Bayesian methods for estimation, optimization and experimental design

Mathematical models often contain parameters that need to be calibrated from measured data. The emergence of efficient Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods has made the Bayesian approach a standard tool in quantifying the uncertainty in the parameters. With MCMC, the parameter estimation problem can be solved in a fully statistical manner, and the whole distribution of the parameters can be explored, instead of obtaining point estimates and using, e.g., Gaussian approximations. In this thesis, MCMC methods are applied to parameter estimation problems in chemical reaction engineering, population ecology, and climate modeling. Motivated by the climate model experiments, the methods are developed further to make them more suitable for problems where the model is computationally intensive. After the parameters are estimated, one can start to use the model for various tasks. Two such tasks are studied in this thesis: optimal design of experiments, where the task is to design the next measurements so that the parameter uncertainty is minimized, and model-based optimization, where a model-based quantity, such as the product yield in a chemical reaction model, is optimized. In this thesis, novel ways to perform these tasks are developed, based on the output of MCMC parameter estimation. A separate topic is dynamical state estimation, where the task is to estimate the dynamically changing model state, instead of static parameters. For example, in numerical weather prediction, an estimate of the state of the atmosphere must constantly be updated based on the recently obtained measurements. In this thesis, a novel hybrid state estimation method is developed, which combines elements from deterministic and random sampling methods.

Epälineaaristen regressiomenetelmien vertaaminen robottikäden otemallinnuksessa

Tässä työssä verrattiin monikerrosperseptronin, radiaalikantafunktioverkon, tukivektoriregression ja relevanssivektoriregression soveltuvuutta robottikäden otemallinnukseen. Menetelmille ohjelmoitiin koeympäristö Matlabiin, jossa mallit koestettiin kolmiulotteisella kappaledatalla. Koejärjestely sisälsi kaksi vaihetta. Kokeiden ensimmäisessä vaiheessa menetelmille haettiin sopivat parametrit ja toisessa vaiheessa menetelmät koestettiin. Kokeilla kerättiin dataa menetelmien keskinäiseen vertailuun. Vertailussa huomioitiin laskentanopeus, koulutusaika ja tarkkuus. Tukivektoriregressio löydettiin potentiaaliseksi vaihtoehdoksi mallintamiseen. Tukivektoriregression koetuloksia analysoitiin muita menetelmiä enemmän hyvien koetulosten takia.

Kaarihitsauksen suojakaasun tunnistus ja virtauksen mittaus ultraäänellä

Kaasukaarihitsauksessa suojakaasuna käytetään yleensä argonin ja hiilidioksidin tai argonin ja heliumin seoksia. Suojakaasu vaikuttaa useisiin hitsausominaisuuksiin, jotka puolestaan vaikuttavat hitsauksen laatuun ja tuottavuuteen. Automaattisella suojakaasun tunnistuksella ja virtausmäärän mittauksella voitaisiin tehdä hitsauksesta paitsi käyttäjän kannalta yksinkertaisempaa, myös laadukkaampaa. Työn tavoite on löytää mahdollisimman edullinen ja kuitenkin mahdollisimman tarkasti kaasuseoksia tunnistava menetelmä, jota voitaisiin hyödyntää MIG/MAG-hitsauskoneeseen sisäänrakennettuna. Selvä etu on, jos menetelmällä voidaan mitata myös kaasun virtausmäärä. Äänennopeus kaasumaisessa väliaineessa on aineen atomi- ja molekyylirakenteesta ja lämpötilasta riippuva ominaisuus, joka voidaan mitata melko edullisesti. Äänennopeuden määritys perustuu ääniaallon kulkuajan mittaamiseen tunnetun pituisella matkalla. Kaasun virtausnopeus on laskettavissa myötä- ja vastavirtaan mitattujen kulkuaikojen erotuksen avulla. Rakennettu mittauslaitteisto koostuu kahdesta ultraäänimuuntimesta, joiden halkaisija on 10 mm ja jotka toimivat sekä lähettimenä että vastaanottimena. Muuntimet ovat 140 mm:n etäisyydellä toisistaan virtauskanavassa, jossa suojakaasu virtaa yhdensuuntaisesti äänen kanssa. Virtauskanava on putki, jossa on käytetty elastisia materiaaleja, jotta ääniaaltojen eteneminen kanavan runkoa pitkin minimoituisi. Kehitetty algoritmi etsii kahden lähetetyn 40 kHz:n taajuisen kanttiaaltopulssin aiheuttaman vasteen perusteella ääniaallon saapumisajanhetken. Useiden mittausten, tulosten lajittelun ja suodatuksen jälkeen tuntemattomalle kaasulle lasketaan lämpötilakompensoitu vertailuluku. Tuntematon kaasu tunnistetaan vertailemalla lukua tunnettujen kaasuseosten mitattuihin vertailulukuihin. Laitteisto tunnistaa seokset, joissa heliumin osuus argonissa on enintään 50 %. Hiilidioksidia sisältävät argonin seokset puolestaan tunnistetaan puhtaaseen hiilidioksidiin asti jopa kahden prosenttiyksikön tarkkuudella. Kaasun tilavuusvirtausmittauksen tarkkuus on noin 1,0 l/min.

