Prosessimallinnus julkisen terveydenhuollon palveluketjun kehittämisessä

Diplomityö käsittelee prosessilähtöisen ajattelun soveltamista julkisen terveydenhuolto-organisaation toiminnan kehittämiseen. Työn tavoitteena on tutkia terveydenhuollon palveluprosesseja ja tehostaa niiden toimintaa. Työssä analysoidaan tietty palveluprosessien kokonaisuus, palveluketju asiakkaan näkökulmasta ja pyritään löytämään siitä ongelma- jakehityskohtia. Työn teoreettisessa osassa on pohjustettu tutkimusta luomalla katsaus julkisen organisaation toimintaan sekä prosessijohtamisen periaatteisiin, painotuksen ollessa asiakaslähtöisyydessä sekä teknologiassa. Palveluketjun analysointi suoritettiin prosessimallinnuksen periaatteiden mukaisesti, hyödyntäenprosessikuvausohjelmistoa. Kuvaus toteutettiin istunnoissa, joissa paikalla oliterveydenhuollon ammattihenkilöitä, prosessimallinnuksen tekninen asiantuntija sekä tutkimusryhmän edustajia. Tutkittavan prosessikokonaisuuden nykytila dokumentoitiin prosessikaavioksi sekä kaaviota tukeviksi dokumenteiksi. Ongelmakohtienkehittämisen perustaksi määritettiin oletuksia sekä tietoteknisistä ratkaisuista että toimintatapojen muutoksista. Kehitysehdotusten pohjalta luotiin palveluketjulle kaksi erilaista tavoitetilaa. Prosessilähtöisen johtamisen periaatteet soveltuivat julkisen terveydenhuollon toimintaprosessien analysointiin ja kehittämiseen. Esitetyillä kehittämisehdotuksilla voitiin saavuttaa kustannussäästöjä sekä tehostaa työajan kohdentumista. Myös asiakkaan hoidon laatua sekä hänen osallisuuttaan palveluun oli mahdollista lisätä.

Jatkuvavaletun teräksen leikkaussuunnitelman optimointi

Teollisuuden tuotannon eri prosessien optimointi on hyvin ajankohtainen aihe. Monet ohjausjärjestelmät ovat ajalta, jolloin tietokoneiden laskentateho oli hyvin vaatimaton nykyisiin verrattuna. Työssä esitetään tuotantoprosessi, joka sisältää teräksen leikkaussuunnitelman muodostamisongelman. Valuprosessi on yksi teräksen valmistuksen välivaiheita. Siinä sopivaan laatuun saatettu sula teräs valetaan linjastoon, jossa se jähmettyy ja leikataan aihioiksi. Myöhemmissä vaiheissa teräsaihioista muokataan pienempiä kokonaisuuksia, tehtaan lopputuotteita. Jatkuvavaletut aihiot voidaan leikata tilauskannasta riippuen monella eri tavalla. Tätä varten tarvitaan leikkaussuunnitelma, jonka muodostamiseksi on ratkaistava sekalukuoptimointiongelma. Sekalukuoptimointiongelmat ovat optimoinnin haastavin muoto. Niitä on tutkittu yksinkertaisempiin optimointiongelmiin nähden vähän. Nykyisten tietokoneiden laskentateho on kuitenkin mahdollistanut raskaampien ja monimutkaisempien optimointialgoritmien käytön ja kehittämisen. Työssä on käytetty ja esitetty eräs stokastisen optimoinnin menetelmä, differentiaalievoluutioalgoritmi. Tässä työssä esitetään teräksen leikkausoptimointialgoritmi. Kehitetty optimointimenetelmä toimii dynaamisesti tehdasympäristössä käyttäjien määrittelemien parametrien mukaisesti. Työ on osa Syncron Tech Oy:n Ovako Bar Oy Ab:lle toimittamaa ohjausjärjestelmää.

