Sugarcane crop efficiency in two growing seasons in São Paulo State, Brazil

A conceptual framework for crop production efficiency was derived using thermodynamic efficiency concept, in order to generate a tool for performance evaluation of agricultural systems and to quantify the interference of determining factors on this performance. In Thermodynamics, efficiency is the ratio between the output and input of energy. To establish this relationship in agricultural systems, it was assumed that the input energy is represented by the attainable crop yield, as predicted through simulation models based on environmental variables. The method of FAO's agroecological zones was applied to the assessment of the attainable sugarcane yield, while Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) data were used as observed yield. Sugarcane efficiency production in São Paulo state was evaluated in two growing seasons, and its correlation with some physical factors that regulate production was calculated. A strong relationship was identified between crop production efficiency and soil aptitude. This allowed inferring the effect of agribusiness factors on crop production efficiency. The relationships between production efficiency and climatic variables were also quantified and indicated that solar radiation, annual rainfall, water deficiency, and maximum air temperature are the main factors affecting the sugarcane production efficiency.

Effect of knotting on polymer shapes and their enveloping ellipsoids.

We simulate freely jointed chains to investigate how knotting affects the overall shapes of freely fluctuating circular polymeric chains. To characterize the shapes of knotted polygons, we construct enveloping ellipsoids that minimize volume while containing the entire polygon. The lengths of the three principal axes of the enveloping ellipsoids are used to define universal size and shape descriptors analogous to the squared radius of gyration and the inertial asphericity and prolateness. We observe that polymeric chains forming more complex knots are more spherical and also more prolate than chains forming less complex knots with the same number of edges. We compare the shape measures, determined by the enveloping ellipsoids, with those based on constructing inertial ellipsoids and explain the differences between these two measures of polymer shape.

CO2-response function of radiation use efficiency in rice for climate change scenarios

The objective of this work was to evaluate a generalized response function to the atmospheric CO2 concentration [f(CO2)] by the radiation use efficiency (RUE) in rice. Experimental data on RUE at different CO2 concentrations were collected from rice trials performed in several locations around the world. RUE data were then normalized, so that all RUE at current CO2 concentration were equal to 1. The response function was obtained by fitting normalized RUE versus CO2 concentration to a Morgan-Mercer-Flodin (MMF) function, and by using Marquardt's method to estimate the model coefficients. Goodness of fit was measured by the standard deviation of the estimated coefficients, the coefficient of determination (R²), and the root mean square error (RMSE). The f(CO2) describes a nonlinear sigmoidal response of RUE in rice, in function of the atmospheric CO2 concentration, which has an ecophysiological background, and, therefore, renders a robust function that can be easily coupled to rice simulation models, besides covering the range of CO2 emissions for the next generation of climate scenarios for the 21st century.

Environmental data mining and modeling based on machine learning algorithms and geostatistics

The paper presents some contemporary approaches to spatial environmental data analysis. The main topics are concentrated on the decision-oriented problems of environmental spatial data mining and modeling: valorization and representativity of data with the help of exploratory data analysis, spatial predictions, probabilistic and risk mapping, development and application of conditional stochastic simulation models. The innovative part of the paper presents integrated/hybrid model-machine learning (ML) residuals sequential simulations-MLRSS. The models are based on multilayer perceptron and support vector regression ML algorithms used for modeling long-range spatial trends and sequential simulations of the residuals. NIL algorithms deliver non-linear solution for the spatial non-stationary problems, which are difficult for geostatistical approach. Geostatistical tools (variography) are used to characterize performance of ML algorithms, by analyzing quality and quantity of the spatially structured information extracted from data with ML algorithms. Sequential simulations provide efficient assessment of uncertainty and spatial variability. Case study from the Chernobyl fallouts illustrates the performance of the proposed model. It is shown that probability mapping, provided by the combination of ML data driven and geostatistical model based approaches, can be efficiently used in decision-making process. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The evolution of trans-generational altruism: kin selection meets niche construction.

