Convex and toric geometry to analyze complex dynamics in chemical reaction systems

Convex cone, toric variety, graph theory, electrochemical catalysis, oxidation of formic acid, feedback-loopsbifurcations, enzymatic catalysis, Peroxidase reaction, Shil'nikov chaos

Integrated consideration of product quality within factory automation systems

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2013

Selection theory of dendritic growth in complex systems

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2015

Point-occurrence self-similarity in crackling-noise systems and in other complex systems

It has been recently found that a number of systems displaying crackling noise also show a remarkable behavior regarding the temporal occurrence of successive events versus their size: a scaling law for the probability distributions of waiting times as a function of a minimum size is fulfilled, signaling the existence on those systems of self-similarity in time-size. This property is also present in some non-crackling systems. Here, the uncommon character of the scaling law is illustrated with simple marked renewal processes, built by definition with no correlations. Whereas processes with a finite mean waiting time do not fulfill a scaling law in general and tend towards a Poisson process in the limit of very high sizes, processes without a finite mean tend to another class of distributions, characterized by double power-law waiting-time densities. This is somehow reminiscent of the generalized central limit theorem. A model with short-range correlations is not able to escape from the attraction of those limit distributions. A discussion on open problems in the modeling of these properties is provided.

Towards robust network based complex systems : from evolutionary cellular automata to biological models

Abstract Sitting between your past and your future doesn't mean you are in the present. Dakota Skye Complex systems science is an interdisciplinary field grouping under the same umbrella dynamical phenomena from social, natural or mathematical sciences. The emergence of a higher order organization or behavior, transcending that expected of the linear addition of the parts, is a key factor shared by all these systems. Most complex systems can be modeled as networks that represent the interactions amongst the system's components. In addition to the actual nature of the part's interactions, the intrinsic topological structure of underlying network is believed to play a crucial role in the remarkable emergent behaviors exhibited by the systems. Moreover, the topology is also a key a factor to explain the extraordinary flexibility and resilience to perturbations when applied to transmission and diffusion phenomena. In this work, we study the effect of different network structures on the performance and on the fault tolerance of systems in two different contexts. In the first part, we study cellular automata, which are a simple paradigm for distributed computation. Cellular automata are made of basic Boolean computational units, the cells; relying on simple rules and information from- the surrounding cells to perform a global task. The limited visibility of the cells can be modeled as a network, where interactions amongst cells are governed by an underlying structure, usually a regular one. In order to increase the performance of cellular automata, we chose to change its topology. We applied computational principles inspired by Darwinian evolution, called evolutionary algorithms, to alter the system's topological structure starting from either a regular or a random one. The outcome is remarkable, as the resulting topologies find themselves sharing properties of both regular and random network, and display similitudes Watts-Strogtz's small-world network found in social systems. Moreover, the performance and tolerance to probabilistic faults of our small-world like cellular automata surpasses that of regular ones. In the second part, we use the context of biological genetic regulatory networks and, in particular, Kauffman's random Boolean networks model. In some ways, this model is close to cellular automata, although is not expected to perform any task. Instead, it simulates the time-evolution of genetic regulation within living organisms under strict conditions. The original model, though very attractive by it's simplicity, suffered from important shortcomings unveiled by the recent advances in genetics and biology. We propose to use these new discoveries to improve the original model. Firstly, we have used artificial topologies believed to be closer to that of gene regulatory networks. We have also studied actual biological organisms, and used parts of their genetic regulatory networks in our models. Secondly, we have addressed the improbable full synchronicity of the event taking place on. Boolean networks and proposed a more biologically plausible cascading scheme. Finally, we tackled the actual Boolean functions of the model, i.e. the specifics of how genes activate according to the activity of upstream genes, and presented a new update function that takes into account the actual promoting and repressing effects of one gene on another. Our improved models demonstrate the expected, biologically sound, behavior of previous GRN model, yet with superior resistance to perturbations. We believe they are one step closer to the biological reality.