Compact thermal storage: a-state-of-the-art review of experimental results

Thermal energy storage (TES) can increase the thermal energy effieresa, of a process by reusing the waste heat from industrial process, solar energy or other sources. There are different ways to store thermal energy: by sensible heat, by latest heat, by sorption process or by chemical reaction. This thesrs provides a-state-of-the-art review of the experimental performance of TES systems based on solid gas sorption process and chemical reactions. The importance of theses processes is that provides a heat loss free storage system with a high energy density.

Reduction of oxidative cellular damage by overexpression of the thioredoxin TRX2 gene improves yield and quality of wine yeast dry active biomass

Background: Wine Saccharomyces cerevisiae strains, adapted to anaerobic must fermentations, suffer oxidative stress when they are grown under aerobic conditions for biomass propagation in the industrial process of active dry yeast production. Oxidative metabolism of sugars favors high biomass yields but also causes increased oxidation damage of cell components. The overexpression of the TRX2 gene, coding for a thioredoxin, enhances oxidative stress resistance in a wine yeast strain model. The thioredoxin and also the glutathione/glutaredoxin system constitute the most important defense against oxidation. Trx2p is also involved in the regulation of Yap1p-driven transcriptional response against some reactive oxygen species. Results: Laboratory scale simulations of the industrial active dry biomass production process demonstrate that TRX2 overexpression increases the wine yeast final biomass yield and also its fermentative capacity both after the batch and fed-batch phases. Microvinifications carried out with the modified strain show a fast start phenotype derived from its enhanced fermentative capacity and also increased content of beneficial aroma compounds. The modified strain displays an increased transcriptional response of Yap1p regulated genes and other oxidative stress related genes. Activities of antioxidant enzymes like Sod1p, Sod2p and catalase are also enhanced. Consequently, diminished oxidation of lipids and proteins is observed in the modified strain, which can explain the improved performance of the thioredoxin overexpressing strain. Conclusions: We report several beneficial effects of overexpressing the thioredoxin gene TRX2 in a wine yeast strain. We show that this strain presents an enhanced redox defense. Increased yield of biomass production process in TRX2 overexpressing strain can be of special interest for several industrial applications.

Epäpuhtaudet sinkin uutossa

Työssä tutkittiin metalli- ja anioniepäpuhtauksien myötäuuttautumista sinkin mukana di(2-etyyliheksyyli)fosforihappoalla (D2EHPA). Laboratoriokokeissa selvitettiin pH:n vaikutusta metalliepäpuhtauksien uuttautumiseen pH-alueella -O, l... 3 sekä pesujen vaikutusta sinkillä ladatun orgaanisen faasin metallipitoisuuksiin. Kokeita tehtiin sekä synteettisillä että autenttisilla prosessiliuoksilla. Anionikokeissa tutkittiin raudan ja sinkin vaikutusta kloridin ja fluoridin uuttautumiseen. Synteettisillä liuoksilla tehdyissä kokeissa tutkittiin kadmiumin, koboltin, nikkelin, kuparin sekä antimonin uuttautumista sinkkisulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin D2EHPA:n uuttavan sinkkiä selvästi em. metalleja paremmin. Sinkki uuttautui sulfaattiliuoksesta lähes täydellisesti tasapaino-pH:n ollessa yli 2,3. Sinkin jälkeen muista metalleista uuttautui eniten kadmium ja järjestyksessä sitten kupari, koboltti ja nikkeli. Epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista lisääntyi uuton tasapaino-pH:n kasvaessa ja väheni sinkkilatauksen kasvaessa. Kahdella peräkkäisellä pesuaskeleella, joissa ensimmäinen pesuliuos sisälsi 5 g/L rikkihappoa ja toinen sekä 15 g/L rikkihappoa että 5 g/L sinkkiä saatiin kaikkien epäpuhtausmetallien pitoisuudet jäämään alle 3 mg/L. Antimonin uuttokokeissa huomattiin antimonin uuttautuvan täydellisesti D2EHPA:lla pH:sta riippumatta pH-alueella0...3. Prosessiliuoksilla tehdyissä kokeissa todettiin D2EHPA:n pystyvän tehokkaasti erottamaan sinkin magnesiumista ßzn,Mg ˜107 ja kadmiumista ßzn,cd ˜106. Havaittiin myös, että mitä suurempi sinkki- ja rautalataus orgaanisessa faasissa on sitä vähemmän magnesiumia ja kadmiumia uuttautuu. Ensimmäisessä pesussa saatiin sekä kadmiumin että magnesiumin pitoisuudet putoamaan keskimäärin 0,1 mg/L eli 30 alkuperäisestä pitoisuudesta. Toisella pesuaskeleella ei enää ollut vaikutusta kadmiumin ja magnesiumin pitoisuuksiin orgaanisessa faasissa. Kokeissa havaittiin myös, että D2EHPA:n latausasteen ylittäessä 0,7 alkaa sinkki-D2EHPA-kompleksit polymeroitua ja faasit eivät enää selkeytyneet helposti. Anionikokeissa huomattiin, ettei D2EHPA uuttanut kloridi tai fluoridi sinkin tai raudan mukana. D2EHPA:n havaittiin myös itsessään sisältävän hieman kloridia.

