Increasing the efficiency of disparity computation by interpolation

Tässä diplomityössä tutkitaan dispariteettikartan laskennan tehostamista interpoloimalla. Kolmiomittausta käyttämällä stereokuvasta muodostetaan ensin harva dispariteettikartta, jonka jälkeen koko kuvan kattava dispariteettikartta muodostetaan interpoloimalla. Kolmiomittausta varten täytyy tietää samaa reaalimaailman pistettä vastaavat kuvapisteet molemmissa kameroissa. Huolimatta siitä, että vastaavien pisteiden hakualue voidaan pienentää kahdesta ulottuvuudesta yhteen ulottuvuuteen käyttämällä esimerkiksi epipolaarista geometriaa, on laskennallisesti tehokkaampaa määrittää osa dispariteetikartasta interpoloimalla, kuin etsiä vastaavia kuvapisteitä stereokuvista. Myöskin johtuen stereonäköjärjestelmän kameroiden välisestä etäisyydestä, kaikki kuvien pisteet eivät löydy toisesta kuvasta. Näin ollen on mahdotonta määrittää koko kuvan kattavaa dispariteettikartaa pelkästään vastaavista pisteistä. Vastaavien pisteiden etsimiseen tässä työssä käytetään dynaamista ohjelmointia sekä korrelaatiomenetelmää. Reaalimaailman pinnat ovat yleisesti ottaen jatkuvia, joten geometrisessä mielessä on perusteltua approksimoida kuvien esittämiä pintoja interpoloimalla. On myöskin olemassa tieteellistä näyttöä, jonkamukaan ihmisen stereonäkö interpoloi objektien pintoja.

Data-parallel computation in parallel and distributed environments

The past few decades have seen a considerable increase in the number of parallel and distributed systems. With the development of more complex applications, the need for more powerful systems has emerged and various parallel and distributed environments have been designed and implemented. Each of the environments, including hardware and software, has unique strengths and weaknesses. There is no single parallel environment that can be identified as the best environment for all applications with respect to hardware and software properties. The main goal of this thesis is to provide a novel way of performing data-parallel computation in parallel and distributed environments by utilizing the best characteristics of difference aspects of parallel computing. For the purpose of this thesis, three aspects of parallel computing were identified and studied. First, three parallel environments (shared memory, distributed memory, and a network of workstations) are evaluated to quantify theirsuitability for different parallel applications. Due to the parallel and distributed nature of the environments, networks connecting the processors in these environments were investigated with respect to their performance characteristics. Second, scheduling algorithms are studied in order to make them more efficient and effective. A concept of application-specific information scheduling is introduced. The application- specific information is data about the workload extractedfrom an application, which is provided to a scheduling algorithm. Three scheduling algorithms are enhanced to utilize the application-specific information to further refine their scheduling properties. A more accurate description of the workload is especially important in cases where the workunits are heterogeneous and the parallel environment is heterogeneous and/or non-dedicated. The results obtained show that the additional information regarding the workload has a positive impact on the performance of applications. Third, a programming paradigm for networks of symmetric multiprocessor (SMP) workstations is introduced. The MPIT programming paradigm incorporates the Message Passing Interface (MPI) with threads to provide a methodology to write parallel applications that efficiently utilize the available resources and minimize the overhead. The MPIT allows for communication and computation to overlap by deploying a dedicated thread for communication. Furthermore, the programming paradigm implements an application-specific scheduling algorithm. The scheduling algorithm is executed by the communication thread. Thus, the scheduling does not affect the execution of the parallel application. Performance results achieved from the MPIT show that considerable improvements over conventional MPI applications are achieved.

Optimizing Customer Energy Invoice Calculation with Parallel Computation

Diplomityön tarkoituksena on optimoida asiakkaiden sähkölaskun laskeminen hajautetun laskennan avulla. Älykkäiden etäluettavien energiamittareiden tullessa jokaiseen kotitalouteen, energiayhtiöt velvoitetaan laskemaan asiakkaiden sähkölaskut tuntiperusteiseen mittaustietoon perustuen. Kasvava tiedonmäärä lisää myös tarvittavien laskutehtävien määrää. Työssä arvioidaan vaihtoehtoja hajautetun laskennan toteuttamiseksi ja luodaan tarkempi katsaus pilvilaskennan mahdollisuuksiin. Lisäksi ajettiin simulaatioita, joiden avulla arvioitiin rinnakkaislaskennan ja peräkkäislaskennan eroja. Sähkölaskujen oikeinlaskemisen tueksi kehitettiin mittauspuu-algoritmi.