Implementing the Product Configurator in a Large Manufacturing Company

Työn tavoitteena on kuvata hissin ovien tuotekonfigurointiprosessia sekä SAP R/3 tuotekonfiguraattorin käyttöönoton aiheuttamia vaikutuksia. Työssä kuvataan myös uuden tuotekonfiguraattorin kehitystä, testausta, käyttöönottoa sekä pitkäaikaishallintaa. Tuotekonfigurointi on tehokas tapa toteuttaa massaräätälöintiä. Sen tarkoituksena on yhdistää massatuotannon ja asiakaskohtaisen tuotannon etuja tarjoamalla asiakkaille räätälöityjä, esisuunniteltuihin komponentteihin ja ennalta määrättyyn konfigurointimalliin perustuvia tuotteita. Näitä tuotteita tuotetaan konfigurointiprosessissa. Tämä prosessi voi olla erittäin monimutkainen ja altis virheille, joten sen tueksi on kehitetty tuotekonfiguraattoreita. Tuotekonfiguraattorit voivat tehostaa konfigurointiprosessia merkittävästi. KONE on valmistanut konfiguroitavia tuotteita useita vuosikymmeniä ja se on käyttänyt prosessien tukemiseen useita eri konfiguraattoreita. Näin ollen uuden konfiguraattorin käyttöönoton vaikutusten ei oleteta olevan niin dramaattisia kuin otettaessa konfiguraattoria käyttöön ensimmäisen kerran. Uudella konfiguraattorilla on kuitenkin useita vaikutuksia tuotteen hallintaan, konfigurointiprosessiin, tietojärjestelmiin, alihankkijoihin sekä asiakkaisiin. Konfiguraattorin käyttöönoton vaikutuksia tehostaa projektin liittyminen ERP järjestelmän käyttöönottoon

Combining Generic Programming and Service-Oriented Architectures for the Effective and Timely Development of Complex e-Learning Systems

Peer-reviewed

The energy efficiency of chilled beam systems in an office building at different climates

Besides the sustaining of healthy and comfortable indoor climate, the air conditioning system should also achieve for energy efficiency. The target indoor climate can be ob-tained with different systems; this study focuses on comparing the energy efficiency of different air conditioning room unit systems in different climates. The calculations are made with dynamic energy simulation software IDA ICE by comparing the indoor cli-mate and energy consumption of an office building with different systems in different climates. The aim of the study is to compare the energy efficiency of chilled beam systems to other common systems: variable air volume, fan coil and radiant ceiling systems. Besides the annual energy consumption also the sustainability of target indoor climate is compared between the simulations. Another aim is to provide conclusions to be used in the product development of the chilled beam systems’ energy efficiency. The adaptable chilled beam system and the radiant ceiling system prove to be energy efficient independent of the climate. The challenge of reliable comparison is that other systems are not able to reach the target indoor climate as well as the others. The complex calculation environment of the simulation software, made assumptions and excluding of the financial aspects complicate comparing the big picture. The results show that the development of the chilled beam systems should concentrate on energy efficient night heating, flexible demand based ventilation and capacity control and possibilities on integrating the best practices with other systems. 

