Efficient Optimization Algorithms for Nonlinear Data Analysis

Identification of low-dimensional structures and main sources of variation from multivariate data are fundamental tasks in data analysis. Many methods aimed at these tasks involve solution of an optimization problem. Thus, the objective of this thesis is to develop computationally efficient and theoretically justified methods for solving such problems. Most of the thesis is based on a statistical model, where ridges of the density estimated from the data are considered as relevant features. Finding ridges, that are generalized maxima, necessitates development of advanced optimization methods. An efficient and convergent trust region Newton method for projecting a point onto a ridge of the underlying density is developed for this purpose. The method is utilized in a differential equation-based approach for tracing ridges and computing projection coordinates along them. The density estimation is done nonparametrically by using Gaussian kernels. This allows application of ridge-based methods with only mild assumptions on the underlying structure of the data. The statistical model and the ridge finding methods are adapted to two different applications. The first one is extraction of curvilinear structures from noisy data mixed with background clutter. The second one is a novel nonlinear generalization of principal component analysis (PCA) and its extension to time series data. The methods have a wide range of potential applications, where most of the earlier approaches are inadequate. Examples include identification of faults from seismic data and identification of filaments from cosmological data. Applicability of the nonlinear PCA to climate analysis and reconstruction of periodic patterns from noisy time series data are also demonstrated. Other contributions of the thesis include development of an efficient semidefinite optimization method for embedding graphs into the Euclidean space. The method produces structure-preserving embeddings that maximize interpoint distances. It is primarily developed for dimensionality reduction, but has also potential applications in graph theory and various areas of physics, chemistry and engineering. Asymptotic behaviour of ridges and maxima of Gaussian kernel densities is also investigated when the kernel bandwidth approaches infinity. The results are applied to the nonlinear PCA and to finding significant maxima of such densities, which is a typical problem in visual object tracking.

Portfolio Selection via Composite Measure Analysis: Evidence from the U.S. Stock Market

The aim of this research is to examine the pricing anomalies existing in the U.S. market during 1986 to 2011. The sample of stocks is divided into decile portfolios based on seven individual valuation ratios (E/P, B/P, S/P, EBIT/EV, EVITDA/EV, D/P, and CE/P) and price momentum to investigate the efficiency of individual valuation ratio and their combinations as portfolio formation criteria. This is the first time in financial literature when CE/P is employed as a constituent of composite value measure. The combinations are based on median scaled composite value measures and TOPSIS method. During the sample period value portfolios significantly outperform both the market portfolio and comparable glamour portfolios. The results show the highest return for the value portfolio that was based on the combination of S/P & CE/P ratios. The outcome of this research will increase the understanding on the suitability of different methodologies for portfolio selection. It will help managers to take advantage of the results of different methodologies in order to gain returns above the market.

Distribution network design and optimization

The objective of this thesis is to examine distribution network designs and modeling practices and create a framework to identify best possible distribution network structure for the case company. The main research question therefore is: How to optimize case company’s distribution network in terms of customer needs and costs? Theory chapters introduce the basic building blocks of the distribution network design and needed calculation methods and models. Framework for the distribution network projects was created based on the theory and the case study was carried out by following the defined framework. Distribution network calculations were based on the company’s sales plan for the years 2014 - 2020. Main conclusions and recommendations were that the new Asian business strategy requires high investments in logistics and the first step is to open new satellite DC in China as soon as possible to support sales and second possible step is to open regional DC in Asia within 2 - 4 years.