Potential and Challenges of Analog Reconfigurable Computation in Modern and Future CMOS

In this work, the feasibility of the floating-gate technology in analog computing platforms in a scaled down general-purpose CMOS technology is considered. When the technology is scaled down the performance of analog circuits tends to get worse because the process parameters are optimized for digital transistors and the scaling involves the reduction of supply voltages. Generally, the challenge in analog circuit design is that all salient design metrics such as power, area, bandwidth and accuracy are interrelated. Furthermore, poor flexibility, i.e. lack of reconfigurability, the reuse of IP etc., can be considered the most severe weakness of analog hardware. On this account, digital calibration schemes are often required for improved performance or yield enhancement, whereas high flexibility/reconfigurability can not be easily achieved. Here, it is discussed whether it is possible to work around these obstacles by using floating-gate transistors (FGTs), and analyze problems associated with the practical implementation. FGT technology is attractive because it is electrically programmable and also features a charge-based built-in non-volatile memory. Apart from being ideal for canceling the circuit non-idealities due to process variations, the FGTs can also be used as computational or adaptive elements in analog circuits. The nominal gate oxide thickness in the deep sub-micron (DSM) processes is too thin to support robust charge retention and consequently the FGT becomes leaky. In principle, non-leaky FGTs can be implemented in a scaled down process without any special masks by using “double”-oxide transistors intended for providing devices that operate with higher supply voltages than general purpose devices. However, in practice the technology scaling poses several challenges which are addressed in this thesis. To provide a sufficiently wide-ranging survey, six prototype chips with varying complexity were implemented in four different DSM process nodes and investigated from this perspective. The focus is on non-leaky FGTs, but the presented autozeroing floating-gate amplifier (AFGA) demonstrates that leaky FGTs may also find a use. The simplest test structures contain only a few transistors, whereas the most complex experimental chip is an implementation of a spiking neural network (SNN) which comprises thousands of active and passive devices. More precisely, it is a fully connected (256 FGT synapses) two-layer spiking neural network (SNN), where the adaptive properties of FGT are taken advantage of. A compact realization of Spike Timing Dependent Plasticity (STDP) within the SNN is one of the key contributions of this thesis. Finally, the considerations in this thesis extend beyond CMOS to emerging nanodevices. To this end, one promising emerging nanoscale circuit element - memristor - is reviewed and its applicability for analog processing is considered. Furthermore, it is discussed how the FGT technology can be used to prototype computation paradigms compatible with these emerging two-terminal nanoscale devices in a mature and widely available CMOS technology.

Optimointijärjestelmän kehittäminen sähköä ja lämpöä tuottavaan voimalaitokseen

Työn tavoitteena oli kehittää automaattinen optimointijärjestelmä energiayhtiön omistamaan pieneen sähkön- ja lämmöntuotantolaitokseen (CHP-laitos). Optimointitarve perustuu energiayhtiön sähkön hankintaan sähköpörssistä, kaasun hankintahintaan, kohteen paikallisiin sähkö- ja lämpökuormituksiin ja muihin laitoksen talouteen vaikuttaviin tekijöihin. Kehitettävällä optimointijärjestelmällä ontarkoitus tulevaisuudessa hallita useita hajautetun energiantuotannon yksiköitäkeskitetysti. Työssä kehitettiin algoritmi, joka optimoi voimalaitoksen taloutta sähkötehoa säätävillä ajomalleilla ja suoralla sähköteho-ohjeella. Työssä kehitetyn algoritmin tuottamia hyötyjä selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksen mittaushistoriatiedoilla. CHP-laitosten käytön optimointiin luotiin keskitettyyn laskentaan ja hajautettuun ohjaukseen perustuva järjestelmä. Se ohjaa CHP-laitoksia reaaliaikaisesti ja ennustaa historiatietoihin perustuvalla aikasarjamallilla laitoksen tulevaa käyttöä. Optimointijärjestelmän toimivuus ja saatu hyöty selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksella vertaamalla mittauksista laskettua toteutunutta hyötyä optimointijärjestelmän laskemaan ennustettuun hyötyyn.