Puumassapesurin suotautumisolojen kartoitus ja simulointi

Työn tavoitteena oli tutkia sellumassan suotautumiseen liittyviä tekijöitä Ahlstrom Machineryn Drum Displacer™ -puumassapesurissa (DD-pesuri). Teoriaosassa tarkasteltiin aluksi suotautumisen teoriaa kuitu-vesi-suspensiossa, minkä jälkeen esiteltiin suotautumisnopeuteen vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia vaikutusmekanismeja. Seuraavaksi kuvattiin massan pesun yleisiä perusteita sekä teoriaa puumassapesureissa. Lopuksi tarkasteltiin pesurien kytkeytymistä muuhun kuitulinjaan sekä prosessista johtuvia pesun toiminnan ulkoisia häiriötekijöitä. Kokeellisen osan aluksi tarkasteltiin paine- ja lämpötilamittauksien avulla massapesurissa vallitsevia prosessioloja. Mittaustulosten perusteella pumppausolot pesurin suodoslinjoissa ovat vaikeahkot ja häiriötilanteita voi esiintyä, mutta käytäntö on osoittanut tästä olevan vain harvoin haittaa prosessin toiminnalle. Pesureissa toteutuneet syrjäytysnopeudet laskettiin ja niitä verrattiin syrjäytystestien antamiin tuloksiin. Kuitulinjasta riippuen testin vastaavuus tehdasprosessiin vaihteli suuresti. Syrjäytystesteillä kokeiltiin myös tehdasprosesseissa usein esiintyvien muuttujien vaikutusta sellukakun syrjäytettävyyteen. Kakun paksuus ja syrjäytyslämpötila vaikuttivat syrjäytysnopeuteen Darcyn lain mukaisesti. Alipaineen massakakun alapuolella havaittiin huonontavan syrjäytysnopeutta verrattuna tilanteeseen, jossa kakun alla vallitsi ilmanpaine. Tämä havainto on selvästi ristiriidassa suotautumisen teorian kanssa. Massakakun muodostumis-pH osoittautui ratkaisevaksi lopulliselle syrjäytysnopeudelle, sillä alkalisissa oloissa muodostetun kuitukakun syrjäytysnopeus ei enää parantunut happamalla syrjäytysnesteellä. Happamissa oloissa muodostetun kakun syrjäytysnopeus oli alkalisista parempi, mutta se alkoi hitaasti alentua, kun syrjäytysneste vaihtui alkaliseen. Massan laimentaminen ennen syrjäytystä alkalisella tehdassuodoksella puhtaan veden sijasta alensi ligniinipitoisella massalla lopullista syrjäytysnopeutta. Shirato-Tillerin mallilla ja Jönssonin staattisella mallilla simuloitiin numeerisesti syrjäytystestiä kahdessa eri pH:ssa, ja simulointituloksia verrattiin vastaavissa oloissa tehtyihin syrjäytystesteihin. Shirato-Tillerin mallin antamien syrjäytysnopeuksien havaittiin olevan lähellä syrjäytystestien nopeuksia, kun Jönssonin mallin antamat tulokset jäivät huomattavasti testituloksia alemmiksi. Herkkyystarkastelussa havaittiin mallien olevan varsin herkkiä parametrien virheille. Hajonta vaadittavien kuituparametrien määrityksissä ja menetelmien työläys rajoittavat numeerisen simuloinnin käytettävyyttä, sillä kuituparametrien määrityksen vaatima työmäärä on ainakin toistaiseksi syrjäytystestiä suurempi. Lopuksi todettiin, että oikeiden syrjäytysolosuhteiden käyttö on ensiarvoisen tärkeää oikeiden tulosten saamiseksi sekä kokeellisessa että numeerisessa simuloinnissa. Nykyinen syrjäytystestilaitteisto on pienin muutoksin käyttökelpoinen, kun massan testaus prosessioloissa tulee rutiininomaiseksi.