A cornerstone result of sociobiology states that limited dispersal can induce kin competition to offset the kin selected benefits of altruism. Several mechanisms have been proposed to circumvent this dilemma but all assume that actors and recipients of altruism interact during the same time period. Here, this assumption is relaxed and a model is developed where individuals express an altruistic act, which results in posthumously helping relatives living in the future. The analysis of this model suggests that kin selected benefits can then feedback on the evolution of the trait in a way that promotes altruistic helping at high rates under limited dispersal. The decoupling of kin competition and kin selected benefits results from the fact that by helping relatives living in the future, an actor is helping individuals that are not in direct competition with itself. A direct consequence is that behaviours which actors gain by reducing the common good of present and future generations can be opposed by kin selection. The present model integrates niche-constructing traits with kin selection theory and delineates demographic and ecological conditions under which altruism can be selected for; and conditions where the 'tragedy of the commons' can be reduced.

Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

Stability Evaluation of a Paper Machine Wet End

Työssä analysoidaanprosessin vaikutusta paperikoneen stabiiliuteen. Kaksi modernia sanomalehtipaperikonetta analysoitiin ja sen perusteella molemmista prosesseista rakennettiin fysiikan lakeihin perustuvat simulointimallit APROS Paper simulointiohjelmistolla. Työn tavoitteena on selvittää, miten kyseisten koneiden prosessit eroavat toisistaan ja arvioida, miten havaitut erot vaikuttavat prosessien stabiiliuteen. Työssä tarkastellaan periodisten häiriöiden vaimenemista prosessissa. Simuloinnissa herätteenä käytettiin puhdasta valkoista kohinaa, jonka avulla eri taajuistenperiodisten häiriöiden vaimenemista analysoitiin. Prosessien häiriövasteet esitetään taajuuskoordinaatistossa. Suurimmat erot prosessien välillä löytyivät viirakaivosta ja sen sekoitusdynamiikasta. Perinteisen viirakaivon todettiin muistuttavan käyttäytymiseltään sarjaan kytkettyjä ideaalisekoittimia, kun taas pienempitilavuuksisen fluumin todettiin käyttäytyvän lähes kuin putkiviive. Vaikka erotprosessitilavuudessa sekä viirakaivon sekoitusdynamiikassa olivat hyvin selkeät, havaittiin vain marginaalinen ero prosessin välillä periodisten häiriöiden vaimenemisessa, koska erot viiraretentiotasoissa vaikuttivat eniten simulointituloksia. Matalammalla viiraretentiolla operoivan paperikoneen todettiin vaimentavan tehokkaammin prosessihäiriöitä. Samalla retentiotasolla pienempitilavuuksisen prosessin todettiin vaimentavan hitaita prosessihäiriöitä marginaalisesti paremmin. Tutkituista paperikoneista toisella simuloitiin viiraosan vedenpoistomuutoksenvaikutusta viiraretentioon ja paperin koostumukseen. Lisäksi arvioitiin viiraretention säädön toimivuutta. Viiraosan listakengän vedenpoiston todettiin aiheuttavan merkittäviä sakeus- ja retentiohäiriöitä, mikäli sen avulla poistettavan kiintoaineen virtaus tuplaantuisi. Viiraretention säädön todettiin estävän häiriöiden kierron prosessissa, mutta siirtävän ne suoraan rainaan. Retention säädön eikuitenkaan todettu olevan suoranainen häiriön lähde.

