Älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttö puutavarakuormaimen väsymiskestoiän parantamisessa

Työn tavoitteena oli tutkia älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttöä mekatronisen koneen väsymiskeston parantamisessa. Älykkäiden järjestelmien osalta työssä keskityttiin lähinnä neuroverkkojen ja sumean logiikan mahdollisuuksien tutkimiseen. Tämän lisäksi työssä kehitettiin väsymiskestoikää lisäävä älykkäisiin järjestelmiin perustuva ohjausalgoritmi. Ohjausalgoritmi liitettiin osaksi puutavarakuormaimen ohjausta. Ohjaimen kehittely suoritettiin aluksi simulointimallien avulla. Laajemmat ohjaimen testaukset suoritettiin laboratoriossa fyysisen prototyypin avulla. Tuloksena puutavarakuormaimen puomin väsymiskestoikäennuste saatiin moninkertaistettua. Väsymiskestoiän parantumisen lisäksi ohjainalgoritmi myös vaimentaa kuormaimen värähtelyä.

Kuiva-, bio-, hyöty- ja ongelmajätteiden keskitetysti kilpailutettu kuljetusjärjestelmä Etelä-Karjalassa

Tutkimuksen tarkoituksena oli tuottaa tietoa kuiva-, bio-, hyöty- ja ongelmajätteiden keskitetysti kilpailutetun kuljetusjärjestelmän eduista ja haitoista Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy:n alueella. Tutkimuksessa esitellään jätteenkuljetusjärjestelmien ominaisuudet ja niiden suunnittelu sekä jätehuoltoa ja jätteenkuljetuksia koskeva lainsäädäntö. Keskitetysti kilpailutettu jätteenkuljetusjärjestelmä mitoitettiin järjestelmän nykytilan kuvauksen sekä muualla Suomessa kilpailutuksesta saatujen kokemusten avulla. Järjestelmää arvioitiin vertaamalla kaluston tarvetta, kuormapainoja sekä kuljetuskustannuksia nykyiseen tilanteeseen. Lopuksi arvioitiin jatkokehitystarpeita ja tarvittavia toimenpiteitä, kun keskitettyyn kilpailuttamiseen siirrytään. Jätteenkuljetusten keskitetyllä kilpailuttamisella voidaan saavuttaa etuja nykyiseen kuntakohtaiseen jätteenkuljetukseen verrattuna. Edut syntyvät kun päällekkäiset ajot sekä siirtoajot vähenevät ja kuormakoot kasvavat. Kuljetukset voidaan hoitaa pienemmällä kalustomäärällä, jolloin myös kuljetuskustannukset laskevat.

Älykkäiden energiamittareiden mahdollistamat palvelut

Sähkönmittaus suoritetaan enenevissä määrin älykkäiden energiamittareiden avulla niin Suomessa kuin muuallakin maailmassa. Älykkäät energiamittarit mahdollistavat huomattavasti monipuolisemman mittaustiedon saannin kuin tavanomaisilla mittareilla saatavan pelkän kulutetun energian määrän. Mittauksesta vastuussa olevalle taholle syntyy kuluja mittareiden asennuksesta uusien tehokkaampien tietojärjestelmien ylläpitoon siirryttäessä uuteen älykkäämpään mittausjärjestelmään. Kulujen kattamiseksi olisi hyödyllistä, jos monipuolisempaa mittaustietoa voitaisiin käyttää laajemmin kuin pelkästään asiakkaiden laskutukseen. Tästä johtuen mittaustiedon tehokasta hyödyntämistä varten tulee kehittää uusia palveluja esimerkiksi raportoinnin, mittaustietojen analysoinnin sekä kysyntäjouston saralla. Tässä työssä esitellään älykkäisiin energiamittareihin liittyvää tekniikkaa ja syitä miksi älykkäämpiin sähkönmittausjärjestelmiin ollaan siirtymässä. Mittaroinnin nykytilannetta käydään läpi niin Suomen kuin eräiden muidenkin Euroopan maiden osalta. Työssä esitetään myös muutamia käytännön palvelumahdollisuuksia ja pohditaan millaiseksi sähkönmittausjärjestelmät tulevaisuudessa muotoutuvat.