Optimization and Measuring Techniques for Collect-and-Place Machines in Printed Circuit Board Industry

This thesis considers optimization problems arising in printed circuit board assembly. Especially, the case in which the electronic components of a single circuit board are placed using a single placement machine is studied. Although there is a large number of different placement machines, the use of collect-and-place -type gantry machines is discussed because of their flexibility and increasing popularity in the industry. Instead of solving the entire control optimization problem of a collect-andplace machine with a single application, the problem is divided into multiple subproblems because of its hard combinatorial nature. This dividing technique is called hierarchical decomposition. All the subproblems of the one PCB - one machine -context are described, classified and reviewed. The derived subproblems are then either solved with exact methods or new heuristic algorithms are developed and applied. The exact methods include, for example, a greedy algorithm and a solution based on dynamic programming. Some of the proposed heuristics contain constructive parts while others utilize local search or are based on frequency calculations. For the heuristics, it is made sure with comprehensive experimental tests that they are applicable and feasible. A number of quality functions will be proposed for evaluation and applied to the subproblems. In the experimental tests, artificially generated data from Markov-models and data from real-world PCB production are used. The thesis consists of an introduction and of five publications where the developed and used solution methods are described in their full detail. For all the problems stated in this thesis, the methods proposed are efficient enough to be used in the PCB assembly production in practice and are readily applicable in the PCB manufacturing industry.

Productizing of advanced service for power plants

Työn tavoitteena on kehittää ABB:lle palvelutuote, jota voidaan tarjota voimalaitosasiakkaille. Uuden palvelutuotteen tulee vastata ABB:n uuden strategian linjauksiin. Palvelulla tarjotaan asiakkaille 1.1.2015 voimaan tulleen energiatehokkuuslain määrittelemien pakollisten toimenpiteiden suoritusta. Työssä kerätään, käsitellään ja analysoidaan tietoa voimalaitosasiakkaille suunnatun palvelun tuotteistamisprosessin päätöksenteon tueksi. Palvelutuotteen kehittämistä varten tutkitaan ABB:n nykyisiä palvelutuotteita, osaamista ja referenssi projekteja, energiatehokkuuslakia, voimalaitosten energiatehokkuus-potentiaalia ja erilaisia energiakatselmusmalleja. Päätöksenteon tueksi tehdään referenssiprojektina energia-analyysi voimalaitokselle, jossa voimalaitoksesta tehdään ipsePRO simulointiohjelmalla mallinnus. Mallinnuksen ja koeajojen avulla tutkitaan voimalaitoksen minimikuorman optimointia. Markkinatutkimuksessa selvitetään lainsäädännön vaikutusta, nykyistä markkinatilannetta, potentiaalisia asiakkaita, kilpailijoita ja ABB:n mahdollisuuksia toimia alalla SWOT–analyysin avulla. Tutkimuksen tulosten perusteella tehdään päätös tuotteistaa voimalaitoksille palvelutuote, joka sisältää kaikki toimet energiatehokkuuslain asettamien vaatimusten täyttämiseen yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilön, energiakatselmuksen ja kohdekatselmuksien teon osalta. Lisäksi työn aikana Energiavirasto myönsi ABB:lle pätevyyden toimia yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilönä, mikä on edellytyksenä palvelun tarjoamiselle.

Optimization of a dynamic district heating power plant

The purpose of this Thesis is to find the most optimal heat recovery solution for Wärtsilä’s dynamic district heating power plant considering Germany energy markets as in Germany government pays subsidies for CHP plants in order to increase its share of domestic power production to 25 % by 2020. Different heat recovery connections have been simulated dozens to be able to determine the most efficient heat recovery connections. The purpose is also to study feasibility of different heat recovery connections in the dynamic district heating power plant in the Germany markets thus taking into consideration the day ahead electricity prices, district heating network temperatures and CHP subsidies accordingly. The auxiliary cooling, dynamical operation and cost efficiency of the power plant is also investigated.

