Multidata inverse problems and Bayesian solution methods in astronomy

Statistical analyses of measurements that can be described by statistical models are of essence in astronomy and in scientific inquiry in general. The sensitivity of such analyses, modelling approaches, and the consequent predictions, is sometimes highly dependent on the exact techniques applied, and improvements therein can result in significantly better understanding of the observed system of interest. Particularly, optimising the sensitivity of statistical techniques in detecting the faint signatures of low-mass planets orbiting the nearby stars is, together with improvements in instrumentation, essential in estimating the properties of the population of such planets, and in the race to detect Earth-analogs, i.e. planets that could support liquid water and, perhaps, life on their surfaces. We review the developments in Bayesian statistical techniques applicable to detections planets orbiting nearby stars and astronomical data analysis problems in general. We also discuss these techniques and demonstrate their usefulness by using various examples and detailed descriptions of the respective mathematics involved. We demonstrate the practical aspects of Bayesian statistical techniques by describing several algorithms and numerical techniques, as well as theoretical constructions, in the estimation of model parameters and in hypothesis testing. We also apply these algorithms to Doppler measurements of nearby stars to show how they can be used in practice to obtain as much information from the noisy data as possible. Bayesian statistical techniques are powerful tools in analysing and interpreting noisy data and should be preferred in practice whenever computational limitations are not too restrictive.

Particle transport method for convection-diffusion-reaction problems

Convective transport, both pure and combined with diffusion and reaction, can be observed in a wide range of physical and industrial applications, such as heat and mass transfer, crystal growth or biomechanics. The numerical approximation of this class of problemscan present substantial difficulties clue to regions of high gradients (steep fronts) of the solution, where generation of spurious oscillations or smearing should be precluded. This work is devoted to the development of an efficient numerical technique to deal with pure linear convection and convection-dominated problems in the frame-work of convection-diffusion-reaction systems. The particle transport method, developed in this study, is based on using rneshless numerical particles which carry out the solution along the characteristics defining the convective transport. The resolution of steep fronts of the solution is controlled by a special spacial adaptivity procedure. The serni-Lagrangian particle transport method uses an Eulerian fixed grid to represent the solution. In the case of convection-diffusion-reaction problems, the method is combined with diffusion and reaction solvers within an operator splitting approach. To transfer the solution from the particle set onto the grid, a fast monotone projection technique is designed. Our numerical results confirm that the method has a spacial accuracy of the second order and can be faster than typical grid-based methods of the same order; for pure linear convection problems the method demonstrates optimal linear complexity. The method works on structured and unstructured meshes, demonstrating a high-resolution property in the regions of steep fronts of the solution. Moreover, the particle transport method can be successfully used for the numerical simulation of the real-life problems in, for example, chemical engineering.

Pinnan ominaisuuksien karakterisointi kiiltomittalaitteella ja kiiltomittalaitteen soveltuvuus tuotannon laadunvarmistuksessa

Alahuulten, kärkilistojen, turboputkien ja telapinnoitteiden pinnankarheutta mitataan Rautpohjan tehtaalla nykyään pääosin koskettavalla pinnankarheusprofilometrilla. Profilometrin käyttö on hankalaa ja epäluotettavaa tai käytössä on muita ongelmia. Paperin kuituorientaation mittaamiseen käytetään nykyisin mm. TSO-menetelmää tai repäisymenetelmää. Tämän diplomityön tarkoituksena oli kartoittaa diffraktiiviseen optiseen elementtiin perustuvan kiiltomittalaiteprototyypin mahdollisuuksia karakteroida pinnan ominaisuuksia ja tutkia kiiltomittalaitteen soveltuvuutta tuotannon laadunvarmistuksessa. Alahuuli-, kärkilista-, turboputki-, telapinnoite- ja paperinäytteistä valmistettiinnäytesarjoja, jotka mitattiin nykymenetelmin ja kiiltomittalaitteella. Tulostenkorreloituvuutta tutkittiin ja taloudellista merkitystä arvioitiin investointilaskelmin. Paperin kuituorientaation, paperin pinnan kuituorientaation ja telapinnoitteiden mittaaminen kiiltomittalaitteella osoittautui taloudellisesti erittäin merkittäväksi. Ennen mahdollista kiiltomittalaitteen käyttöönottoa prototyyppiä on kehitettävä, kiillon korreloituvuutta tulee tutkia edelleen ja aiheesta on tehtävä lisätutkimuksia.