Implisiittisen kalibroinnin soveltamismahdollisuudet kemiantekniikassa

Työn taustalla oli tavoite parantaa erään teollisuusprosessin toimintaa ja sen tuottoa mallintamalla reaktiovaiheen alussa tapahtuvan välituotteen muodostumisen reaktiokinetiikka sekä perinteisellä tavalla että implisiittisellä kalibroinnilla. Toisena tavoitteena oli selvittää, kuinka implisiittistä kalibrointia voidaan yleisemmin hyödyntää kemiantekniikassa. Implisiittinen kalibrointi on menetelmä, jolla voidaan ratkaista jonkin teoreettisen mallin parametrit suoraan epäsuorasta mittausdatasta (esimerkiksi spektreistä) lähes kokonaan ilman off-line analyysejä. Tämän työn kirjallisuusosassa on esitetty implisiittisen kalibroinnin toimintaperiaate sekä lyhyesti FTIR-spektrometrian perusteita. Työn kokeellisessa osassa on estimoitu tutkitun välituotteen muodostumisen kineettiset parametrit sekä tavanomaisella parametriestimoinnilla että implisiittisellä kalibroinnilla. Lisäksi kokeellisessa osassa on selvitetty lyhyesti tutkitun prosessin FTIR-spektrien lämpötilariippuvuuksia ja esitetty neljä mahdollista uutta sovelluskohdetta implisiittiselle kalibroinnille. Tavanomaisella parametriestimoinnilla saatiin estimoitua varsin yksiselitteiset arvot kineettisille parametreille. Myös mallin sovitus koedataan on hyvä kolmessa kokeessa viidestä. Parametriestimointi implisiittisellä kalibroinnilla onnistui lupaavasti vaikka tulokset eivät ole aivan niin hyviä kuin tavanomaisessa parametriestimoinnissa. Parhaat tulokset implisiittisessä kalibroinnissa saavutettiin suoralla kalibrointitavalla GRR (Generalized Ridge Regression)-kalibrointimenetelmää käyttämällä.

Yhtenäistetyn mallinnuskielen hyödyntäminen betoniaseman ohjausjärjestelmän kehityksessä

Yhtenäistetty mallinnuskieli, Unified Modeling Language (UML), on saavuttanut ohjelmistoteollisuudessa defacto standardin mallinnuskielen aseman. UML:n pääasiallinen käyttökohde on ollut ohjelmistojärjestelmien mallinnus, mutta sitä on sovellettu myös muillakin ongelma-alueilla, kuten erilaisten prosessien mallinnuksessa. Tässä diplomityössä mallinnetaan eräs betoniaseman ohjausjärjestelmä käyttäen UML:ää. Työssä perehdytään alan kirjallisuuden avulla siihen, miten teollisuus on hyödyntänyt UML:ää prosessien ohjausjärjestelmien mallinnuksessa. Kirjallisuudesta saatua tietoa sovelletaan betoniaseman ohjausjärjestelmän mallinnuksessa. Luotua mallia analysoidaan sen oikeellisuuden ja käytettävyyden perusteella. Työssä havaittiin, että UML soveltuu hyvin betoniaseman ohjausjärjestelmän kaltaisen teollisuusprosessin ohjauksen mallinnukseen. UML-mallilla voidaan kuvata järjestelmän rakenne ja toiminta kattavasti. Luotua mallia voidaan hyödyntää suoraan ohjausjärjestelmän jatkokehityksessä. Julkista tutkimustietoa aiheesta on kuitenkin niukasti saatavilla, joten lisätarve julkiselle tutkimukselle on olemassa.