Model-based testing of software systems : functionality and performance

Software is a key component in many of our devices and products that we use every day. Most customers demand not only that their devices should function as expected but also that the software should be of high quality, reliable, fault tolerant, efficient, etc. In short, it is not enough that a calculator gives the correct result of a calculation, we want the result instantly, in the right form, with minimal use of battery, etc. One of the key aspects for succeeding in today's industry is delivering high quality. In most software development projects, high-quality software is achieved by rigorous testing and good quality assurance practices. However, today, customers are asking for these high quality software products at an ever-increasing pace. This leaves the companies with less time for development. Software testing is an expensive activity, because it requires much manual work. Testing, debugging, and verification are estimated to consume 50 to 75 per cent of the total development cost of complex software projects. Further, the most expensive software defects are those which have to be fixed after the product is released. One of the main challenges in software development is reducing the associated cost and time of software testing without sacrificing the quality of the developed software. It is often not enough to only demonstrate that a piece of software is functioning correctly. Usually, many other aspects of the software, such as performance, security, scalability, usability, etc., need also to be verified. Testing these aspects of the software is traditionally referred to as nonfunctional testing. One of the major challenges with non-functional testing is that it is usually carried out at the end of the software development process when most of the functionality is implemented. This is due to the fact that non-functional aspects, such as performance or security, apply to the software as a whole. In this thesis, we study the use of model-based testing. We present approaches to automatically generate tests from behavioral models for solving some of these challenges. We show that model-based testing is not only applicable to functional testing but also to non-functional testing. In its simplest form, performance testing is performed by executing multiple test sequences at once while observing the software in terms of responsiveness and stability, rather than the output. The main contribution of the thesis is a coherent model-based testing approach for testing functional and performance related issues in software systems. We show how we go from system models, expressed in the Unified Modeling Language, to test cases and back to models again. The system requirements are traced throughout the entire testing process. Requirements traceability facilitates finding faults in the design and implementation of the software. In the research field of model-based testing, many new proposed approaches suffer from poor or the lack of tool support. Therefore, the second contribution of this thesis is proper tool support for the proposed approach that is integrated with leading industry tools. We o er independent tools, tools that are integrated with other industry leading tools, and complete tool-chains when necessary. Many model-based testing approaches proposed by the research community suffer from poor empirical validation in an industrial context. In order to demonstrate the applicability of our proposed approach, we apply our research to several systems, including industrial ones.

Product Assurance in Agile Space Systems Development

Product assurance is an essential part of product development process if developers want to ensure that final product is safe and reliable. Product assurance can be supported withrisk management and with different failure analysis methods. Product assurance is emphasized in system development process of mission critical systems. The product assurance process in systems of this kind requires extra attention. Inthis thesis, mission critical systems are space systems and the product assurance processof these systems is presented with help of space standards. The product assurance process can be supported with agile development because agile emphasizes transparency of the process and fast response to changes. Even if the development process of space systems is highly standardized and reminds waterfall model, it is still possible to adapt agile development in space systems development. This thesisaims to support the product assurance process of space systems with agile developmentso that the final product would be as safe and reliable as possible. The main purpose of this thesis is to examine how well product assurance is performed in Finnish space organizations and how product assurance tasks and activities can besupported with agile development. The research part of this thesis is performed in survey form.

Product assurance in agile space systems development

Product assurance is an essential part of product development process if developers want to ensure that final product is safe and reliable. Product assurance can be supported with risk management and with different failure analysis methods. Product assurance is emphasized in system development process of mission critical systems. The product assurance process in systems of this kind requires extra attention. In this thesis, mission critical systems are space systems and the product assurance process of these systems is presented with help of space standards. The product assurance process can be supported with agile development because agile emphasizes transparency of the process and fast response to changes. Even if the development process of space systems is highly standardized and reminds waterfall model, it is still possible to adapt agile development in space systems development. This thesis aims to support the product assurance process of space systems with agile development so that the final product would be as safe and reliable as possible. The main purpose of this thesis is to examine how well product assurance is performed in Finnish space organizations and how product assurance tasks and activities can be supported with agile development. The research part of this thesis is performed in survey form.

Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

The relationship between product design and business models in the context of sustainability

Dans les sphères du développement durable, des modèles d’affaires et du design de produit, certains leviers rendent le croisement de ces trois sphères de plus en plus pertinent. Au croisement de ces trois sphères se trouve une opportunité de comprendre les relations existantes entre le design de produit et les modèles d’affaires afin d’aider les décideurs à développer des solutions davantage durables. L’approche méthodologique de cette recherche utilise un système complexe et est basée sur un paradigme pragmatique. En vue de répondre à la question « Dans quelle mesure des modèles d’affaires et le design de produit sont liés dans un contexte de développement durable? », cette recherche a soigneusement analysé trois cas: Better Place, une compagnie californienne ayant développé une infrastructure permettant le chargement des voitures électriques; Interface Inc., un manufacturier mondial de tuiles de tapis commerciales établi à Atlanta; et Métacycle, un concept d’entreprise développé par une équipe de chercheurs en design à Montréal. Chaque cas a été analysé en corrélant des aspects du design de produit à des éléments de leur modèle d’affaires. Les résultats montrent que dans le contexte du développement durable, le design de produit et les modèles d’affaires sont interdépendants. Les résultats peuvent être résumés en six points: il existe des relations applicables universellement; les innovations de design substantielles jouent un rôle important dans le développement durable; la « durabilité » peut être une qualité émergente d’un modèle d’affaires; les partenariats peuvent être vitaux pour l’intégration des systèmes; un modèle de services a des bénéfices et des limitations considérables; le design peut agir comme levier à l’utilisation d’énergies renouvelables. Pratiquer simultanément l’innovation du modèle d’affaires et du produit peut apporter une valeur ajoutée, susciter des opportunités et augmenter l’efficience sur plusieurs facettes. Toutefois, les risques et les coûts de tels procédés sont souvent très élevés. En aidant à comprendre et définir comment les trois sphères mentionnées plus tôt sont interdépendantes, cette recherche pourrait idéalement inspirer des recherches supplémentaires sur le sujet. L’application par des organisations de la méthodologie et des apprentissages résultant de cette recherche peut permettre à d’autres d’utiliser le croisement entre l’innovation de produit et l’innovation du modèle d’affaires afin de résoudre des enjeux sociaux et environnementaux complexes.

From cognition to action : a psychological investigation of action regulation in complex and uncertain social systems

Cette thèse présente une revue des réflexions récentes et plus traditionnelles provenant de la théorie des systèmes, de la créativité en emploi, des théories d’organisation du travail et de la motivation afin de proposer une perspective psychologique de la régulation des actions des individus au sein d’environnements de travail complexes et incertains. Des composantes de la Théorie de la Régulation de l’Action (Frese & Zapf, 1994) ainsi que de la Théorie de l’Auto-Détermination (Deci & Ryan, 2000) sont mises en relation afin d’évaluer un modèle définissant certains schémas cognitifs clés associés aux tâches individuelles et collectives en emploi. Nous proposons que ces schémas cognitifs, organisés de manière hiérarchique, jouent un rôle central dans la régulation d’une action efficace au sein d’un système social adaptatif. Nos mesures de ces schémas cognitifs sont basées sur des échelles de mesure proposées dans le cadre des recherches sur l’ambiguïté de rôle (eg. Sawyer, 1992; Breaugh & Colihan, 1994) et sont mis en relation avec des mesures de satisfaction des besoins psychologiques (Van den Broeck, Vansteenkiste, De Witte, Soenens & Lens, 2009) et du bien-être psychologique (Goldberg, 1972). Des données provenant de 153 employés à temps plein d’une compagnie de jeu vidéo ont été récoltées à travers deux temps de mesure. Les résultats révèlent que différents types de schémas cognitifs associés aux tâches individuelles et collectives sont liés à la satisfaction de différents types de besoin psychologiques et que ces derniers sont eux-mêmes liés au bien-être psychologique. Les résultats supportent également l’hypothèse d’une organisation hiérarchique des schémas cognitifs sur la base de leur niveau d’abstraction et de leur proximité avec l’exécution concrète de l’action. Ces résultats permettent de fournir une explication initiale au processus par lequel les différents types de schémas cognitifs développés en emplois et influencé par l’environnement de travail sont associés à l’attitude des employés et à leur bien-être psychologique. Les implications pratiques et théoriques pour la motivation, l’apprentissage, l’habilitation, le bien-être psychologique et l’organisation du travail dans les environnements de travail complexes et incertains sont discutés.