Enhancing the efficiency of freight transport by using simulation

The role of transport in the economy is twofold. As a sector of economic activity it contributes to a share of national income. On the other hand, improvements in transport infrastructure create room for accelerated economic growth. As a means to support railways as a safe and environmentally friendly transportation mode, the EU legislation has required the opening of domestic railway freight for competition from beginning of year 2007. The importance of railways as a mode of transport has been great in Finland, as a larger share of freight has been carried on rails than in Europe on average. In this thesis it is claimed that the efficiency of goods transport can be enhanced by service specific investments. Furthermore, it is stressed that simulation can and should be used to evaluate the cost-efficiency of transport systems on operational level, as well as to assess transportation infrastructure investments. In all the studied cases notable efficiency improvements were found. For example in distribution, home delivery of groceries can be almost twice as cost efficient as the current practice of visiting the store. The majority of the cases concentrated on railway freight. In timber transportation, the item with the largest annual transport volume in domestic railway freight in Finland, the transportation cost could be reduced most substantially. Also in international timber procurement, the utilization of railway wagons could be improved by combining complementary flows. The efficiency improvements also have positive environmental effects; a large part of road transit could be moved to rails annually. If impacts of freight transport are included in cost-benefit analysis of railway investments, up to 50 % increase in the net benefits of the evaluated alternatives can be experienced, avoiding a possible inbuilt bias in the assessment framework, and thus increasing the efficiency of national investments in transportation infrastructure. Transportation systems are a typical example of complex real world systems that cannot be analysed realistically by analytical methods, whereas simulation allows inclusion of dynamics and the level of detail required. Regarding simulation as a viable tool for assessing the efficiency of transportation systems finds support also in the international survey conducted for railway freight operators; operators use operations research methods widely for planning purposes, while simulation is applied only by the larger operators.

Corrosão metálica associada ao uso de combustíveis minerais e biocombustíveis

Fuels and biofuels have a major importance in the transportation sector of any country, contributing to their economic development. The utilization of these fuels implies their closer contact to metallic materials, which comprise vehicle, storage, and transportation systems. Thus, metallic corrosion could be related to fuels and biofuels utilization. Specially, the corrosion associated to gasoline, ethanol, diesel, biodiesel, and their mixtures is discussed in this article. Briefly, the ethanol is the most corrosive and gasoline the least. Few investigations about the effect of biodiesel indicate that the corrosion is associated to their unsaturation degree and the corrosion of diesel is related to its acidity.

Tieliikennetelematiikkalaitteiden huoltoon liittyvän verkoston toiminnan kehittäminen

Diplomityössä on tutkittu tieliikennetelematiikkalaitteiden huoltoon liittyvän verkoston toiminnan kehittämistä. Tutkittuun verkostoon kuuluvat Valtti-yksikkö (Valtakunnallinen liikennetelematiikka ja liikenteenhallinnan tietopalvelut), ELYkeskukset, tieliikennekeskukset, hallinta- ja valvontatoimija sekä huoltotoimijat. Tarkoituksena oli selvittää, kuinka verkoston toiminnan tehokkuutta voidaan parantaa. Tähän sisältyi verkoston toimijoiden tunnistaminen sekä toimijoiden roolien ja vastuiden määrittäminen. Lisäksi on tutkittu kuinka verkoston toimijoiden välistä tiedonkulkua voidaan parantaa ja kuinka ITIL-viitekehys soveltuu verkoston toimintaan. Diplomityötä varten on haastateltu verkoston toimijoiden edustajia heidän näkemyksistään verkoston toiminnasta ja sen kehittämistarpeista.

Automatic traffic sign inventory- and condition analysis

This thesis researches automatic traffic sign inventory and condition analysis using machine vision and pattern recognition methods. Automatic traffic sign inventory and condition analysis can be used to more efficient road maintenance, improving the maintenance processes, and to enable intelligent driving systems. Automatic traffic sign detection and classification has been researched before from the viewpoint of self-driving vehicles, driver assistance systems, and the use of signs in mapping services. Machine vision based inventory of traffic signs consists of detection, classification, localization, and condition analysis of traffic signs. The produced machine vision system performance is estimated with three datasets, from which two of have been been collected for this thesis. Based on the experiments almost all traffic signs can be detected, classified, and located and their condition analysed. In future, the inventory system performance has to be verified in challenging conditions and the system has to be pilot tested.

Keskitehoestimaattorin lisääminen diesel-sähköiseen hybridijärjestelmään

Nykyajan jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ja ilmastonmuutoksen uhka ovat ajavia voimia kehittämään voimalaitosten tekniikkaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Polttomoottoritekniikan parantaminen on tärkeä osa tätä kehitystä, mutta jo nykyisiä moottoreita voitaisiin ajaa energiate-hokkaammin käyttämällä akustoa ja älykästä säätöjärjestelmää apuna. Työssä tutkitaan simulaatioiden avulla voidaanko ulkomerellä toimivan huolto-aluksen energiatehokkuutta parantaa muokkaamalla sen tehon tuottoa keskitehoes-timaattorin ja akuston avulla.

