Block structured dynamics and neuronal coding

When certain control parameters of nervous cell models are varied, complex bifurcation structures develop in which the dynamical behaviors available appear classified in blocks, according to criteria of dynamical likelihood. This block structured dynamics may be a clue to understand how activated neurons encode information by firing spike trains of their action potentials.

Nauhasuodatukseen vaikuttavien parametrien tutkiminen

Nauhasuodattimia käytetään teollisuuden aloilla, joissa suodatettavan suspension määrä vaihtelee laajalti ja suodinkakun peseytyminen on tärkeää. Oikean kangasrakenteen valinnalla voidaan kasvattaa suodatuskapasiteettia ja parantaa suodatustulosta. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia metallisulfidisakan nauhasuodatukseen liittyviä parametreja suodatuksen parantamiseksi. Tavoitteena oli löytää sopiva kangas ja ajoparametrit kloridin pesemiseksi suodinkakusta mahdollisimman tarkasti ja samalla säilyttää hyvä suodospuhtaus. Suodatuskapasiteetin kasvattaminen oli myös toivottavaa. Kirjallisuusosassa keskityttiin kakkusuodatuksen teoriaan, nauhasuodatukseen ja tutustuttiin hieman nauhasuodatukseen liittyvään laskentaan. Uusia kehitteillä olevia suodatusta parantavia menetelmiä käsiteltiin myös kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa tutkittiin koesuunnittelua hyväksi käyttäen metallisulfidisakan suodatukseen vaikuttavienparametrien vaikutusta. Testattavia parametreja olivat mm. alipaine, lietteen kiintoainepitoisuus, syötön ja pesuveden määrä. Kokeet osoittivat, että kankaan rakenteella ei ole suurta vaikutusta pesutulokseen. Pesuilla ei myöskään voida kokonaan poistaa suodinkakussa olevaa kloridia. Tulosten perusteella kokeissa käytetyillä kudotuilla kankailla päästiin yhtä hyviin kuin huopakankaalla. Suodattimen toiminnan kannalta paras tilanne on, jos suodattimelle tulevan lietteen kiintoainepitoisuus pysyy melko vakiona. Suodattimella käytettävän kankaan käyttöikää kasvattaa kankaan hyvä kulutuskestävyys, kakun irtoaminen helposti kankaan pinnalta ja kankaan pysyminen huokoisena kankaan pesujen ansiosta.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

On the differential evolution algorithm and its appliation to training radial basis function networks

The parameter setting of a differential evolution algorithm must meet several requirements: efficiency, effectiveness, and reliability. Problems vary. The solution of a particular problem can be represented in different ways. An algorithm most efficient in dealing with a particular representation may be less efficient in dealing with other representations. The development of differential evolution-based methods contributes substantially to research on evolutionary computing and global optimization in general. The objective of this study is to investigatethe differential evolution algorithm, the intelligent adjustment of its controlparameters, and its application. In the thesis, the differential evolution algorithm is first examined using different parameter settings and test functions. Fuzzy control is then employed to make control parameters adaptive based on an optimization process and expert knowledge. The developed algorithms are applied to training radial basis function networks for function approximation with possible variables including centers, widths, and weights of basis functions and both having control parameters kept fixed and adjusted by fuzzy controller. After the influence of control variables on the performance of the differential evolution algorithm was explored, an adaptive version of the differential evolution algorithm was developed and the differential evolution-based radial basis function network training approaches were proposed. Experimental results showed that the performance of the differential evolution algorithm is sensitive to parameter setting, and the best setting was found to be problem dependent. The fuzzy adaptive differential evolution algorithm releases the user load of parameter setting and performs better than those using all fixedparameters. Differential evolution-based approaches are effective for training Gaussian radial basis function networks.

Normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin

Evoluutioalgoritmit ovat viime vuosina osoittautuneet tehokkaiksi menetelmiksi globaalien optimointitehtävien ratkaisuun. Niiden vahvuutena on etenkin yleiskäyttöisyys ja kyky löytää globaali ratkaisu juuttumatta optimoitavan tavoitefunktion paikallisiin optimikohtiin. Tässä työssä on tavoitteena kehittää uusi, normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin, joka on eräs uusimmista evoluutiopohjaisista optimointialgoritmeista. Menetelmän oletetaan vähentävän entisestään sekä populaation ennenaikaisen suppenemisen, että algoritmin tilojen juuttumisen riskiä ja se on teoreettisesti osoitettavissa suppenevaksi. Tämä ei päde alkuperäisen differentiaalievoluution tapauksessa, koska on voitu osoittaa, että sen tilanmuutokset voivat pienellä todennäköisyydellä juuttua. Työssä uuden menetelmän toimintaa tarkastellaan kokeellisesti käyttäen testiongelmina monirajoiteongelmia. Rajoitefunktioiden käsittelyyn käytetään Jouni Lampisen kehittämää, Pareto-optimaalisuuden periaatteeseen perustuvaa menetelmää. Samalla saadaan kerättyä lisää kokeellista näyttöä myös tämän menetelmän toiminnasta. Kaikki käytetyt testiongelmat kyettiin ratkaisemaan sekä alkuperäisellä differentiaalievoluutiolla, että uutta mutaatio-operaatiota käyttävällä versiolla. Uusi menetelmä osoittautui kuitenkin luotettavammaksi sellaisissa tapauksissa, joissa alkuperäisellä algoritmilla oli vaikeuksia. Lisäksi useimmat ongelmat kyettiin ratkaisemaan luotettavasti pienemmällä populaation koolla kuin alkuperäistä differentiaalievoluutiota käytettäessä. Uuden menetelmän käyttö myös mahdollistaa paremmin sellaisten kontrolliparametrien käytön, joilla hausta saadaan rotaatioinvariantti. Laskennallisesti uusi menetelmä on hieman alkuperäistä differentiaalievoluutiota raskaampi ja se tarvitsee yhden kontrolliparametrin enemmän. Uusille kontrolliparametreille määritettiin kuitenkin mahdollisimman yleiskäyttöiset arvot, joita käyttämällä on mahdollista ratkaista suuri joukko erilaisia ongelmia.

Measurement of the air permeability profile on SC paper machine

Tämän diplomityön tarkoituksena oli asentaa ja kehittää UPM-Kymmene Rauman tehtaiden PK2:lle luotettava ja toimiva ilmanläpäisyprofiilin mittaus. Työn tarkoituksena oli myös kartoittaa tietoja ilmanläpäisyprofiiliin vaikuttavista seikoista sekä mahdollisuuksista säätää ilmanläpäisyprofiilia. Lisäksi työn tavoitteena oli löytää toimiva menetelmä verrata online mitattua ilmanläpäisyprofiilia laboratoriossa mitattuun ilmanläpäisyprofiiliin online mittauksen luotettavuuden näkökulmasta. Työn aikana selvitettiin myös ilmanläpäisyprofiilin mittauksen mahdollisuutta superkalanteroidusta SC paperista. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin paperin huokoisuutta ja ilmanläpäisyä, huokoisuustasoon ja huokoisuus profiiliin vaikuttavia tekijöitä, ilmanläpäisevyyden merkitystä SC paperin valmistukselle ja SC paperin painettavuudelle sekä ilmanläpäisevyyden laboratorio- sekä online mittausta. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös Honeywellin uutta Poros ilmanläpäisysensoria. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin ilmanläpäisyprofiilimittauksen luotettavuutta CD ja MD suunnassa sekä laboratorio- ja online-mittausten välisiä eroavaisuuksia ennen PK2 uusintaa. PK2 uusinnan jälkeen kokeellisessa osassa keskityttiin luotettavuuden varmentamiseen CD ja MD suunnassa sekä kartoittamaan tekijöitä, jotka aiheuttivat pieniä tasoeroja mittausten välillä. Mittaukset todettiin luotettaviksi ja niiden pohjalta suoritettiin mitattujen online profiilien välisiä vertailuja. Ilmanläpäisyprofiililla todettiin olevan positiivinen korrelaatio neliömassaprofiilin ja kosteusprofiilin kanssa sekä negatiivinen korrelaatio tuhkaprofiilin kanssa. PK2 uusinnan yhteydessä tehtiin koeajoja, jotka liittyivät laadunoptimointiin viira- ja puristinosalla. Koeajoissa tutkittujen asioiden lisäksi tutkittiin muutettujen parametrien vaikutusta ilmanläpäisyprofiiliin. Höyrylaatikon vaikutusta ilmanläpäisyprofiiliin tutkittiin säätöjen virityksen yhteydessä.