Tactile-Proprioceptive Robotic Grasping

Robotic grasping has been studied increasingly for a few decades. While progress has been made in this field, robotic hands are still nowhere near the capability of human hands. However, in the past few years, the increase in computational power and the availability of commercial tactile sensors have made it easier to develop techniques that exploit the feedback from the hand itself, the sense of touch. The focus of this thesis lies in the use of this sense. The work described in this thesis focuses on robotic grasping from two different viewpoints: robotic systems and data-driven grasping. The robotic systems viewpoint describes a complete architecture for the act of grasping and, to a lesser extent, more general manipulation. Two central claims that the architecture was designed for are hardware independence and the use of sensors during grasping. These properties enables the use of multiple different robotic platforms within the architecture. Secondly, new data-driven methods are proposed that can be incorporated into the grasping process. The first of these methods is a novel way of learning grasp stability from the tactile and haptic feedback of the hand instead of analytically solving the stability from a set of known contacts between the hand and the object. By learning from the data directly, there is no need to know the properties of the hand, such as kinematics, enabling the method to be utilized with complex hands. The second novel method, probabilistic grasping, combines the fields of tactile exploration and grasp planning. By employing well-known statistical methods and pre-existing knowledge of an object, object properties, such as pose, can be inferred with related uncertainty. This uncertainty is utilized by a grasp planning process which plans for stable grasps under the inferred uncertainty.

Sumea suositin elokuville

Suositusmenetelmien tarkoituksena on auttaa käyttäjää löytämään häntä kiinnostavia asioita ja välttämään asioita, joista hän ei pitäisi. Suositusmenetelmät antavat suosituk- set yleensä terävinä lukuina. Tässä työssä kehitetään suositusmenetelmä, joka antaa suo- situkset arvosanojen sumeina jäsenyysasteina. Menetelmän antamat suositukset voidaan myös perustella käyttäjälle. Menetelmä kuuluu pääosin yhteisösuodatusmenetelmiin, jois- sa suositukset tehdään käyttäjien antamien arvosanojen perusteella, mutta myös tietoa elokuvien tyylilajeista hyödynnetään suositustarkkuuden parantamiseksi. Sumeiden suo- situsten suositeltavuusjärjestyksen laskemiseen esitetään myös menetelmä. Käyttäjien elokuville antamat arvosanat voidaan käsittää sumeana datana. Käyttäjä voi kuvata arvosanaa esimerkiksi ilmaisulla ”noin 4”. Tästä syystä on loogista esittää suo- situksetkin sumeina lukuina. Tällöin käyttäjälle voidaan antaa tietoa suosituksen tark- kuudesta ja mahdollisista ristiriidoista. Epävarmojen suositusten tapauksessa käyttäjä voi painottaa enemmän muita tietolähteitä. Kokeiden perusteella kehitetty menetelmä antaa joissa tapauksissa selvästi vertailtavia menetelmiä parempia suosituksia, kun taas toisissa tapauksissa suositukset ovat selvästi heikompia.