Portfolio as an Indicator of Young Learners’ English Proficiency in Mainstream Language Instruction (EFL) and Bilingual Content Instruction (CLIL)

Tämä soveltavan kielitieteen ja kielitaidon arvioinnin toimintatutkimus tarkasteli kieliportfolion ominaisuuksia ja mahdollisuuksia nuorten oppijoiden englannin kielen arvioinnissa kahdessa eri oppimiskontekstissa: englanti oppiaineena (EFL) ja kaksikielinen sisällönopetus (CLIL). Tutkielman itsenäiset, kahteen eri englannin kielen rekisteriin (arkikieli ja akateeminen kieli) kohdistuneet portfoliokokeilut olivat erillisiä tapaustutkimuksia. Molemmat portfoliot perustuivat väljästi Eurooppalaiseen kielisalkkumalliin, ja ne olivat osa tutkielmantekijän luokkaopetusta ja -toimintaa. EFL -portfoliokokeilu 9-10-vuotiaille kolmasluokkalaisille toteutettiin marraskuun 2011 ja toukokuun 2012 välisenä aikana, kun CLIL -portfoliokokeilu n. 7-9-vuotiallle ensimmäisen ja toisen luokan oppilaille kesti kaksi lukuvuotta 2012–2014. Molemmissa kokeiluissa myös oppilaiden vanhemmat kuuluivat tutkimusjoukkoon, samoin CLIL -portfolion toteutuksessa avustaneet ja opettajanäkökulmaa edustaneet opettajaopiskelijat. Portfoliokokeilun aloitti myös kaksi muuta CLIL -opettajaa, mutta kumpikin kokeilu päättyi alkuvaiheeseensa. Tarkemman tarkastelun kohteina olivat tutkimuksen osallistujien kokemukset ja mielipiteet portfoliokokeiluista. Erityisesti tavoitteena oli selvittää, miten informatiivisena englannin kielitaidon indikaattorina kieliportfoliota pidettiin. Myös kehitysehdotuksia kerättiin. Trianguloitu aineisto koottiin sekä puolistrukturoiduin kyselyin että vapaaehtoisin teemahaastatteluin, jotka äänitettiin. EFL -aineisto koostui 18 oppilaskyselystä, 17 huoltajakyselystä ja 7 oppilashaastattelusta. CLIL -aineistoon sisältyi 19 oppilaskyselyä, 18 huoltajakyselyä, 7 oppilashaastattelua ja yksi opettajaopiskelijoiden (N=3) ryhmähaastattelu. Aineisto analysoitiin pääosin kvalitatiivisin menetelmin temaattisen sisältöanalyysin keinoin, mutta myös laskien frekvenssejä ja prosenttisosuuksia. Osallistujien mielipiteet ja kokemukset olivat hyvin samankaltaiset ja positiiviset kummassakin portfoliokokeilussa. Merkittävä enemmistö sekä oppilaista että huoltajista koki, että portfolion avulla on mahdollista osoittaa englannin kielitaitoa ja sen kehittymistä. Oppilaat kuvailivat portfoliotyötä hauskaksi ja kivaksi, ja heidän mielestään portfoliotehtävien pitäisi olla tarpeeksi haastavia, sisältää taiteellisia ja luovia elementtejä sekä kohdistua tuttuihin, mielenkiintoisiin aiheisiin. He totesivat, että portfolion avulla voi oppia lisää kieltä. Vanhempien mielestä portfolio kertoo koulun vieraiksi jääneistä oppisisällöistä, auttaa ymmärtämään lapsen ajatusmaailmaa ja motivaatiotasoa sekä paljastaa heidän kielitaidostaan uusia ulottuvuuksia. Opettajaopiskelijat havaitsivat, että portfolion avulla voi tutustua oppilaiden kieli- ja kulttuuritaustoihin sekä kartoittaa heidän kielellisiä tarpeitaan. Tämän tutkielman teoreettisen tarkastelun ja tulosten mukaan kieliportfolio tukee erinomaisesti uuden Perusopetuksen Opetussuunnitelman (NCC 2014) tavoitteita ja arvioinnin uudistuspyrkimyksiä sekä lainsäädännön arvioinnille asettamia edellytyksiä. Portfolio on erittäin suositeltava nuorten oppijoiden kielitaidon arviointimenetelmä perinteisten rinnalle.