Metsäteollisuuden prosessien suunnittelu simulointiympäristössä

Prosessisimulointiohjelmistojen käyttö on yleistynyt paperiteollisuuden prosessien kartoituksessa ja kyseiset ohjelmistot ovat jo pitkään olleet myös Pöyry Engineering Oy:n työkaluja prosessisuunnittelussa. Tämän työn tavoitteeksi määritettiin prosessisimulointiohjelmistojen käytön selvittäminen suomalaisissa paperitehtaissa sekä prosessisimuloinnin tulevaisuuden näkymien arviointi metsäteollisuuden suunnittelupalveluissa liiketoiminnan kehittämiseksi. Työn teoriaosassa selvitetään mm. seuraavia asioita: mitä prosessisimulointi on, miksi simuloidaan ja mitkä ovat simuloinnin hyödyt ja haasteet. Teoriaosassa esitellään yleisimmät käytössä olevat prosessisimulointiohjelmistot, simulointiprosessin eteneminen sekä prosessisimuloinnin tuotteistamisen vaatimuksia. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin kyselyn avulla prosessisimulointiohjelmistojen käyttöä Suomen paperitehtaissa. Kysely lähetettiin kaikille Suomen tärkeimmille paperitehtaille. Kyselyn avulla selvitettiin mm, mitä ohjelmia käytetään, mitä on simuloitu, mitä pitää vielä simuloida ja kuinka tarpeellisena prosessisimulointia pidetään. Työntulokset osoittavat, että kaikilla kyselyyn vastanneilla suomalaisilla paperitehtailla on käytetty prosessisimulointia. Suurin osa simuloinneista on tehty konelinjoihin sekä massa- ja vesijärjestelmiin. Tulevaisuuden tärkeimpänä kohteena pidetään energiavirtojen simulointia. Simulointimallien pitkäjänteisessä hyödyntämisessä ja ylläpidossa on kehitettävää, jossa simulointipalvelujen hankkiminen palveluna on tehtaille todennäköisin vaihtoehto. Johtopäätöksenä on se, että tehtailla on tarvetta prosessisimuloinnille. Ilmapiiri on kyselytuloksien mukaan suotuisa ja simulointi nähdään tarpeellisena työkaluna. Prosessisimuloinnin markkinointia, erillispalvelutuotteen lisäksi, kannattaisi kehittää siten, että simulointimallin ylläpito jatkuisi projektin jälkeen lähipalveluna. Markkinointi pitäisi tehdä jo projektin alkuvaiheessa tai projektin aikana. Simulointiohjelmien kirjosta suunnittelutoimiston kannattaa valita simulointiohjelmistoja, jotka sopivat sille parhaiten. Erityistapauksissa muiden ohjelmien hankintaa kannattaa harkita asiakkaan toivomusten mukaisesti.

Theoretical and numerical study of thermomagnetic convection in magnetic fluids

In this thesis, the magnetic field control of convection instabilities and heat and mass transfer processesin magnetic fluids have been investigated by numerical simulations and theoretical considerations. Simulation models based on finite element and finite volume methods have been developed. In addition to standard conservation equations, themagnetic field inside the simulation domain is calculated from Maxwell equations and the necessary terms to take into account for the magnetic body force and magnetic dissipation have been added to the equations governing the fluid motion.Numerical simulations of magnetic fluid convection near the threshold supportedexperimental observations qualitatively. Near the onset of convection the competitive action of thermal and concentration density gradients leads to mostly spatiotemporally chaotic convection with oscillatory and travelling wave regimes, previously observed in binary mixtures and nematic liquid crystals. In many applications of magnetic fluids, the heat and mass transfer processes including the effects of external magnetic fields are of great importance. In addition to magnetic fluids, the concepts and the simulation models used in this study may be applied also to the studies of convective instabilities in ordinary fluids as well as in other binary mixtures and complex fluids.

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Ydinvoimalaitoksen turbiinilaitoksen toiminnan ja kunnonvalvonnan nykytilan kuvaus ja kehittämismahdollisuuksien kartoitus sekä toteutus ja kannattavuusarviointi

Työssä selvitettiin Olkiluodon ydinvoimalaitoksen prosessiseurannassa nykyisin käytössä olevia järjestelmiä sekä tutkittiin prosessisimulointiohjelman käyttömahdollisuuksia osana prosessiseurantaa. Ensisijaisesti tutkittiin kuinka hyvin simulointimalli soveltuu pienien tehopoikkeamien havainnoimiseen. Simulointimalli rakennettiin Endat Oy:n kehittämällä Prosim-simulointiohjelmalla. Simulointimalli on tehty kahdelle eri prosessille. Erilliset mallit rakennettiin sekä vuoden 2003 vuosihuoltoa edeltäneelle prosessille, että vuosihuollossa lauhteen esilämmityksen osalta muutetulle prosessille. Simulointimallien toimintaa käytännössä testattiin suorittamalla simulointiajoja muutamilla prosessin muutostilanteilla ja vertailemalla muutostilanteiden mittapistedataa simulointiohjelman laskemiin tuloksiin. Simulointimallin suurimmat poikkeamat mittapistedataan verrattuna todettiin turbiinilaitoksen korkeapainepuolella sekä lauhduttimessa. Käytännössä havaittiin, että nämä poikkeamat hankaloittavat simulointiohjelman käyttöä käytönvalvonnan työkaluna, eikä sen käytöstä näin ollen saada varsinaista lisäarvoa.