Tietokantapohjaisen suunnittelujärjestelmän sähkösuunnitteluosuuden määrittely

Teollisuuden sähkösuunnitteluprojekti koostuu monista eri työvaiheista. Suunnitteluprojektin eri vaiheissa on omat tehtävänsä ja dokumentointitarpeensa. Tietokantojen avulla suunnitteluprojektiin liittyvää tietoa on helpompi hallita ja sama tieto on kaikkien suunnittelijoiden saatavilla. Tietokantoja käyttämällä voidaan nopeuttaa suunnittelutyötä ja vähentää suunnitteluvirheitä. Työssä kehitettiin tietokantapohjaisen suunnittelujärjestelmän sähkösuunnittelutyökalu, jonka pääasiallisena tarkoituksena on keskittää suunnittelun aikainen tieto yhteen paikkaan. Järjestelmä myös helpottaa toistuvien dokumenttien tuottamista varsinkin suurissa projekteissa. Työssä on keskitytty teollisuuden prosessisähköistykseen.

Automatització d'una planta de processos químics

Resum L’any 1969 es van començar a comercialitzar els sistemes digitals programables coneguts com autòmats programables o PLC’s, utilitzats per controlar qualsevol tipus de procés industrial. Al llarg de tots aquests anys, aquests sistemes i tota la tecnologia en general han evolucionat molt, i només és qüestió de temps que la tecnologia que utilitzem avui en dia quedi obsoleta i substituïda per una de millors característiques i amb més avantatges. Aquest és el motiu de l’elaboració d’aquest treball, que com a objectiu pretén modernitzar un procés de fabricació d’una industria química que ha quedat molt limitat a causa de l’antiguitat de la instal•lació. Per dur a terme aquesta modernització, s’introdueixen sistemes de control amb majors prestacions, s’utilitzen xarxes de comunicacions per facilitar el muntatge elèctric de la instal•lació i un sistema de supervisió i adquisició de dades per poder obtenir un control més estricte del procés de fabricació i de tots els factors que intervenen. El funcionament del procés de fabricació és que a partir d’unes matèries primeres líquides emmagatzemades en dipòsits, es dosifiquin aquestes matèries en l’ordre i la quantitat desitjada dins un o diversos recipients per barrejar-les i aplicar els tractaments que siguin necessaris. Tot aquest procés està controlat per un autòmat programable, i disposa de diferents terminals operadors per poder interactuar amb el sistema. També té implementat un sistema SCADA en diversos ordinadors per aportar una visió general de la planta en temps real, un registre de dades dels paràmetres que es controlen i alhora serveix per enllaçar amb la xarxa d’ordinadors existent. Com annex d’aquest treball, es presenten els esquemes elèctrics i el programa de l’autòmat programable per veure totes les característiques elèctriques dels dispositius i el mètode de funcionament del procés. S’ha aconseguit donar un salt tecnològic i poder gaudir de tots els avantatges que ofereixen les noves tecnologies, que com a resultat s’ha optimitzat i millorat el procés de fabricació. De totes les conclusions, la més destacada és la d’haver dissenyat un sistema de control basat en una estructura descentralitzada molt flexible, que es pot expandir i adaptar fàcilment als possibles canvis.