Statistical Inversion Theory in X-ray Tomography

In this thesis the X-ray tomography is discussed from the Bayesian statistical viewpoint. The unknown parameters are assumed random variables and as opposite to traditional methods the solution is obtained as a large sample of the distribution of all possible solutions. As an introduction to tomography an inversion formula for Radon transform is presented on a plane. The vastly used filtered backprojection algorithm is derived. The traditional regularization methods are presented sufficiently to ground the Bayesian approach. The measurements are foton counts at the detector pixels. Thus the assumption of a Poisson distributed measurement error is justified. Often the error is assumed Gaussian, altough the electronic noise caused by the measurement device can change the error structure. The assumption of Gaussian measurement error is discussed. In the thesis the use of different prior distributions in X-ray tomography is discussed. Especially in severely ill-posed problems the use of a suitable prior is the main part of the whole solution process. In the empirical part the presented prior distributions are tested using simulated measurements. The effect of different prior distributions produce are shown in the empirical part of the thesis. The use of prior is shown obligatory in case of severely ill-posed problem.

Boundary identification in the domain of a parabolic partial differential equation

Bakgrunden och inspirationen till föreliggande studie är tidigare forskning i tillämpningar på randidentifiering i metallindustrin. Effektiv randidentifiering möjliggör mindre säkerhetsmarginaler och längre serviceintervall för apparaturen i industriella högtemperaturprocesser, utan ökad risk för materielhaverier. I idealfallet vore en metod för randidentifiering baserad på uppföljning av någon indirekt variabel som kan mätas rutinmässigt eller till en ringa kostnad. En dylik variabel för smältugnar är temperaturen i olika positioner i väggen. Denna kan utnyttjas som insignal till en randidentifieringsmetod för att övervaka ugnens väggtjocklek. Vi ger en bakgrund och motivering till valet av den geometriskt endimensionella dynamiska modellen för randidentifiering, som diskuteras i arbetets senare del, framom en flerdimensionell geometrisk beskrivning. I de aktuella industriella tillämpningarna är dynamiken samt fördelarna med en enkel modellstruktur viktigare än exakt geometrisk beskrivning. Lösningsmetoder för den s.k. sidledes värmeledningsekvationen har många saker gemensamt med randidentifiering. Därför studerar vi egenskaper hos lösningarna till denna ekvation, inverkan av mätfel och något som brukar kallas förorening av mätbrus, regularisering och allmännare följder av icke-välställdheten hos sidledes värmeledningsekvationen. Vi studerar en uppsättning av tre olika metoder för randidentifiering, av vilka de två första är utvecklade från en strikt matematisk och den tredje från en mera tillämpad utgångspunkt. Metoderna har olika egenskaper med specifika fördelar och nackdelar. De rent matematiskt baserade metoderna karakteriseras av god noggrannhet och låg numerisk kostnad, dock till priset av låg flexibilitet i formuleringen av den modellbeskrivande partiella differentialekvationen. Den tredje, mera tillämpade, metoden kännetecknas av en sämre noggrannhet förorsakad av en högre grad av icke-välställdhet hos den mera flexibla modellen. För denna gjordes även en ansats till feluppskattning, som senare kunde observeras överensstämma med praktiska beräkningar med metoden. Studien kan anses vara en god startpunkt och matematisk bas för utveckling av industriella tillämpningar av randidentifiering, speciellt mot hantering av olinjära och diskontinuerliga materialegenskaper och plötsliga förändringar orsakade av “nedfallande” väggmaterial. Med de behandlade metoderna förefaller det möjligt att uppnå en robust, snabb och tillräckligt noggrann metod av begränsad komplexitet för randidentifiering.

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

[Abstract]

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

Potentiometric titration as a method of determining the stoichiometric dissociation constants of weak acids from the thermodynamic dissociation constants of aqueous solutions at 298.15 K

The simple single-ion activity coefficient equation originating from the Debye-Hückel theory was used to determine the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of weak acids from data concerning galvanic cells. Electromotive force data from galvanic cells without liquid junctions, which was obtained from literature, was studied in conjuction with the potentiometric titration data relating to aqueous solutions at 298.15 K. The dissociation constants of weak acids could be determined by the presented techniques and almost all the experimental data studied could be interpreted within the range of experimental error. Potentiometric titration has been used here and the calculation methods were developed to obtain the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of some weak acids in aqueous solutions at 298.15 K. The ionic strength of titrated solutions were adjusted using an inert electrolyte, namely, sodium or potassium chloride. Salt content alonedetermines the ionic strength. The ionic strength of the solutions studied varied from 0.059 mol kg-1 to 0.37 mol kg-1, and in some cases up to 1.0 mol kg-1. The following substances were investigated using potentiometric titration: aceticacid, propionic acid, L-aspartic acid, L-glutamic acid and bis(2,2-dimethyl-3-oxopropanol) amine.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

A Method for Estimating Short-term Profitability, Case Stora Enso Packaging Boards

