Object-oriented inheritance of statecharts for control applications

This paper discusses how object-oriented iuheritance can be re-interpreted if statecharts are used for modelling the dynamic behaviour of an object. The support of inheritance of statecharts allows the improvement of systems' development by easing the reutilization of parts of already developed euccessful systems, aad by promoting the iterative and continuous models' refinement advocated by the operatioaal approach. Statechart is the formalism used within UML to specify reactive state.based behaviours. This paper covers the use of statecharts within the modelling of embedded systems for industrial control applxications, where performance and memory usage are main concerns.

Tax smoothing in a business cycle model with capital-skill complementarity

This paper undertakes a normative investigation of the quantitative properties of optimal tax smoothing in a business cycle model with state contingent debt, capital-skill complementarity, endogenous skill formation and stochastic shocks to public consumption as well as total factor and capital equipment productivity. Our main finding is that an empirically relevant restriction which does not allow the relative supply of skilled labour to adjust in response to aggregate shocks, signi cantly changes the cyclical properties of optimal labour taxes. Under a restricted relative skill supply, the government fi nds it optimal to adjust labour income tax rates so that the average net returns to skilled and unskilled labour hours exhibit the same dynamic behaviour as under fl exible skill supply.

Sintonización dinámica de aplicaciones MPI

En la actualidad, la computación de altas prestaciones está siendo utilizada en multitud de campos científicos donde los distintos problemas estudiados se resuelven mediante aplicaciones paralelas/distribuidas. Estas aplicaciones requieren gran capacidad de cómputo, bien sea por la complejidad de los problemas o por la necesidad de solventar situaciones en tiempo real. Por lo tanto se debe aprovechar los recursos y altas capacidades computacionales de los sistemas paralelos en los que se ejecutan estas aplicaciones con el fin de obtener un buen rendimiento. Sin embargo, lograr este rendimiento en una aplicación ejecutándose en un sistema es una dura tarea que requiere un alto grado de experiencia, especialmente cuando se trata de aplicaciones que presentan un comportamiento dinámico o cuando se usan sistemas heterogéneos. En estos casos actualmente se plantea realizar una mejora de rendimiento automática y dinámica de las aplicaciones como mejor enfoque para el análisis del rendimiento. El presente trabajo de investigación se sitúa dentro de este ámbito de estudio y su objetivo principal es sintonizar dinámicamente mediante MATE (Monitoring, Analysis and Tuning Environment) una aplicación MPI empleada en computación de altas prestaciones que siga un paradigma Master/Worker. Las técnicas de sintonización integradas en MATE han sido desarrolladas a partir del estudio de un modelo de rendimiento que refleja los cuellos de botella propios de aplicaciones situadas bajo un paradigma Master/Worker: balanceo de carga y número de workers. La ejecución de la aplicación elegida bajo el control dinámico de MATE y de la estrategia de sintonización implementada ha permitido observar la adaptación del comportamiento de dicha aplicación a las condiciones actuales del sistema donde se ejecuta, obteniendo así una mejora de su rendimiento.

Cyberhealth serving to support individual intake of medication.

The Internet and new communication technologies are deeply affecting healthcare systems and the provision of care. The purpose of this article is to evaluate the possibility that cyberhealth, via the development of widespread easy access to wireless personal computers, tablets and smartphones, can effectively influence intake of medication and long-term medication adherence, which is a complex, difficult and dynamic behaviour to adopt and to sustain over time. Because of its novelty, the impact of cyberhealth on drug intake has not yet been well explored. Initial results have provided some evidence, but more research is needed to determine the impact of cyberhealth resources on long-term adherence and health outcomes, its user-friendliness and its adequacy in meeting e-patient needs. The purpose of such Internet-based interventions, which provide different levels of customisation, is not to take over the roles of healthcare providers; on the contrary, cyberhealth platforms should reinforce the alliance between healthcare providers and patients by filling time-gaps between visits and allowing patients to upload and/or share feedback material to be used during the visits. This shift, however, is not easily endorsed by healthcare providers, who must master new eHealth skills, but healthcare systems have a unique opportunity to invest in the Internet and to use this powerful tool to design the future of integrated care. Before this can occur, however, important issues must be addressed and resolved, for example ethical considerations, the scientific quality of programmes, reimbursement of activity, data security and the ownership of uploaded data.

