design a directly network driven motor without degrading the motorefficiency or power factor compared to the performance of the IM.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Consignment Stock Concept for Corporation’s Inbound Logistics

Kaupintavaraston käyttäminen yrityksen hankintalogistiikassa vapauttaa varastoihin sitoutuneita pääomia, parantaa palveluastetta ja syventää asiakkaan ja toimittajan välistä yhteistyötä. Tulevaisuudessa menetelmää tullaan käyttämään laajenevassa määrin keinona logistisen kilpailukyvyn ja kustannustehokkuuden parantamisessa.Tämän työn tavoitteena oli selvittää yrityksen hankintalogistiikkaan soveltuvan kaupintavarastontoiminnan vaatimukset ja kehittää konsernin eri toimialoille yhtenäinen konsepti. Selvitys aloitettiin tutkimalla kirjallisuutta ja yrityksen asiakkaalla käytössä olevaa kaupintavarastoratkaisua, jonka jälkeen käytännön ongelmia kartoitettiin pilottiprojektin avulla.Tuloksena saatiin konsepti, jossa on käsitelty kaupintavaraston käyttöönottoa varten tarvittavat erityispiirteet kansainvälisessä kaupankäynnissä. Toimittajien ja toimitusketjujen erilaisista rakenteista johtuen yksityiskohdat on mietittävä jokaisen toimittajan kanssa erikseen.