Optimization of the RNeasy Mini Kit to obtain high-quality total RNA from sessile cells of Staphylococcus aureus

Biofilm formed by Staphylococcus aureus is considered an important virulence trait in the pathogenesis of infections associated with implantable medical devices. Gene expression analyses are important strategies for determining the mechanisms involved in production and regulation of biofilm. Obtaining intact RNA preparations is the first and most critical step for these studies. In this article, we describe an optimized protocol for obtaining total RNA from sessile cells of S. aureus using the RNeasy Mini Kit. This method essentially consists of a few steps, as follows: 1) addition of acetone-ethanol to sessile cells, 2) lysis with lysostaphin at 37°C/10 min, 3) vigorous mixing, 4) three cycles of freezing and thawing, and 5) purification of the lysate in the RNeasy column. This simple pre-kit procedure yields high-quality total RNA from planktonic and sessile cells of S. aureus.

Use of the Wasserman equation in optimization of the duration of the power ramp in a cardiopulmonary exercise test: a study of Brazilian men

This study aimed to analyze the agreement between measurements of unloaded oxygen uptake and peak oxygen uptake based on equations proposed by Wasserman and on real measurements directly obtained with the ergospirometry system. We performed an incremental cardiopulmonary exercise test (CPET), which was applied to two groups of sedentary male subjects: one apparently healthy group (HG, n=12) and the other had stable coronary artery disease (n=16). The mean age in the HG was 47±4 years and that in the coronary artery disease group (CG) was 57±8 years. Both groups performed CPET on a cycle ergometer with a ramp-type protocol at an intensity that was calculated according to the Wasserman equation. In the HG, there was no significant difference between measurements predicted by the formula and real measurements obtained in CPET in the unloaded condition. However, at peak effort, a significant difference was observed between oxygen uptake (V˙O2)peak(predicted)and V˙O2peak(real)(nonparametric Wilcoxon test). In the CG, there was a significant difference of 116.26 mL/min between the predicted values by the formula and the real values obtained in the unloaded condition. A significant difference in peak effort was found, where V˙O2peak(real)was 40% lower than V˙O2peak(predicted)(nonparametric Wilcoxon test). There was no agreement between the real and predicted measurements as analyzed by Lin’s coefficient or the Bland and Altman model. The Wasserman formula does not appear to be appropriate for prediction of functional capacity of volunteers. Therefore, this formula cannot precisely predict the increase in power in incremental CPET on a cycle ergometer.

Optimization of random amplified polymorphic DNA protocol for molecular identification of Lophius gastrophysus

Lophius gastrophysus has important commercial value in Brazil particularly for foreign trade. In this study, we described the optimization of Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD) protocol for identification of L. gastrophysus. Different conditions (annealing temperatures, MgCl concentrations, DNA quantity) were tested to find reproducible and adequate profiles. Amplifications performed with primers A01, ² A02 and A03 generate the best RAPD profiles when the conditions were annealing temperature of 36ºC, 25 ng of DNA quantity and 2.5 mM MgCl2. Exact identification of the species and origin of marine products is necessary and RAPD could be used as an accurate, rapid tool to expose commercial fraud.

Optimizing counterparty credit risk portfolio by reducing exposure at default variance