Dynamic arrest in polymer melts: competition between packing and intramolecular barriers

We present molecular dynamics simulations of a simple model for polymer melts with intramolecular barriers. We investigate structural relaxation as a function of the barrier strength. Dynamic correlators can be consistently analyzed within the framework of the mode coupling theory of the glass transition. Control parameters are tuned in order to induce a competition between general packing effects and polymer-specific intramolecular barriers as mechanisms for dynamic arrest. This competition yields unusually large values of the so-called mode coupling theory exponent parameter and rationalizes qualitatively different observations for simple bead-spring and realistic polymers. The systematic study of the effect of intramolecular barriers presented here also establishes a fundamental difference between the nature of the glass transition in polymers and in simple glass formers.

Disseny i muntatge d'un mòdul d'entrades digitals per comunicació modbus

Actualment l’exigència i la competitivitat del mercat, obliguen les industries a modernitzar-se i automatitzar tots els seus processos productius. En aquests processos les dades i paràmetres de control són dades fonamentals a verificar. Amb aquest treball final de carrera, es pretén realitzar un mòdul d’entrades digitals, per tal de gestionar les dades rebudes d’un procés automatitzat. L’objectiu d’aquest TFC ha estat dissenyar un mòdul d’entrades digitals capaç de gestionar dades de qualsevol tipus de procés automatitzat i transmetre-les a un mestremitjançant un bus de comunicació Modbus. El projecte però, s’ha centrat en el cas específic d’un procés automatitzat per al tractament de la fusta. El desenvolupament d’aquest sistema, comprèn el disseny del circuit, la realització de la placa, el software de lectura de dades i la implementació del protocol Modbus. Tot el mòdul d’entrades està controlat per un microcontrolador PIC 18F4520. El disseny és un sistema multiplataforma per tal d’adaptar-se a qualsevol procés automàtic i algunes de les seves característiques més rellevants són: entrades aïllades multitensió, control de fugues, sortides a relé, i memòria externa de dades, entre altres. Com a conclusions cal dir que s’han assolit els objectius proposats amb èxit. S’ha aconseguit un disseny robust, fiable, polivalent i altament competitiu en el mercat. A nivell acadèmic, s’han ampliat els coneixements en el camp del disseny i de la programació.

Tuotannon- ja varastonohjausmallien kehittäminen sekä ylläpito kokoonpanotuotannossa

Asiakkaiden vaatimusten täyttäminen käytössä olevilla resursseilla edellyttää yrityksiltä usein varastojen pitämistä. Varastot aiheuttavat kuluja ja niihin sitoutuu pääomaa, joten niiden hallinta on yritysten mielenkiinnon kohde. Diplomityön tavoitteena on tutkia Peikko Finland Oy:n Teräsosatehtaan varastonohjausmallin toimivuutta sekä luoda ylläpitokelpoinen tapa tuotannonohjausmuodon ja varastoparametrien päivittämiseen. Yritysten käytössä olevien resurssien ollessa rajallisia tulee tärkeiden tuotteiden hallintaan keskittyä. Vähäpätöisempiä nimikkeitäkin on ohjattava, mutta yksinkertaisempien mallien avulla kuin tärkeitä tuotteita. Tuotannon- ja varastonohjauksen tavoitteena on löytää tasapaino pääoman sitoutumisen, asiakkaiden palvelun sekä kapasiteetin käytön väliltä. Niihin vaikuttavat tekijät tulee huomioida mahdollisimman kattavasti tuotannonohjausta ja varastonhallintaa suunniteltaessa, jolloin päästään koko yritystä hyödyttävään lopputulokseen. Yrityksen toimintaympäristö kehittyy jatkuvasti, joten kerran määritetyt tekijä eivät ole relevantteja loputtomiin vaan jatkuvan kehittämisen ja tietojen päivittämisen tulee olla osa yrityksen jokapäiväistä toimintaa. Työssä kehitettiin helposti päivitettävä malli, jonka avulla kohdeyritys pystyy päivittämään nimikkeiden tuotannonohjausmuodot ja varastonohjauksen parametrit.