Tutkimuksen tavoitteena oli rakentaa case yritykselle malli lyhyen aikavälin kannattavuuden estimointia varten. Tutkimusmetodi on konstruktiivinen, ja malli kehitettiin laskentaihmisten avustuksella. Teoriaosassa käytiin kirjallisuuskatsauksen avulla läpi kannattavuutta, budjetointia sekä itse ennustamista. Teoriaosassa pyrittiin löytämään sellaisia menetelmiä, joita voitaisiin käyttää lyhyen aikavälin kannattavuuden estimoinnissa. Rakennettavalle mallille asetettujen vaatimusten mukaan menetelmäksi valittiin harkintaan perustuva menetelmä (judgmental). Tutkimuksen mukaan kannattavuuteen vaikuttaa myyntihinta ja –määrä, tuotanto, raaka-aineiden hinnat ja varaston muutos. Rakennettu malli toimii kohdeyrityksessä kohtalaisen hyvin ja huomattavaa on se, että eri tehtaiden ja eri koneiden väliset erot saattavat olla kohtuullisen suuret. Nämä erot johtuvat pääasiassa tehtaan koosta ja mallien erilaisuudesta. Mallin käytännön toimivuus tulee kuitenkin parhaiten selville silloin, kun se on laskentaihmisten käytössä. Ennustamiseen liittyy kuitenkin aina omat ongelmansa ja uudetkaan menetelmät eivät välttämättä poista näitä ongelmia.

On Variational Ensemble Kalman Filtering

The Extended Kalman Filter (EKF) and four dimensional assimilation variational method (4D-VAR) are both advanced data assimilation methods. The EKF is impractical in large scale problems and 4D-VAR needs much effort in building the adjoint model. In this work we have formulated a data assimilation method that will tackle the above difficulties. The method will be later called the Variational Ensemble Kalman Filter (VEnKF). The method has been tested with the Lorenz95 model. Data has been simulated from the solution of the Lorenz95 equation with normally distributed noise. Two experiments have been conducted, first with full observations and the other one with partial observations. In each experiment we assimilate data with three-hour and six-hour time windows. Different ensemble sizes have been tested to examine the method. There is no strong difference between the results shown by the two time windows in either experiment. Experiment I gave similar results for all ensemble sizes tested while in experiment II, higher ensembles produce better results. In experiment I, a small ensemble size was enough to produce nice results while in experiment II the size had to be larger. Computational speed is not as good as we would want. The use of the Limited memory BFGS method instead of the current BFGS method might improve this. The method has proven succesful. Even if, it is unable to match the quality of analyses of EKF, it attains significant skill in forecasts ensuing from the analysis it has produced. It has two advantages over EKF; VEnKF does not require an adjoint model and it can be easily parallelized.

On the Application of Beam on Elastic Foundation Theory to the Analysis of Stiffened Plate Strips

The main objective of this thesis is to show that plate strips subjected to transverse line loads can be analysed by using the beam on elastic foundation (BEF) approach. It is shown that the elastic behaviour of both the centre line section of a semi infinite plate supported along two edges, and the free edge of a cantilever plate strip can be accurately predicted by calculations based on the two parameter BEF theory. The transverse bending stiffness of the plate strip forms the foundation. The foundation modulus is shown, mathematically and physically, to be the zero order term of the fourth order differential equation governing the behaviour of BEF, whereas the torsion rigidity of the plate acts like pre tension in the second order term. Direct equivalence is obtained for harmonic line loading by comparing the differential equations of Levy's method (a simply supported plate) with the BEF method. By equating the second and zero order terms of the semi infinite BEF model for each harmonic component, two parameters are obtained for a simply supported plate of width B: the characteristic length, 1/ λ, and the normalized sum, n, being the effect of axial loading and stiffening resulting from the torsion stiffness, nlin. This procedure gives the following result for the first mode when a uniaxial stress field was assumed (ν = 0): 1/λ = √2B/π and nlin = 1. For constant line loading, which is the superimposition of harmonic components, slightly differing foundation parameters are obtained when the maximum deflection and bending moment values of the theoretical plate, with v = 0, and BEF analysis solutions are equated: 1 /λ= 1.47B/π and nlin. = 0.59 for a simply supported plate; and 1/λ = 0.99B/π and nlin = 0.25 for a fixed plate. The BEF parameters of the plate strip with a free edge are determined based solely on finite element analysis (FEA) results: 1/λ = 1.29B/π and nlin. = 0.65, where B is the double width of the cantilever plate strip. The stress biaxial, v > 0, is shown not to affect the values of the BEF parameters significantly the result of the geometric nonlinearity caused by in plane, axial and biaxial loading is studied theoretically by comparing the differential equations of Levy's method with the BEF approach. The BEF model is generalised to take into account the elastic rotation stiffness of the longitudinal edges. Finally, formulae are presented that take into account the effect of Poisson's ratio, and geometric non linearity, on bending behaviour resulting from axial and transverse inplane loading. It is also shown that the BEF parameters of the semi infinite model are valid for linear elastic analysis of a plate strip of finite length. The BEF model was verified by applying it to the analysis of bending stresses caused by misalignments in a laboratory test panel. In summary, it can be concluded that the advantages of the BEF theory are that it is a simple tool, and that it is accurate enough for specific stress analysis of semi infinite and finite plate bending problems.