Post-industrial 2.0 – Social Web as the second coming of the post-industrial society

This study presents a review of theories of the so-called post-industrial society, and proposes that the concept of post-industrial society can be used to understand the recent developments of the World Wide Web, often described as Web 2.0 or social Web. The study combines theories ranging from post-war management science and cultural studies to software development, and tries to build a holistic view of the development of the post-industrial society, and especially the Internet. The discourse on the emergence of a post-industrial society after the World Wars has addressed the ways in which the growing importance of information, and innovations in digital communications technology, are changing our society. It is furthermore deeply connected with the discourse on the postmodern society, which emphasizes cultural fragmentation, intertextuality, and pluralism. The Internet age is characterized by increasing masses of information that are managed through various technologies. While 1990s Internet technologies often used the network as a traditional broadcasting channel with added interactivity, Web 2.0 technologies are specifically designed to utilize the network model by facilitating communication between various services and devices, and analyzing the relationships between users and objects in order to produce intelligent insight. The wide adoption of the Internet, and recently of Internet-enabled mobile devices, is furthermore continuously producing new ways of communicating, consuming, and producing. Applications of the social Web, such as social media or social networking services, are permanently changing our traditional social, cultural, and economic practices. The study first presents an overview of the post-industrial society, the Internet, and the concept of Web 2.0. Then the concept of social Web is described with an analysis of the term social media, the brief histories of the interactive Web and social networking services, and a description of the concept ―long tail‖, used to represent the masses of information available in the Web that do not receive mainstream attention. Finally, methods for retrieving and filtering information, modeling social and cultural relationships, and communicating with customers, are presented.

Ulkomaalaisen yrityksen verkostosuhteet Venäjällä

Tutkimuksen tavoitteena on konkreettisen yritysverkoston avulla selvittää, minkälaisia ovat ulkomaalaisen yrityksen potentiaaliset kumppanit ja yritysten väliset suhteet Venäjällä. Toisena tavoitteena on kuvata käytännön työelämään sopivalla menetelmällä riittävän kokonaisvaltaisesti yritysverkoston kumppanit sekä kumppaneiden ja kärkiyrityksen väliset suhteet. Samalla tarkastellaan yritysten välisten suhteiden riskejä. Selvitysmenetelmällä pyritään nopeuteen ja ketteryyteen ja sen tavoitteena on lisätä ulkomaisen johdon käsitystä yritysverkostosta johdon päätöksentekoa varten. Tutkimus jakaantuu teoria tarkasteluun ja yhden Venäjällä toimivan ulkomaisen yrityksen osto-osaston verkostoa selvittävään empiiriseen osaan. Teoriatarkastelussa selvitetään erilaisia lähestymistapoja ja laajempia viitekehyksiä yritysverkostojen tutkimukseen. Teoriatarkastelun perusteella valittiin viitekehykset yrityskumppaneiden ja yritysten välisen suhteen sekä riskien arviointiin. Empiirisen osan tutkimus toteutettiin haastattelukyselytutkimuksena perustuen näihin viitekehyksiin. Yrityskumppaneita ja yritysten välisiä suhteita tarkastellaan tilastollisin menetelmin ja riskejä arvioidaan laadullisella tutkimusotteella. Tutkimustulokset vastaavat monelta osin liiketoimintakulttuurista ja –ympäristöstä saatua kokemukseen ja tutkimustietoon perustuvaa käsitystä. Verkostoitumisen kulmakivet ovat hyvin toimivat ja määritellyt vaihdannan liiketoiminta- ja tukiprosessit, hyvin tunnetut kumppanit ja tälle perustalle rakennetut sosiaaliset suhteet sekä liiketoimintaympäristöön ja –kulttuuriin soveltuvat yhteistyökompetenssit. Tutkitun yritysverkoston yhteistyösuhteet voidaan jakaa hierarkkiseen organisaatiokumppanuuteen, toimittajakumppanuuteen, luottamukseen perustuvaan markkinaehtoiseen suhteeseen ja opportunistiseen markkinasuhteeseen. Hyviä yhteistyökumppaneita ja –suhteita löytyy taustaltaan erilaisista toimittajista. Tutkimuksessa käytetyt viitekehykset toimivat hyvin erityisesti yrityskumppanin arvioinnissa. Yritysten välisen suhteen arviointiin käytetyn viitekehyksen ongelmat liittyivät lähinnä erilaiseen liiketoimintakulttuuriin ja käsitykseen yritysten välisestä strategisesta suhteesta. Riskit liittyivät toimitussuhteeseen useammin kuin omaan organisaatioon tai toimittajaan.