Generalized Differential Evolution for Global Multi-Objective Optimization with Constraints

The objective of this thesis work is to develop and study the Differential Evolution Algorithm for multi-objective optimization with constraints. Differential Evolution is an evolutionary algorithm that has gained in popularity because of its simplicity and good observed performance. Multi-objective evolutionary algorithms have become popular since they are able to produce a set of compromise solutions during the search process to approximate the Pareto-optimal front. The starting point for this thesis was an idea how Differential Evolution, with simple changes, could be extended for optimization with multiple constraints and objectives. This approach is implemented, experimentally studied, and further developed in the work. Development and study concentrates on the multi-objective optimization aspect. The main outcomes of the work are versions of a method called Generalized Differential Evolution. The versions aim to improve the performance of the method in multi-objective optimization. A diversity preservation technique that is effective and efficient compared to previous diversity preservation techniques is developed. The thesis also studies the influence of control parameters of Differential Evolution in multi-objective optimization. Proposals for initial control parameter value selection are given. Overall, the work contributes to the diversity preservation of solutions in multi-objective optimization.

Effects of estragole on the compound action potential of the rat sciatic nerve

Estragole, a relatively nontoxic terpenoid ether, is an important constituent of many essential oils with widespread applications in folk medicine and aromatherapy and known to have potent local anesthetic activity. We investigated the effects of estragole on the compound action potential (CAP) of the rat sciatic nerve. The experiments were carried out on sciatic nerves dissected from Wistar rats. Nerves, mounted in a moist chamber, were stimulated at a frequency of 0.2 Hz, with electric pulses of 50-100-µs duration at 10-20 V, and evoked CAP were monitored on an oscilloscope and recorded on a computer. CAP control parameters were: peak-to-peak amplitude (PPA), 9.9 ± 0.55 mV (N = 15), conduction velocity, 92.2 ± 4.36 m/s (N = 15), chronaxy, 45.6 ± 3.74 µs (N = 5), and rheobase, 3.9 ± 0.78 V (N = 5). Estragole induced a dose-dependent blockade of the CAP. At 0.6 mM, estragole had no demonstrable effect. At 2.0 and 6.0 mM estragole, PPA was significantly reduced at the end of 180-min exposure of the nerve to the drug to 85.6 ± 3.96 and 13.04 ± 1.80% of control, respectively. At 4.0 mM, estragole significantly altered PPA, conduction velocity, chronaxy, and rheobase (P <= 0.05, ANOVA; N = 5) to 49.3 ± 6.21 and 77.7 ± 3.84, 125.9 ± 10.43 and 116.7 ± 4.59%, of control, respectively. All of these effects developed slowly and were reversible upon a 300-min wash-out. The data show that estragole dose-dependently blocks nerve excitability.

Differential evolution based classification with pool of distances and aggregation operators