Sampling in chemical analysis

The uncertainty of any analytical determination depends on analysis and sampling. Uncertainty arising from sampling is usually not controlled and methods for its evaluation are still little known. Pierre Gy’s sampling theory is currently the most complete theory about samplingwhich also takes the design of the sampling equipment into account. Guides dealing with the practical issues of sampling also exist, published by international organizations such as EURACHEM, IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) and ISO (International Organization for Standardization). In this work Gy’s sampling theory was applied to several cases, including the analysis of chromite concentration estimated on SEM (Scanning Electron Microscope) images and estimation of the total uncertainty of a drug dissolution procedure. The results clearly show that Gy’s sampling theory can be utilized in both of the above-mentioned cases and that the uncertainties achieved are reliable. Variographic experiments introduced in Gy’s sampling theory are beneficially applied in analyzing the uncertainty of auto-correlated data sets such as industrial process data and environmental discharges. The periodic behaviour of these kinds of processes can be observed by variographic analysis as well as with fast Fourier transformation and auto-correlation functions. With variographic analysis, the uncertainties are estimated as a function of the sampling interval. This is advantageous when environmental data or process data are analyzed as it can be easily estimated how the sampling interval is affecting the overall uncertainty. If the sampling frequency is too high, unnecessary resources will be used. On the other hand, if a frequency is too low, the uncertainty of the determination may be unacceptably high. Variographic methods can also be utilized to estimate the uncertainty of spectral data produced by modern instruments. Since spectral data are multivariate, methods such as Principal Component Analysis (PCA) are needed when the data are analyzed. Optimization of a sampling plan increases the reliability of the analytical process which might at the end have beneficial effects on the economics of chemical analysis,

Dos primeiros aos segundos doze princípios da Química Verde

The second 12 principles of Green Chemistry (Winterton, 2001) are presented and discussed to show how they press academic chemists to focus the invention of synthetic pathways more directly on industrial process development, allowing a quicker progress along the greenness chain and a softer implementation of Green Chemistry in the industrial practice of chemistry. The relationships between the two sets of principles are tentatively established and discussed to make easier their joint use. The net of connections shows the systemic nature of Green Chemistry.

Teollisuusprosessien signaalien automaattinen analysointi

Diplomityössä kehitettiin menetelmiä teollisuusprosessien signaalien automaattiseen havainnointiin ja luotiin työkalu tulosten esittämiseen. Työn tarkoituksena on nopeuttaa ja helpottaa prosessin ongelmien ratkaisua luokittelemalla signaalit matemaattisten menetelmien avulla. Koska prosessin mittaussignaalit ovat pääasiassa stokastisia, eli niitä ei voida etukäteen ennustaa, käsitellään signaaleita tilastomatemaattisin keinoin. Työstä rajattiin mittaushistorian käyttö, joten värähtelyiden tunnistus toteutettiin taajuusanalyysin avulla. Korrelaation avulla löydetään samankaltaiset signaalit. Testeissä todettiin, että työssä kehitetyt havainnoinnit toimivat eri näytteenottotaajuuksilla ja työkalun suoritusnopeus todettiin hyväksi. Lopuksi esiteltiin todellinen teollisuusprosessin ongelma ja siihen mahdollisia ratkaisuja.

Terpenoid transformations over gold catalysts

Nowadays biomass transformation has a great potential for the synthesis of value-added compounds with a wide range of applications. Terpenoids, extracted from biomass, are inexpensive and renewable raw materials which often have a biological activity and are widely used as important organic platform molecules in the development of new medicines as well as in the synthesis of fine chemicals and intermediates. At the same time, special attention is devoted to the application of gold catalysts to fine chemical synthesis due to their outstanding activity and/or selectivity for transformations of complex organic compounds. Conversion of renewable terpenoids in the presence of gold nanoparticles is one of the new and promising directions in the transformation of biomass to valuable chemicals. In the doctoral thesis, different kinds of natural terpenoids, such as α-pinene, myrtenol and carvone were selected as starting materials. Gold catalysts were utilized for the promising routes of these compounds transformation. Investigation of selective α-pinene isomerization to camphene, which is an important step in an industrial process towards the synthesis of camphor as well as other valuable substrates for the pharmaceutical industry, was performed. A high activity of heterogeneous gold catalysts in the Wagner-Meerwein rearrangement was demonstrated for the first time. Gold on alumina carrier was found to reach the α-pinene isomerization conversion up to 99.9% and the selectivity of 60-80%, thus making this catalyst very promising from an industrial viewpoint. A detailed investigation of kinetic regularities including catalyst deactivation during the reaction was performed. The one-pot terpene alcohol amination, which is a promising approach to the synthesis of valuable complex amines having specific physiological properties, was investigated. The general regularities of the one-pot natural myrtenol amination in the presence of gold catalysts as well as a correlation between catalytic activity, catalyst redox treatment and the support nature were obtained. Catalytic activity and product distribution were shown to be strongly dependent on the support properties, namely acidity and basicity. The gold-zirconia (Au/ZrO2) catalyst pretreated under oxidizing atmosphere was observed to be rather active, resulting in the total conversion of myrtenol and the selectivity to the corresponding amine of about 53%. The reaction kinetics was modelled based on the mechanistic considerations with the catalyst deactivation step incorporated in the mechanism. Carvone hydrogenation over a gold catalyst was studied with the general idea of investigating both the activity of gold catalysts in competitive hydrogenation of different functional groups and developing an approach to the synthesis of valuable carvone derivatives. Gold was found to promote stereo- and chemoselective carvone hydrogenation to dihydrocarvone with a predominant formation of the trans-isomer, which generally is a novel synthetic method for an industrially valuable dihydrocarvone. The solvent effect on the catalytic activity as well as on the ratio between trans- and cis-dihydrocarvone was evaluated.