Green welding in practice

Efficient production and consumption of energy has become the top priority of national and international policies around the world. Manufacturing industries have to address the requirements of the government in relation to energy saving and ecologically sustainable products. These industries are also concerned with energy and material usage due to their rising costs. Therefore industries have to find solutions that can support environmental preservation yet maintain competitiveness in the market. Welding, a major manufacturing process, consumes a great deal of material and energy. It is a crucial process in improving a product’s life-cycle cost, strength, quality and reliability. Factors which lead to weld related inefficiencies have to be effectively managed, if industries are to meet their quality requirements and fulfil a high-volume production demand. Therefore it is important to consider some practical strategies in welding process for optimization of energy and material consumption. The main objective of this thesis is to explore the methods of minimizing the ecological footprint of the welding process and methods to effectively manage its material and energy usage in the welding process. The author has performed a critical review of the factors including improved weld power source efficiency, efficient weld techniques, newly developed weld materials, intelligent welding systems, weld safety measures and personnel training. The study lends strong support to the fact that the use of eco-friendly welding units and the quality weld joints obtained with minimum possible consumption of energy and materials should be the main directions of improvement in welding systems. The study concludes that, gradually implementing the practical strategies mentioned in this thesis would help the manufacturing industries to achieve on the following - reduced power consumption, enhanced power control and manipulation, increased deposition rate, reduced cycle time, reduced joint preparation time, reduced heat affected zones, reduced repair rates, improved joint properties, reduced post-weld operations, improved automation, improved sensing and control, avoiding hazardous conditions and reduced exposure of welder to potential hazards. These improvement can help in promotion of welding as a green manufacturing process.

Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors

Industrial, electrical power generation, and transportation systems, to name but a few, rely heavily on power electronics to control and convert electrical power. Each of these systems, when encountering an unexpected failure, can cause significant financial losses, or even an emergency. A condition monitoring system would help to alleviate these concerns, but for the time being, there is no generally accepted and widely adopted method for power electronics. Acoustic emission is used as a failure precursor in many applications, but it has not been studied in power electronics so far. In this doctoral dissertation, observations of acoustic emission in power semiconductor components are presented. The acoustic emissions are caused by the switching operation and failure of power transistors. Three types of acoustic emission are observed. Furthermore, aspects related to the measurement and detection of acoustic phenomena are discussed. These include sensor performance and mechanical construction of experimental setups. The results presented in this dissertation are the outset of a research program where it will be determined whether an acoustic-emission-based condition monitoring method can be developed.

Using genetic algorithms for the single allocation hub location problem

Hub location problem is an NP-hard problem that frequently arises in the design of transportation and distribution systems, postal delivery networks, and airline passenger flow. This work focuses on the Single Allocation Hub Location Problem (SAHLP). Genetic Algorithms (GAs) for the capacitated and uncapacitated variants of the SAHLP based on new chromosome representations and crossover operators are explored. The GAs is tested on two well-known sets of real-world problems with up to 200 nodes. The obtained results are very promising. For most of the test problems the GA obtains improved or best-known solutions and the computational time remains low. The proposed GAs can easily be extended to other variants of location problems arising in network design planning in transportation systems.

Contribution de la motivation dans les jeux sérieux

La motivation incite les apprenants à s’engager dans une activité et à persévérer dans son accomplissement afin d’atteindre un but. Dans les Systèmes Tutoriels Intelligents (STI), les études sur la motivation des apprenants possèdent trois manques importants : un manque de moyens objectifs et fiables pour évaluer cet état, un manque d’évaluation de rôles joués par les facteurs motivationnels conçus dans l’environnement d’apprentissage et un manque de stratégies d’interventions motivationnelles pour soutenir la motivation des apprenants. Dans cette thèse, nous nous intéressons à mieux comprendre l’état de la motivation des apprenant ainsi que les facteurs et stratégies motivationnels dans un environnement d’apprentissage captivant : les jeux sérieux. Dans une première étude, nous évaluons la motivation des apprenants par l’entremise d’un modèle théorique de la motivation (ARCS de Keller) et de données électro-physiologiques (la conductivité de la peau, le rythme cardiaque et l’activité cérébrale). Nous déterminons et évaluons aussi quelques situations ou stratégies favorisant la motivation dans l’environnement des jeux sérieux étudié. Dans une deuxième étude, nous développons un prototype de jeux sérieux intégrant – dans une première version – quelques éléments motivationnels issus de jeux vidéo et – dans une deuxième version – des stratégies motivationnelles d’un modèle théorique de la motivation. Nous espérons, avec une évaluation motivationnelle de notre prototype, soutenir les apprenants à atteindre des hauts niveaux de motivation, de persévérance et de performance.