The objective of this thesis is to develop and generalize further the differential evolution based data classification method. For many years, evolutionary algorithms have been successfully applied to many classification tasks. Evolution algorithms are population based, stochastic search algorithms that mimic natural selection and genetics. Differential evolution is an evolutionary algorithm that has gained popularity because of its simplicity and good observed performance. In this thesis a differential evolution classifier with pool of distances is proposed, demonstrated and initially evaluated. The differential evolution classifier is a nearest prototype vector based classifier that applies a global optimization algorithm, differential evolution, to determine the optimal values for all free parameters of the classifier model during the training phase of the classifier. The differential evolution classifier applies the individually optimized distance measure for each new data set to be classified is generalized to cover a pool of distances. Instead of optimizing a single distance measure for the given data set, the selection of the optimal distance measure from a predefined pool of alternative measures is attempted systematically and automatically. Furthermore, instead of only selecting the optimal distance measure from a set of alternatives, an attempt is made to optimize the values of the possible control parameters related with the selected distance measure. Specifically, a pool of alternative distance measures is first created and then the differential evolution algorithm is applied to select the optimal distance measure that yields the highest classification accuracy with the current data. After determining the optimal distance measures for the given data set together with their optimal parameters, all determined distance measures are aggregated to form a single total distance measure. The total distance measure is applied to the final classification decisions. The actual classification process is still based on the nearest prototype vector principle; a sample belongs to the class represented by the nearest prototype vector when measured with the optimized total distance measure. During the training process the differential evolution algorithm determines the optimal class vectors, selects optimal distance metrics, and determines the optimal values for the free parameters of each selected distance measure. The results obtained with the above method confirm that the choice of distance measure is one of the most crucial factors for obtaining higher classification accuracy. The results also demonstrate that it is possible to build a classifier that is able to select the optimal distance measure for the given data set automatically and systematically. After finding optimal distance measures together with optimal parameters from the particular distance measure results are then aggregated to form a total distance, which will be used to form the deviation between the class vectors and samples and thus classify the samples. This thesis also discusses two types of aggregation operators, namely, ordered weighted averaging (OWA) based multi-distances and generalized ordered weighted averaging (GOWA). These aggregation operators were applied in this work to the aggregation of the normalized distance values. The results demonstrate that a proper combination of aggregation operator and weight generation scheme play an important role in obtaining good classification accuracy. The main outcomes of the work are the six new generalized versions of previous method called differential evolution classifier. All these DE classifier demonstrated good results in the classification tasks.

Complex dynamics in simple systems with periodic parameter oscillations

We study systems with periodically oscillating parameters that can give way to complex periodic or nonperiodic orbits. Performing the long time limit, we can define ergodic averages such as Lyapunov exponents, where a negative maximal Lyapunov exponent corresponds to a stable periodic orbit. By this, extremely complicated periodic orbits composed of contracting and expanding phases appear in a natural way. Employing the technique of ϵ-uncertain points, we find that values of the control parameters supporting such periodic motion are densely embedded in a set of values for which the motion is chaotic. When a tiny amount of noise is coupled to the system, dynamics with positive and with negative nontrivial Lyapunov exponents are indistinguishable. We discuss two physical systems, an oscillatory flow inside a duct and a dripping faucet with variable water supply, where such a mechanism seems to be responsible for a complicated alternation of laminar and turbulent phases.

Formulation and implementation of a residual-mean ocean circulation model

A parameterization of mesoscale eddies in coarse-resolution ocean general circulation models (GCM) is formulated and implemented using a residual-mean formalism. In that framework, mean buoyancy is advected by the residual velocity (the sum of the Eulerian and eddy-induced velocities) and modified by a residual flux which accounts for the diabatic effects of mesoscale eddies. The residual velocity is obtained by stepping forward a residual-mean momentum equation in which eddy stresses appear as forcing terms. Study of the spatial distribution of eddy stresses, derived by using them as control parameters to ‘‘fit’’ the residual-mean model to observations, supports the idea that eddy stresses can be likened to a vertical down-gradient flux of momentum with a coefficient which is constant in the vertical. The residual eddy flux is set to zero in the ocean interior, where mesoscale eddies are assumed to be quasi-adiabatic, but is parameterized by a horizontal down-gradient diffusivity near the surface where eddies develop a diabatic component as they stir properties horizontally across steep isopycnals. The residual-mean model is implemented and tested in the MIT general circulation model. It is shown that the resulting model (1) has a climatology that is superior to that obtained using the Gent and McWilliams parameterization scheme with a spatially uniform diffusivity and (2) allows one to significantly reduce the (spurious) horizontal viscosity used in coarse resolution GCMs.

On the concept of electrical impedance for an electrolytic cell

The analysis of the electrical impedance of an electrolytic cell in the shape of a slab is performed. We have solved, numerically, the differential equations governing the phenomenon of the redistribution of the ions in the presence of an external electric field, and compared the results with the ones obtained by solving the linear approximation of these equations. The control parameters in our study are the amplitude and the frequency of the applied voltage, assumed a simple harmonic function of the time. We show that for the large amplitudes of the applied voltage, the actual current is no longer harmonic at low frequencies. From this result it follows that the concept of electrical impedance of a cell is a useful quantity only in the case where the linear approximation of the fundamental equations of problem work well.