Semantic and fuzzy modelling for human behaviour recognition in smart spaces : a case study on ambient assisted living.

Human activity recognition in everyday environments is a critical, but challenging task in Ambient Intelligence applications to achieve proper Ambient Assisted Living, and key challenges still remain to be dealt with to realize robust methods. One of the major limitations of the Ambient Intelligence systems today is the lack of semantic models of those activities on the environment, so that the system can recognize the speci c activity being performed by the user(s) and act accordingly. In this context, this thesis addresses the general problem of knowledge representation in Smart Spaces. The main objective is to develop knowledge-based models, equipped with semantics to learn, infer and monitor human behaviours in Smart Spaces. Moreover, it is easy to recognize that some aspects of this problem have a high degree of uncertainty, and therefore, the developed models must be equipped with mechanisms to manage this type of information. A fuzzy ontology and a semantic hybrid system are presented to allow modelling and recognition of a set of complex real-life scenarios where vagueness and uncertainty are inherent to the human nature of the users that perform it. The handling of uncertain, incomplete and vague data (i.e., missing sensor readings and activity execution variations, since human behaviour is non-deterministic) is approached for the rst time through a fuzzy ontology validated on real-time settings within a hybrid data-driven and knowledgebased architecture. The semantics of activities, sub-activities and real-time object interaction are taken into consideration. The proposed framework consists of two main modules: the low-level sub-activity recognizer and the high-level activity recognizer. The rst module detects sub-activities (i.e., actions or basic activities) that take input data directly from a depth sensor (Kinect). The main contribution of this thesis tackles the second component of the hybrid system, which lays on top of the previous one, in a superior level of abstraction, and acquires the input data from the rst module's output, and executes ontological inference to provide users, activities and their in uence in the environment, with semantics. This component is thus knowledge-based, and a fuzzy ontology was designed to model the high-level activities. Since activity recognition requires context-awareness and the ability to discriminate among activities in di erent environments, the semantic framework allows for modelling common-sense knowledge in the form of a rule-based system that supports expressions close to natural language in the form of fuzzy linguistic labels. The framework advantages have been evaluated with a challenging and new public dataset, CAD-120, achieving an accuracy of 90.1% and 91.1% respectively for low and high-level activities. This entails an improvement over both, entirely data-driven approaches, and merely ontology-based approaches. As an added value, for the system to be su ciently simple and exible to be managed by non-expert users, and thus, facilitate the transfer of research to industry, a development framework composed by a programming toolbox, a hybrid crisp and fuzzy architecture, and graphical models to represent and con gure human behaviour in Smart Spaces, were developed in order to provide the framework with more usability in the nal application. As a result, human behaviour recognition can help assisting people with special needs such as in healthcare, independent elderly living, in remote rehabilitation monitoring, industrial process guideline control, and many other cases. This thesis shows use cases in these areas.