Changement identitaire et revendications régionalistes du Kansaï au Japon

Depuis quelque temps, au Japon, on utilise de plus en plus le terme « Kansaï » pour désigner la région du Kinki (littéralement « le voisinage de la capitale »). Cette thèse propose d’analyser l’émergence de cette entité régionale et de son discours culturel dans le but de pallier le manque de recherches antérieures sur la diversité socioculturelle et le régionalisme au Japon. Il y existe, d’une part, une volonté de considérer le Japon comme une entité homogène, et d’autre part, un contexte dans lequel le Japon lui-même prône l’homogénéité de son peuple. Historiquement, ces énoncés ont été réfutés à plusieurs reprises par différents chercheurs et organismes. Entre-temps, sur le plan régional, la diversité devient de moins en moins clairement observable dû à l’urbanisation, aux moyens de transport, à la migration interne et au développement des médias de masse. Cette situation à l'époque post-industrielle a engendré aujourd’hui le discours régionaliste du Kansaï. Dans ce contexte, cette étude porte spécifiquement sur le discours culturel concernant la région et la population du Kansaï, c’est-à-dire la région Kinki, où étaient situés les anciennes capitales et le berceau de l’État japonais du Yamato. On observe une modification et une transformation de cette région depuis l’époque Tokugawa. À partir de l’époque Meiji, l'intégration spatiale de l’archipel japonais est devenue indissociable de l’émergence de l’État soi-disant « moderne ». En outre, une distinction existe toujours entre le Japon de l’Ouest (Kansaï) et le Japon de l’Est (Kantō) qui repose sur des différences de coutumes et de mentalités, ainsi que sur des variations linguistiques : une dichotomie mieux représentée de nos jours par l’opposition entre les villes d’Osaka et de Tokyo. Aujourd’hui, le Japon permettre une centralisation continuelle à Tokyo et l’équilibre du pouvoir sur le plan économique s’en trouve fragilisé. Dans cette thèse, j’examine l’émergence de l’entité Kansaï dans ce contexte socio-économique, depuis l’arrivée du phénomène que les Kansaïens appellent « l’affaissement de terrain » du Kansaï, le jibanchinka, jusqu’aux revendications récentes pour l’introduction d’un système quasi-fédéraliste, le dōshū-sei, dans le contexte du développement régional déséquilibré du pays. En m'appuyant sur mon enquête effectuée sur terrain auprès des gens du Kansaï, je soutiens que leur discours régionaliste est bel et bien existant, mais ne repose pas sur l’homogénéité de la région. Il repose plutôt sur la position du Kansaï en tant qu’antithèse à la tendance centralisatrice perçue par les Kansaïens comme étant plutôt de nature tokyoïte. Leur discours met l’accent sur la diversité existant à l’intérieur même de la région tout en soulignant que celle-ci constitue l’entité kansaïenne. Mots-clés : Japon, Kinki, Kansai, Osaka, Nihonjinron, région, villes, discours culturel, État-nation, multiculturalisme, Oda Sakunosuke, Tanizaki Jun’ichiro.

Modélisation des émotions de l’apprenant et interventions implicites pour les systèmes tutoriels intelligents