Oulun Energian kaukolämpöverkoston ja -tuotannon kehitys vuosina 2006 - 2020

Tässä diplomityössä on tarkasteltu Oulun Energian kaukolämpötoiminnan kehitystä lähitulevaisuudessa. Työn yhteydessä selvitettiin nykyisessä tilanteessa mitoituslämpötilaa -32 oC vastaava tehotilastollisen analyysin avulla ja laadittiin kasvuennuste kaukolämmityksen tehontarpeesta seuraavalle viidelletoista vuodelle. Kasvuennusteen perusteella on tehty tarkastelu kaukolämmön varatehon riittävyydestä. Verkoston tehonsiirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa on tarkasteltu Process VisioninGrades Heating -verkostolaskentaohjelmiston avulla. Tarkastelun perusteella kaukolämpöverkoston siirtokyky on kohtalaisen hyvä. Verkoston ongelmakohtia ovat länsi-itäsuunnassa olevat siirtolinjat. Varatehon määrä tulee laskemaan lähivuosina alle suositeltavan määrän, mikäli uutta lämmöntuotantokapasiteettia ei rakenneta. Alkuvaiheessa paras ratkaisu tilanteen korjaamiseksi olisi uusien lämpökeskusten rakentaminen sekä kaupungin etelä- että itä-osiin. 2010-luvulla tarve uuden voimalaitoksen rakentamiselle kaukolämpötehon tarpeen kattamiseksi tulee kasvamaan.

Transonic flow past on enlarged missile nose parts

Numerical computation of a viscid heat-conducting transonic flow over a generic commercial rocket profile with symmetric oversized nose part was carried out. It has been shown that at zero angle of attack for some free-streamvelocity value flow pattern loses its symmetry. This results in non-uniform pressure distribution on rocket surface in angle direction which may yield in additional oscillating stress on the rocket. Also it has been found that obtained non-symmetric flow patterns are stable for small velocity perturbations.

Arvonmääritysmallin kehittäminen sijoittajan näkökulmasta: Case F-secure

Työn tavoitteena on kehittää Microsoft Excel -taulukkolaskentaohjelmaan pohjautuva arvonmääritysmalli. Mallin avulla osaketutkimusta tekevät analyytikot ja sijoittajat voivat määrittää osakkeen fundamenttiarvon. Malli kehitetään erityisesti piensijoittajien työkaluksi. Työn toisena tavoitteena on soveltaa kehitettyä arvonmääritysmallia case-yrityksenä toimivan F-Securen arvonmäärityksessä ja selvittää mallin avulla onko F-Securen osake pörssissä fundamentteihin nähden oikein hinnoiteltu. Työn teoriaosassa esitellään arvonmäärityksen käyttökohteet ja historia, arvonmääritysprosessin vaiheet (strateginen analyysi, tilinpäätösanalyysi, tulevaisuuden ennakointi, yrityksen arvon laskeminen), pääoman kustannuksen määrittäminen ja sijoittajan eri arvonmääritysmenetelmät, joita ovat diskontattuun kassavirtaan perustuvassa arvonmäärityksessä käytettävät mallit sekä suhteellisen arvonmäärityksentunnusluvut. Empiirinen osa käsittää arvonmääritysmallin kehittämisen ja rakenteen kuvauksen sekä F-Securen arvonmääritysprosessin. Vaikka F-Securen tulevaisuus näyttää varsin valoisalta, osake on hinnoiteltu markkinoilla tällä hetkellä(23.02.2006) korkeammalle kuin näihin odotuksiin nähden olisi järkevää. Eri menetelmät antavat osakkeelle arvoja 2,25 euron ja 2,97 euron väliltä. Kehitetty Excel -malli määrittää F-Securen osakkeen tavoitehinnaksi eri menetelmien mediaanina 2,29 euroa. Tutkimuksen tuloksena F-Securen osaketta voidaan pitää yliarvostettuna, sillä sen hinta pörssissä on 3,05 euroa.

Sukupuolten sosiaalinen rakentuminen lukion opettajien puheessa

Tutkielman tavoite on selvittää, minkälaisia diskursseja lukion opettajat käyttävät puhuessaan sukupuolista ja millaisia sosiaalisia sukupuolia he puheessaan uusintavat. Tarkoituksena on tuoda näkyviin sellaisia diskursseja, joilla tytöistä ja pojista rakennetaan erilaisia. Teemahaastatteluja analysoidaan diskurssi-analyysin avulla. Opettajien puheissa toistuneesta kolmesta diskurssista kaksi, perinne- ja tiedediskurssi, uusintavat sellaisia sosiaalisia sukupuolia, joissa miehille ja naisille rakennettiin selvästi toisistaan poikkeavat roolit työ- ja perhe-elämään. Perinnediskurssilla pojista rakennettiin rohkeita, kun taas tytöistä tunnollisia ja syrjään vetäytyviä. Tiedediskurssilla rakennettiin sellaista sosiaalista todellisuutta, jossa matematiikka sopi paremmin pojille ja kielet tytöille. Kolmas käytetty diskurssi oli kykydiskurssi, joka ei uusintanut miesten ja naisten välisiä eroja,vaan rakensi sellaista sosiaalista todellisuutta, jossa kaikilla on sukupuolesta riippumattomat mahdollisuudet menestyä.

