Improving strategic decision-making with simulation based decision support systems

Combating climate change is one of the key tasks of humanity in the 21st century. One of the leading causes is carbon dioxide emissions due to usage of fossil fuels. Renewable energy sources should be used instead of relying on oil, gas, and coal. In Finland a significant amount of energy is produced using wood. The usage of wood chips is expected to increase in the future significantly, over 60 %. The aim of this research is to improve understanding over the costs of wood chip supply chains. This is conducted by utilizing simulation as the main research method. The simulation model utilizes both agent-based modelling and discrete event simulation to imitate the wood chip supply chain. This thesis concentrates on the usage of simulation based decision support systems in strategic decision-making. The simulation model is part of a decision support system, which connects the simulation model to databases but also provides a graphical user interface for the decisionmaker. The main analysis conducted with the decision support system concentrates on comparing a traditional supply chain to a supply chain utilizing specialized containers. According to the analysis, the container supply chain is able to have smaller costs than the traditional supply chain. Also, a container supply chain can be more easily scaled up due to faster emptying operations. Initially the container operations would only supply part of the fuel needs of a power plant and it would complement the current supply chain. The model can be expanded to include intermodal supply chains as due to increased demand in the future there is not enough wood chips located close to current and future power plants.

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

DFMA Aspects in the Design of a Transfer Line for Off-line Ion Sources

In this thesis, the DFMA is presented and used for the purpose of having a design for a vertical transfer line that can be easily manufactured and assembled. The design of the transfer line, the major components and drawings are presented. The ease of assembly, the costs of manufacturing and differences between the use of steel structure and aluminum are compared. The ALARA principle is followed to minimize the risk of radiation exposure by the means of locating the test ion sources outside the radioactive area.

Liikkuvan kivimurskaimen syötinosan rakenneanalyysi osarakennetekniikan avulla

Työn tarkoituksena oli selvittää, miten osarakennetekniikkaa voidaan soveltaa siirrettävän kivimurskaimen syötinosan simuloinnissa. Tätä tutkittiin luomalla kahdella eri ohjelmistolla simulaatiomalli syötinosasta ja mallintamalla syötinosan runko joustavaksi kappaleeksi osarakennetekniikan avulla. Luotujen simulointimallien tarkkuutta selvitettiin vertaamalla niistä saatuja rungon jännityksiä tutkittavan rakenteen rungosta mitattuihin jännityksiin. Työn tarkoituksena oli myös tutkia, miten hyvin simulaatiomallit soveltuvat käytettäväksi syötinosan tuotekehityksessä. Tässä työssä käytettiin syötinosan simulaatiomallin luomiseen ANSYS-ohjelmistoa ja ADAMS-ohjelmistoa. Simulaatiomalleihin lisättiin tutkittavasta järjestelmästä mitattu ohjaussignaali sekä syötinosan jousien arvot. Järjestelmän rakenneominaisuudet saatiin suoraan valmistajan luovuttamista tiedoista. ADAMS-ohjelmistolla mallinnetussa simulaatiomallissa runko mallinnettiin joustavaksi ANSYS-ohjelmistossa, josta se siirrettiin ADAMS-ohjelmistoon. Saaduista tuloksista kävi ilmi, että osarakennetekniikkaa voidaan hyödyntää syötinosan joustavan rungon simuloinnissa. Tutkittavasta järjestelmästä mitatuissa jännityksissä ja simulaatiomalleista saaduissa jännityksissä oli eroja, mutta jännityshistorian muodot ja suuruusluokat vastasivat pääosin toisiaan. Tulosten parantamiseksi tulee selvittää lisää alkuarvoja tutkittavasta järjestelmästä ja varmistua nyt saatujen jousiparametrien oikeellisuudesta.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

A Soft Contact Collision Method For Real-Time Simulation of Triangularized Geometries in Multibody Dynamics

When modeling machines in their natural working environment collisions become a very important feature in terms of simulation accuracy. By expanding the simulation to include the operation environment, the need for a general collision model that is able to handle a wide variety of cases has become central in the development of simulation environments. With the addition of the operating environment the challenges for the collision modeling method also change. More simultaneous contacts with more objects occur in more complicated situations. This means that the real-time requirement becomes more difficult to meet. Common problems in current collision modeling methods include for example dependency on the geometry shape or mesh density, calculation need increasing exponentially in respect to the number of contacts, the lack of a proper friction model and failures due to certain configurations like closed kinematic loops. All these problems mean that the current modeling methods will fail in certain situations. A method that would not fail in any situation is not very realistic but improvements can be made over the current methods.