City meadows : Vitality from a living heritage

In the middle of the hustle and bustle of a city, you may find a city meadow. A city meadow refers to a green area situated in an urban setting, the management of which aims at maintaining meadow species and facilitating outdoor recreation for city residents. Some of these green areas situated in cities are managed in a detailed and planned manner, while others have been left untended and are now wild, overgrown and in some cases impenetrable. However, all these meadows share one similarity: they play an important role in producing ecosystem services. What, then, is meant by ecosystem services? The multitude of flowers that bloom during summer, recreational opportunities, maintaining nature’s diversity, as well as filtering urban runoff are some of the everyday “services” that city meadows provide for the urban environment and its residents. This publication covers several different points of view by numerous experts on the importance of green areas in cities. The message is clear: management of city meadows improves both natural and cultural environments in a cost-effective manner. City meadows also help improve the health and enjoyment of city residents. When a green area is well-managed, the reputation and image of the surrounding properties and neighbourhood will also improve, as will their financial value!

Characterization of fiber and vessel elements in pulp suspension images

The thesis is related to the topic of image-based characterization of fibers in pulp suspension during the papermaking process. Papermaking industry is focusing on process control optimization and automatization, which makes it possible to manufacture highquality products in a resource-efficient way. Being a part of the process control, pulp suspension analysis allows to predict and modify properties of the end product. This work is a part of the tree species identification task and focuses on analysis of fiber parameters in the pulp suspension at the wet stage of paper production. The existing machine vision methods for pulp characterization were investigated, and a method exploiting direction sensitive filtering, non-maximum suppression, hysteresis thresholding, tensor voting, and curve extraction from tensor maps was developed. Application of the method to the microscopic grayscale pulp images made it possible to detect curves corresponding to fibers in the pulp image and to compute their morphological characteristics. Performance of the method was evaluated based on the manually produced ground truth data. An accuracy of fiber characteristics estimation, including length, width, and curvature, for the acacia pulp images was found to be 84, 85, and 60% correspondingly.

Rasvasuodatus UV-valon avulla

Tämä kandidaatintyö käsittelee rasva-aerosolien vähentämistä liesituulettimissa ultraviolettivalon (UV) ja titaanioksidin avulla (TiO2). Työssä käsitellään rasva-aerosolien aiheuttamia haittoja julkisissa keittiöissä ja liesituulettimen merkitystä rasva-aerosolipitoisuuksiin. Työn tavoitteena on selvittää, miten rasva-aerosolit käyttäytyvät kun niitä suodatetaan UV-valon ja TiO2-katalyytin avulla. Työssä myös pohditaan onko UV/TiO2-menetelmä tehokas liesituulettimen rasvan vähentäjä.

Puuhydrolysaatin esikäsittely foulaantumisen vähentämiseksi ultrasuodatuksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, voidaanko puuhydrolysaatin esikäsittelyllä vähentää sen ultrasuodatuksen aikana esiintyvää kalvojen foulaantumista. Kokeellinen osa rajattiin koskemaan hydrolysaatin käsittelyä lakkaasientsyymillä, flokkulanteilla, kitosaanilla sekä adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmällä. Esikäsittelyjen tavoitteena oli poistaa tai hajottaa hydrolysaatin sisältämää ligniiniä. Käsittelyjen teho testattiin suodattamalla eri tavoin käsiteltyä hydrolysaattia laboratoriokokeissa. Kokeissa adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmäkäsittely osoittautui parhaaksi. Suodatuskapasiteetti parani ja foulaantuminen väheni verrattuna esikäsittelemättömän hydrolysaatin suodatukseen. Ligniiniä poistui käsittelyssä, kuten tavoitteena oli. Suodatuksessa kuitenkin edelleen tapahtui foulaantumista ja esikäsittelyn tehoa tulisi siksi vielä parantaa. Myös esikäsittely lakkaasientsyymillä paransi suodatuskapasiteettia ja vähensi foulaantumista, mutta vähemmän kuin entsyymi-adsorbenttikäsittely.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Numerical Simulation of Stochastic Di erential Equations