Diskreetin optimoinnin käyttö mekatronisen koneen virtuaalisuunnittelussa

Työn tavoitteena oli selvittää konetekniikan osastolla valmistetun optimointiohjelman soveltuvuutta virtuaaliprototyyppisen optimointiin. Lisäksi työn tavoitteena oli selvittää virtuaaliprototyyppien avulla tapahtuvan optimoinnin rajoitteet ja mahdollisuudet todellisilla optimointitehtävillä. Optimaze-ohjelma yhdistettiin simulointiohjelmistoon käyttäen apuna merkkitiedostoja ja simulointiohjelmiston sisäisiä makroja. Saadun optimointiympäristön toimivuus testattiin kahdella todellista puomia optimoivalla optimointitehtävällä. Simulointiohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja optimointialgoritmina differentiaalievoluutiota. Tuloksista havaittiin optimointiohjelman soveltuvan virtuaaliprototyyppien optimointiin. Raskaiden mallien optimoinnin huomattiin kuitenkin olevan liian hidas prosessi. Tutkimuksessa todettiinkin asian vaativan lisää tutkimista ja kehitystyötä.

Putkilinjan suunnittelu integroidussa simulointiympäristössä

Työn tavoitteena oli määritellä kirjallisuustutkimuksen ja suunnitteluesimerkin avulla vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle, joka sisältää simulointiohjelmien lisäksi prosessilaitteiden mitoitusohjelmia ja prosessilaite- ja mallitietokannan. Lisäksi pohdittiin simulointiympäristön tuomia etuja prosessissuunnitteluun. Esimerkkinä käytettiin yksinkertaista putkilinjaa. Ensin selvitettiin prosessisuunnittelun kulkua, menetelmiä, apuvälineitä ja ajankohtaisia teemoja kirjallisuuden perusteella. Prosessisuunnittelun menetelmistä keskityttiin yksityiskohtaisemmin prosessisimulointiin. Lisäksi etsittiin kirjallisuudesta esimerkkejä integroiduista suunnitteluympäristöistä. Kirjallisuusselvityksen perusteella määriteltiin yleisiä vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle. Seuraavaksi suunniteltiin esimerkkinä käytetty putkilinja ja kuvattiin suunnittelun eteneminen. Suunnitteluesimerkin avulla pyrittiin tunnistamaan suunnitteluprosessista ne kohdat, joissa integroitu simulointiympäristö helpottaisi työskentelyä sekä pohtimaan yksityiskohtaisemmin integroidun simulointiympäristön toimintoja. Lopuksi kuvattiin putkilinjan suunnittelun eteneminen integroidussa simulointiympäristössä ja pohdittiin sen etuja verrattuna perinteiseen putkilinjan suunnitteluun. Tutkimuksen perusteella integroitu simulointiympäristö tehostaa prosessisuunnittelua siten, että simulointimallien määrittelyissä tarvittavat laitetiedot ovat saatavissa helposti ja nopeasti ohjelmien ymmärtämässä muodossa. Simulointiympäristössä tieto eri sovellusten välillä siirtyy osittain automaattisesti, minkä takia ohjelmiin ei erikseen tarvitse syöttää samoja tietoja. Lisäksi integroitu simulointiympäristö tukee rinnakkaista suunnittelua ja automaatio- ja prosessisuunnittelun integrointia.Jatkotutkimusehdotuksena on lisäselvitykset siitä, miten simulointiympäristö sijoittuisi yrityksissä jo olemassa oleviin suunnittelujärjestelmiin, etenkin tiedonhallintajärjestelmiin nähden. Muina jatkotutkimusehdotuksina on integroidun simulointiympäristön tarkasteleminen automaatiosuunnittelijan kannalta sekä vaatimusmäärittelyjen tarkentaminen. Työssä ei juuri ole kiinnitetty huomiota siihen, kuinka helposti ehdotetut simulointiympäristön toiminnot ja vaatimukset ovat toteutettavissa teknisesti tai ylipäätään ovatko toteutettavissa, joten tämäkin vaatinee jatkotutkimuksia.