Rahoitusyhtiöt pitävät omaa pääomaa taseessa harvinaisen suuria markkinamuutoksia varten ja tämän pääoman määrä on ohjattu valvontaviranomaisten toimesta. Euroopassa Basel akordi antaa suuntaviivat näille säädöksille. 2007 vuoden finanssikriisin jälkeen rahoitusyhtiöt sekä valvojat ovat olleet entistä kiinnostuneempia pääoman riittävyydestä. Tutkimuksia riskistä, säädöksistä ja pääomavaateen madaltamisesta on tehty aikaisemmin, mutta tässä tutkimuksessa keskitytään vaateen jatkuvan muutoksen suuruuteen. Tutkimus sisältää hypoteettisen vastapuoliriski portfolion, jossa on mukana valuuttajohdannaisia. Tätä portfoliota simuloidaan eri tavoin, jotta nähtäisiin kuinka suuri vaikutus portfolion koostumuksella voi olla pääomavaateen varianssiin. Jos tämä muuttuja on merkittävä, pitäisikö rahoitusyhtiöiden yrittää pienentää muutosta, jotta yhtiöiden varapääoman määrää voitaisiin alentaa? Tutkimuksessa on myös haastateltu Suomen johtavia vastapuoliriski asiantuntijoita, jotta nähtäisiin rahoitusalan oma näkemys asian merkittävyydestä. Tutkimusmenetelminä toimivat haastattelut sekä numeerinen analyysi hypoteettisella portfoliolla. Kaupat tähän vastapuoliriski portfolioon on luotu 14 vuoden ajalle ja se sisältää ainoastaan valuuttajohdannaisia viidessä eri valuutassa. Riski lasketaan markkina-arvo menetelmällä, joista lasketaan VaR-mallilla tulevaisuuden riski nettoutuksen kera. Portfolion rakennetta muutetaan simuloinneissa, jotta nähtäisiin vaikutus tulevaisuuden riskeille, joita käytetään edustamaan pääomavaateen määrää ja sen vaihtelua yli ajan. Portfolioiden riskejä lasketaan myös rasituskokeiden avulla, jotta tuloksista saataisiin mahdollisimman todenmukaisia. Analyyttinen osuus tutkimuksesta näyttää sen, että tämän kaltainen optimointi on suuresti riippuvainen alkuperäisestä portfoliosta, jonka määrittää yleisesti rahoitusyhtiön myyntistrategia. Yleisesti ottaen pääomavaateen varianssin muutos voi simuloinneissa olla melko suurta, varsinkin jos mukaan huomioidaan rasitus testit, puuttuvat tuotteet sekä muut pääomavaateen laskentaan huomioitavat seikat. Haastatteluissa saatiin selville millainen optimointi voisi olla mahdollista todellisuudessa. Huomattiin myös että tämän kaltainen ajattelumalli on jo huomattu alalla ennestään. Jon Gregory jopa mainitsi, että jotkin rahoitusyhtiöt ovat enemmän kiinnostuneita muutosten pienentämisestä kuin itse pääomavaateen suuruudesta. Näyttääkin siltä, että tämän aihepiiri vaatisi entistä enemmän tutkimusta, sillä sitä ei ennestään vielä ole, ja rahoitusyhtiöt ovat jo alkaneet etsimään uusia keinoja selvitäkseen rahoitusalalla, joka on yhä entisestään kilpailullisempi.

Optimization and validation of a methodology to determine total arsenic, As(III) and As(V), in water samples, through graphite furnace atomic absorption spectrometry

The Graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF AAS) was the technique chosen by the inorganic contamination laboratory (INCQ/ FIOCRUZ) to be validated and applied in routine analysis for arsenic detection and quantification. The selectivity, linearity, sensibility, detection, and quantification limits besides accuracy and precision parameters were studied and optimized under Stabilized Temperature Platform Furnace (STPF) conditions. The limit of detection obtained was 0.13 µg.L-1 and the limit of quantification was 1.04 µg.L-1, with an average precision, for total arsenic, less than 15% and an accuracy of 96%. To quantify the chemical species As(III) and As(V), an ion-exchange resin (Dowex 1X8, Cl- form) was used and the physical-chemical parameters were optimized resulting in a recuperation of 98% of As(III) and of 90% of As(V). The method was applied to groundwater, mineral water, and hemodialysis purified water samples. All results obtained were lower than the maximum limit values established by the legal Brazilian regulations, in effect, 50, 10, and 5 µg.L-1 para As total, As(III) e As(V), respectively. All results were statistically evaluated.