Stochastic differential equation (SDE) is a differential equation in which some of the terms and its solution are stochastic processes. SDEs play a central role in modeling physical systems like finance, Biology, Engineering, to mention some. In modeling process, the computation of the trajectories (sample paths) of solutions to SDEs is very important. However, the exact solution to a SDE is generally difficult to obtain due to non-differentiability character of realizations of the Brownian motion. There exist approximation methods of solutions of SDE. The solutions will be continuous stochastic processes that represent diffusive dynamics, a common modeling assumption for financial, Biology, physical, environmental systems. This Masters' thesis is an introduction and survey of numerical solution methods for stochastic differential equations. Standard numerical methods, local linearization methods and filtering methods are well described. We compute the root mean square errors for each method from which we propose a better numerical scheme. Stochastic differential equations can be formulated from a given ordinary differential equations. In this thesis, we describe two kind of formulations: parametric and non-parametric techniques. The formulation is based on epidemiological SEIR model. This methods have a tendency of increasing parameters in the constructed SDEs, hence, it requires more data. We compare the two techniques numerically.

Roles of leadership in complex environments : Enhancing Knowledge Flows in Organisational Constellations through Practice-Based Innovation Processes

Global challenges, complexity and continuous uncertainty demand development of leadership approaches, employees and multi-organisation constellations. Current leadership theories do not sufficiently address the needs of complex business environments. First of all, before successful leadership models can be applied in practice, leadership needs to shift from the industrial age to the knowledge era. Many leadership models still view leadership solely through the perspective of linear process thinking. In addition, there is not enough knowledge or experience in applying these newer models in practice. Leadership theories continue to be based on the assumption that leaders possess or have access to all the relevant knowledge and capabilities to decide future directions without external advice. In many companies, however, the workforce consists of skilled professionals whose work and related interfaces are so challenging that the leaders cannot grasp all the linked viewpoints and cross-impacts alone. One of the main objectives of this study is to understand how to support participants in organisations and their stakeholders to, through practice-based innovation processes, confront various environments. Another aim is to find effective ways of recognising and reacting to diverse contexts, so companies and other stakeholders are better able to link to knowledge flows and shared value creation processes in advancing joint value to their customers. The main research question of this dissertation is, then, to seek understanding of how to enhance leadership in complex environments. The dissertation can, on the whole, be characterised as a qualitative multiple-case study. The research questions and objectives were investigated through six studies published in international scientific journals. The main methods applied were interviews, action research and a survey. The empirical focus was on Finnish companies, and the research questions were examined in various organisations at the top levels (leaders and managers) and bottom levels (employees) in the context of collaboration between organisations and cooperation between case companies and their client organisations. However, the emphasis of the analysis is the internal and external aspects of organisations, which are conducted in practice-based innovation processes. The results of this study suggest that the Cynefin framework, complexity leadership theory and transformational leadership represent theoretical models applicable to developing leadership through practice-based innovation. In and of themselves, they all support confronting contemporary challenges, but an implementable method for organisations may be constructed by assimilating them into practice-based innovation processes. Recognition of diverse environments, their various contexts and roles in the activities and collaboration of organisations and their interest groups is ever-more important to achieving better interaction in which a strategic or formal status may be bypassed. In innovation processes, it is not necessarily the leader who is in possession of the essential knowledge; thus, it is the role of leadership to offer methods and arenas where different actors may generate advances. Enabling and supporting continuous interaction and integrated knowledge flows is of crucial importance, to achieve emergence of innovations in the activities of organisations and various forms of collaboration. The main contribution of this dissertation relates to applying these new conceptual models in practice. Empirical evidence on the relevance of different leadership roles in practice-based innovation processes in Finnish companies is another valuable contribution. Finally, the dissertation sheds light on the significance of combining complexity science with leadership and innovation theories in research.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.