The effects of physiologically plausible connectivity structure on local and global dynamics in large scale brain models.

Functionally relevant large scale brain dynamics operates within the framework imposed by anatomical connectivity and time delays due to finite transmission speeds. To gain insight on the reliability and comparability of large scale brain network simulations, we investigate the effects of variations in the anatomical connectivity. Two different sets of detailed global connectivity structures are explored, the first extracted from the CoCoMac database and rescaled to the spatial extent of the human brain, the second derived from white-matter tractography applied to diffusion spectrum imaging (DSI) for a human subject. We use the combination of graph theoretical measures of the connection matrices and numerical simulations to explicate the importance of both connectivity strength and delays in shaping dynamic behaviour. Our results demonstrate that the brain dynamics derived from the CoCoMac database are more complex and biologically more realistic than the one based on the DSI database. We propose that the reason for this difference is the absence of directed weights in the DSI connectivity matrix.

Pathway databases and tools for their exploitation: benefits, current limitations and challenges

In past years, comprehensive representations of cell signalling pathways have been developed by manual curation from literature, which requires huge effort and would benefit from information stored in databases and from automatic retrieval and integration methods. Once a reconstruction of the network of interactions is achieved, analysis of its structural features and its dynamic behaviour can take place. Mathematical modelling techniques are used to simulate the complex behaviour of cell signalling networks, which ultimately sheds light on the mechanisms leading to complex diseases or helps in the identification of drug targets. A variety of databases containing information on cell signalling pathways have been developed in conjunction with methodologies to access and analyse the data. In principle, the scenario is prepared to make the most of this information for the analysis of the dynamics of signalling pathways. However, are the knowledge repositories of signalling pathways ready to realize the systems biology promise? In this article we aim to initiate this discussion and to provide some insights on this issue.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Polttoaineen reaktiivisuuden määrittäminen kiertoleijupoltossa

Kehitettäessä leijupolttotekniikkaa entistä ympäristöystävällisemmäksi ja tehokkaammaksi tarvitaan lisää tietoa polttoaineen käyttäytymisestä tulipesässä. Polttoaineen palamisprofiili ja reaktiivisuus vaikuttavat oleellisesti esimerkiksi voimalaitoskattilan lämmönsiirtopintojen sijoitteluun ja suunnitteluun sekä ohjausjärjestelmän toteutukseen. Varsinkin monipolttoainekattiloilla ohjausjärjestelmän toimivuus joutuu koetukselle esimerkiksi kuormanmuutostilanteissa ja äkillisissä polttoaineen syöttöhäiriöissä. Tässä työssä on aluksi tutustuttu kiertoleijupolton ilmiöihin ja niiden matemaattiseen mallintamiseen. Lisäksi esitetään katsaus eri prosessiolosuhteiden vaikutuksesta palamiseen kiertoleijuolosuhteissa. Työn tutkimusosassa kehitettiin menetelmä polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi kiertoleijupoltossa. Kehitetty menetelmä koostuu koesarjasta ja matemaattisesta simulointimallista. Koetoiminta suoritettiin VTT Energian laboratoriokokoluokan kiertoleijukoelaitteella. Koesarja polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi sisältää eri kaasukomponenttien profiilimittauksia ja dynaamisia muutoskokeita. Menetelmän avulla voidaan tutkia eri polttoaineiden reaktiivisuuksia sekä polttoaineen reaktiivisuuden ja tietyn prosessiolosuhteen välistä riippuvuutta. Suorittamalla koeajomatriisin mukaiset kokeet tietyissä prosessiolosuhteissa voidaan polttoaineen reaktiivisuus selvittää koetulosten ja simulointimallin perusteella.