Simuloinnin hyödyntäminen kotihoidon kehittämisessä

Ikääntyvien ihmisten kasvava määrä tulevina vuosikymmeninä kuormittaa kaupunkien kotihoitoa enenemässä määrin. Kaupunkien rajalliset resurssit ovat jo nyt koetuksella, eikä nykyiseen tilanteeseen ole nähtävissä huomattavaa parannusta tulevina vuosina. Kotihoidon henkilöstön määrää ei pystytä kasvattamaan riittävästi suhteessa kasvavien asiakasvirtojen kanssa, jotta korkea palvelun laatu voitaisiin taata myös tulevaisuudessa. Lahden kaupungin kotihoito pyrkii etsimään teknisiä ratkaisuja kotihoidon haasteisiin muun muassa kotihoidon töiden jakamiseen kehitetyllä optimointialgoritmilla sekä simuloinnilla. Tämä diplomityö käsittelee toimintatutkimuksen avulla simuloinnin tuomia hyötyjä sekä rajoitteita Lahden kotihoidon näkökulmasta. Launeen alueen kotihoidon haasteita käydään läpi neljässä eri työpajassa. Työssä esitetään Quest-simulointiohjelmiston ominaisuuksia, sekä Launeen alueen simulointimallin luomista aina suunnittelusta verifiointiin. Työn tuottama lisäarvo kotihoidon kehittämisessä tulee ilmi neljässä eri vaihtoehtoajossa kotihoitajien asiakkaalta toiselle kulkemien matkojen ja matkoihin käytettyjen aikojen mittaamisessa.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

Liikkuvan tilaajan järjestelmän käyttö yhtymässä

Tutkimuksen päämääränä on selvittää liikkuvan tilaajan järjestelmän käyttömahdollisuuksia prikaati 2005:n taistelussa. Tärkeimpänä kysymyksenä on: Miten liikkuvan tilaajan järjestelmää käytetään prikaati 2005:n taistelussa? Lisäksi tutkimuksessa on pyritty selvittämään tekniikan tuomia mahdollisuuksia ja haasteita sekä radiopakettiverkon integroimista järjestelmään. Tärkeimpänä tutkimusmenetelmänä on käytetty asiakirja- ja kirjallisuustutkimusta, jota on täydennetty asiantuntijahaastatteluilla. Muita menetelmiä ovat simulointi ja kenttätestit. Liikkuvan tilaajan järjestelmä on valmiusyhtymien johtamiseen käytettävä kokonaisuus, jolla aikaansaadaan johtamisen ja tulenkäytön tiedonsiirron mahdollistava taistelun vaikutuksia kestävä radiojärjestelmä. Järjestelmä tarjoaa puhe- ja dataliikenne mahdollisuudet liikkuvien tilaajien ja YVI-verkon välillä. Jatkokehityksessä järjestelmään integroidaan radiopakettiverkko. Laajennus mahdollistaa radioiden pakettikytkentäisen tiedonsiirron keskusverkon välityksellä toisiin radio- tai tietoverkkoihin. Käytännössä suurin datansiirtonopeus on 2400 bit/s. Digitaaliset kenttäradiot ja MSS-järjestelmä olisivat taktisen tietoverkon (TATIVE) tärkein langaton tiedonsiirtotapa. Sanomalaiteverkossa lähetettäviä sanomia tulisivat vastaamaan MSS-järjestelmässä lähetettävät IP-sanomat. C3 asemia käytetään pataljoonien liittämiseen, verkon silmukoimiseen ja tukiasemina keskeisillä paikoilla. Käytön painopiste on pataljoonien alueella. Yhtymän hyökkäyksessä järjestelmää käytetään tulen ja pataljoonien vaikutuksen keskittämisessä. Kuudella prikaatissa olevalla C3-tukiasemalla ei saada muodostettua kattavaa ja taistelun kestävää verkkoa. Tulevaisuudessa on lisättävä asemien määrää päivittämällä C1- ja C2-asemat C3-asemiksi. 18 C3-asemalla kyettäisiin muodostamaan koko prikaatin kattava MSSverkko. Tällöin asemien peittoalueet kattavat toisiaan

A simulation model of the optimal maintenance strategy: conceptual agent-based approach

In this Master’s thesis agent-based modeling has been used to analyze maintenance strategy related phenomena. The main research question that has been answered was: what does the agent-based model made for this study tell us about how different maintenance strategy decisions affect profitability of equipment owners and maintenance service providers? Thus, the main outcome of this study is an analysis of how profitability can be increased in industrial maintenance context. To answer that question, first, a literature review of maintenance strategy, agent-based modeling and maintenance modeling and optimization was conducted. This review provided the basis for making the agent-based model. Making the model followed a standard simulation modeling procedure. With the simulation results from the agent-based model the research question was answered. Specifically, the results of the modeling and this study are: (1) optimizing the point in which a machine is maintained increases profitability for the owner of the machine and also the maintainer with certain conditions; (2) time-based pricing of maintenance services leads to a zero-sum game between the parties; (3) value-based pricing of maintenance services leads to a win-win game between the parties, if the owners of the machines share a substantial amount of their value to the maintainers; and (4) error in machine condition measurement is a critical parameter to optimizing maintenance strategy, and there is real systemic value in having more accurate machine condition measurement systems.