Introducing massively parallel computers into operational weather forecasting

Numerical weather prediction and climate simulation have been among the computationally most demanding applications of high performance computing eversince they were started in the 1950's. Since the 1980's, the most powerful computers have featured an ever larger number of processors. By the early 2000's, this number is often several thousand. An operational weather model must use all these processors in a highly coordinated fashion. The critical resource in running such models is not computation, but the amount of necessary communication between the processors. The communication capacity of parallel computers often fallsfar short of their computational power. The articles in this thesis cover fourteen years of research into how to harness thousands of processors on a single weather forecast or climate simulation, so that the application can benefit as much as possible from the power of parallel high performance computers. The resultsattained in these articles have already been widely applied, so that currently most of the organizations that carry out global weather forecasting or climate simulation anywhere in the world use methods introduced in them. Some further studies extend parallelization opportunities into other parts of the weather forecasting environment, in particular to data assimilation of satellite observations.

Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

Modeling dynamic behavior in tilting pad gas journal bearings

Thisresearch deals with the dynamic modeling of gas lubricated tilting pad journal bearings provided with spring supported pads, including experimental verification of the computation. On the basis of a mathematical model of a film bearing, a computer program has been developed, which can be used for the simulation of a special type of tilting pad gas journal bearing supported by a rotary spring under different loading conditions time dependently (transient running conditions due to geometry variations in time externally imposed). On the basis of literature, different transformations have been used in the model to achieve simpler calculation. The numerical simulation is used to solve a non-stationary case of a gasfilm. The simulation results were compared with literature results in a stationary case (steady running conditions) and they were found to be equal. In addition to this, comparisons were made with a number of stationary and non-stationary bearing tests, which were performed at Lappeenranta University of Technology using bearings designed with the simulation program. A study was also made using numerical simulation and literature to establish the influence of the different bearing parameters on the stability of the bearing. Comparison work was done with literature on tilting pad gas bearings. This bearing type is rarely used. One literature reference has studied the same bearing type as that used in LUT. A new design of tilting pad gas bearing is introduced. It is based on a stainless steel body and electron beam welding of the bearing parts. It has good operation characteristics and is easier to tune and faster to manufacture than traditional constructions. It is also suitable for large serial production.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Pinch-menetelmän soveltaminen sellutehtaassa

Työn tarkoituksena oli tutkia pinch-menetelmän soveltuvuutta toiminnassa olevassa UPM-Kymmene Oyj:n kaukaan sellutehtaassa ja kartoittaa pinch-analyysin avulla keittämön sekä haihduttamon lämpöenergiatarpeet sekä ylijäämät kesä ja talvitilanteissa vuodelle 1999. Kesätilanteeksi on katsottu riittävän elokuu ja talvitilanteeksi helmikuu. Työn alussa on lyhyesti käyty läpi pinch-tekniikkaan liittyvää teoriaa ja tutustutaan yleisesti työssä käytettyyn Pro_pi2 laskentaohjelmaan. Laskennan tulokset on muodostettu käsittelemällä tiedonkeruujärjestelmistä haettu virtaavien nesteiden tulo- ja kohdelämpötiloista sekä massavirroista muodostuva data Pro_pi2 laskentaohjelmalla. Tulokset on esitetty kappaleessa 5, jossa kesä ja talvitilanteista saatuja tuloksia on verrattu keskenään. Mielenkiinnon vuoksi mukaan vertailuun on otettu vuoden 1999 tietojen lisäksi myös tiedot vuoden 2000 talvelle. Pinch-menetelmään perustuvan Pro_pi2 laskentaohjelman todettiin soveltuvan ennemminkin lämmön talteenottojärjestelmän sekä tehtaan energiakäytön esisuunnitteluun kuin jo olemassa olevan tehtaan tutkimiseen.