Maastoajoneuvon korin teräsrakenteiden värähtelyominaisuuksien FEM-analysointimenetelmien kehittäminen

Tämä diplomityö on tehty Patria Vehicles Oy:n toimeksiannosta. Patria Vehicles Oy:n tuotantoon kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää menetelmäohjeet, kuinka FEM-analyysillä voidaan tutkia tuotekehitysvaiheessa ajoneuvon korin teräsrakenteiden värähtelyominaisuuksia ja dynaamista käyttäytymistä. Tutkimuksessa on käytetty Ideas-FEM-ohjelmistoa. Dynaamisten ongelmien ratkaisemiseksi on ymmärrettävä rakenteiden dynaamista käyttäytymistä. Rakenteiden käyttäytymistä ja muodonmuutoksia on tutkittava kriittisillä ominaistaajuuksilla. Tutkimuksessa on selvitetty, kuinka ajoneuvon elementtimallilla voidaan tehdä ominaisvärähtely- ja vastelaskentaa. Ominaisvärähtelylaskennalla selvitetään rakenteen ominaismuodot ja -taajuudet. Vastelaskennalla tutkitaan erilaisten herätteiden vaikutuksia ajoneuvon dynaamiseen käyttäytymiseen ja määritetään herätteistä rakenteeseen aiheutuvat vasteet ja herätteiden siirtyvyys rakenteessa. Lisäksi tutkitaan herätteiden aiheuttamia todellisia jännityksiä ja siirtymiä, jotta saadaan selville rakenteen todelliset rasitukset. Analyyseillä voidaan tutkia, kuinka ajoneuvon korirakennetta on jäykistettävä ja vaimennettava, jotta siinä ei esiinny haitallista melua ja värähtelyä.

Nocturnal Transcutaneous Carbon Dioxide and Early Changes in Atherosclerosis in Pre- and Postmenopausal Women

The risk of cardiovascular diseases and sleep-disordered breathing increases after menopause. This cross-sectional study focuses on overnight transcutaneous carbon dioxide (TcCO₂) measurements and their power to predict changes in the early markers of cardiovascular and metabolic diseases. The endothelial function of the brachial artery, the intima-media thickness of the carotid artery, blood pressure, glycosylated hemoglobin A1C and plasma levels of cholesterols and triglycerides were used as markers of cardiovascular and metabolic diseases. The study subjects consisted of healthy premenopausal women of 46 years of age and postmenopausal women of 56 years of age. From wakefulness to sleep, the TcCO₂ levels increased more in postmenopausal women than in premenopausal women. In estrogen-users the increase in TcCO₂ levels was even more pronounced than in other postmenopausal women. From the dynamic behaviour of the nocturnal TcCO₂ signal, several important features were detected. These TcCO₂ features had a remarkable role in the prediction of endothelial dysfunction and thickening of the carotid wall in healthy premenopausal women. In addition, these TcCO₂ features were linked with blood pressure, lipid profile and glucose balance in postmenopausal women. The nocturnal TcCO₂ profile seems to contain significant information, which is associated with early changes in cardiovascular diseases in middle-aged women. TcCO₂ might not only measure the tissue carbon dioxide levels, but the TcCO₂ signal variation may also reflect peripheral vasodynamic events caused by increased sympathetic activity during sleep.

Curving simulation and stability of a creep-controlled wheelset for high speed rail-vehicles

Higher travel speeds of rail vehicles will be possible by developing sophisticated top performance bogies having creep-controlled wheelsets. In this case the torque transmission between the right and the left wheel is realized by an actively controlled creep coupling. To investigate hunting stability and curving capability the linear equations of motion are written in state space notation. Simulation results are obtained with realistic system parameters from industry and various controller gains. The advantage of the „creep-controlled wheelset" is discussed by comparison the simulation results with the dynamic behaviour of the special cases „solid-axle wheelset" and „loose wheelset" (independent rotation of the wheels). The stability is also investigated with a root-locus analysis.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.

Modelling for Problem Solving in the Large

This a short presentation which introduces how models and modelling help us to solve large scale problems in the real world. It introduces the idea that dynamic behaviour is caused by interacting components in the system. Feedback in the system makes behaviour prediction difficult unless we use modelling to support understanding