La modélisation de l’expérience de l’utilisateur dans les Interactions Homme-Machine est un enjeu important pour la conception et le développement des systèmes adaptatifs intelligents. Dans ce contexte, une attention particulière est portée sur les réactions émotionnelles de l’utilisateur, car elles ont une influence capitale sur ses aptitudes cognitives, comme la perception et la prise de décision. La modélisation des émotions est particulièrement pertinente pour les Systèmes Tutoriels Émotionnellement Intelligents (STEI). Ces systèmes cherchent à identifier les émotions de l’apprenant lors des sessions d’apprentissage, et à optimiser son expérience d’interaction en recourant à diverses stratégies d’interventions. Cette thèse vise à améliorer les méthodes de modélisation des émotions et les stratégies émotionnelles utilisées actuellement par les STEI pour agir sur les émotions de l’apprenant. Plus précisément, notre premier objectif a été de proposer une nouvelle méthode pour détecter l’état émotionnel de l’apprenant, en utilisant différentes sources d’informations qui permettent de mesurer les émotions de façon précise, tout en tenant compte des variables individuelles qui peuvent avoir un impact sur la manifestation des émotions. Pour ce faire, nous avons développé une approche multimodale combinant plusieurs mesures physiologiques (activité cérébrale, réactions galvaniques et rythme cardiaque) avec des variables individuelles, pour détecter une émotion très fréquemment observée lors des sessions d’apprentissage, à savoir l’incertitude. Dans un premier lieu, nous avons identifié les indicateurs physiologiques clés qui sont associés à cet état, ainsi que les caractéristiques individuelles qui contribuent à sa manifestation. Puis, nous avons développé des modèles prédictifs permettant de détecter automatiquement cet état à partir des différentes variables analysées, à travers l’entrainement d’algorithmes d’apprentissage machine. Notre deuxième objectif a été de proposer une approche unifiée pour reconnaître simultanément une combinaison de plusieurs émotions, et évaluer explicitement l’impact de ces émotions sur l’expérience d’interaction de l’apprenant. Pour cela, nous avons développé une plateforme hiérarchique, probabiliste et dynamique permettant de suivre les changements émotionnels de l'apprenant au fil du temps, et d’inférer automatiquement la tendance générale qui caractérise son expérience d’interaction à savoir : l’immersion, le blocage ou le décrochage. L’immersion correspond à une expérience optimale : un état dans lequel l'apprenant est complètement concentré et impliqué dans l’activité d’apprentissage. L’état de blocage correspond à une tendance d’interaction non optimale où l'apprenant a de la difficulté à se concentrer. Finalement, le décrochage correspond à un état extrêmement défavorable où l’apprenant n’est plus du tout impliqué dans l’activité d’apprentissage. La plateforme proposée intègre trois modalités de variables diagnostiques permettant d’évaluer l’expérience de l’apprenant à savoir : des variables physiologiques, des variables comportementales, et des mesures de performance, en combinaison avec des variables prédictives qui représentent le contexte courant de l’interaction et les caractéristiques personnelles de l'apprenant. Une étude a été réalisée pour valider notre approche à travers un protocole expérimental permettant de provoquer délibérément les trois tendances ciblées durant l’interaction des apprenants avec différents environnements d’apprentissage. Enfin, notre troisième objectif a été de proposer de nouvelles stratégies pour influencer positivement l’état émotionnel de l’apprenant, sans interrompre la dynamique de la session d’apprentissage. Nous avons à cette fin introduit le concept de stratégies émotionnelles implicites : une nouvelle approche pour agir subtilement sur les émotions de l’apprenant, dans le but d’améliorer son expérience d’apprentissage. Ces stratégies utilisent la perception subliminale, et plus précisément une technique connue sous le nom d’amorçage affectif. Cette technique permet de solliciter inconsciemment les émotions de l’apprenant, à travers la projection d’amorces comportant certaines connotations affectives. Nous avons mis en œuvre une stratégie émotionnelle implicite utilisant une forme particulière d’amorçage affectif à savoir : le conditionnement évaluatif, qui est destiné à améliorer de façon inconsciente l’estime de soi. Une étude expérimentale a été réalisée afin d’évaluer l’impact de cette stratégie sur les réactions émotionnelles et les performances des apprenants.

Modélisation de l’engagement et de la charge mentale de travail dans les Systèmes Tutoriels Intelligents

Les récents avancements en sciences cognitives, psychologie et neurosciences, ont démontré que les émotions et les processus cognitifs sont intimement reliés. Ce constat a donné lieu à une nouvelle génération de Systèmes Tutoriels Intelligents (STI) dont la logique d’adaptation repose sur une considération de la dimension émotionnelle et affective de l’apprenant. Ces systèmes, connus sous le nom de Systèmes Tutoriels Émotionnellement Intelligents (STEI), cherchent à se doter des facultés des tuteurs humains dans leurs capacités à détecter, comprendre et s’adapter intuitivement en fonction de l’état émotionnel des apprenants. Toutefois, en dépit du nombre important de travaux portant sur la modélisation émotionnelle, les différents résultats empiriques ont démontré que les STEI actuels n’arrivent pas à avoir un impact significatif sur les performances et les réactions émotionnelles des apprenants. Ces limites sont principalement dues à la complexité du concept émotionnel qui rend sa modélisation difficile et son interprétation ambiguë. Dans cette thèse, nous proposons d’augmenter les STEI des indicateurs d’états mentaux d’engagement et de charge mentale de travail. Ces états mentaux ont l’avantage d’englober à la fois une dimension affective et cognitive. Pour cela, nous allons, dans une première partie, présenter une approche de modélisation de ces indicateurs à partir des données de l’activité cérébrale des apprenants. Dans une seconde partie, nous allons intégrer ces modèles dans un STEI capable d’adapter en temps réel le processus d’apprentissage en fonction de ces indicateurs.