Abstract The global energy system is undergoing a slow but massive change, initiated by environmental concerns but it is increasingly driven also by the zero-marginal cost of renewable energy. This change includes an increase in the effort to make the electric power system the main transport path for energy in the future. A massive research and development effort has henceforth been put into modernizing the electricity grid towards a so-called Smart Grid, by combining the power grid with communication networks and automation, as well as modernized market systems and structures. This work contributes to this process by introducing two unique models. The first provides a tool for better understanding the impact of combined infrastructure networks with a simple yet complex model of a combined energy, communication and decision model. The second model provides a detailed agent-based environment of an electricity market, supporting various independent entities inside the market, as well as a high time resolution and the often-neglected aspect of coupled market stages. That is, all mis-predictions of the first market stage (day-ahead) have to be settled at the second (balancing) stage. Both models are then used to assess the problem of demand side management, in which the traditional practice of power production being adjusted to the demand is at least partially dropped and flexibility in the demand is used to match the supply – as such technologies are deemed crucial to integrate the unsteady supply from renewable resources, like wind and solar power. We find that complicated scaling effects can be found even in the simplified model, hinting at insufficient consideration of the complexities involved in the real world. We then go to show such unfavorable scaling effects also exist in the current market environment as modeled in our second model. Finally, we show how to circumvent these problems within the current environment as well as introduce a framework to analyze cyber-physical systems and better handle their complexity. / Tiivistelmä Globaali energiajärjestelmä on hitaan, mutta massiivisen muutoksen edessä. Tämän muutostarpeen on käynnistänyt ympäristöämme koskevat huolet, mutta lisääntyvässä määrin tähän vaikuttaa nykyään uusiutuvan energian marginaalikustannusten nollataso. Tähän muutokseen liittyy selkeä sähköverkkojen roolin korostuminen, ja pyrkimyksenä näyttää olevan muutos, jossa sähköverkot siirtävät suurimman osan käyttämästämme energiasta. Tämän seurauksena on käynnistetty merkittäviä tutkimus-ja tuotekehityspanostuksia, joiden tavoitteena on nykyaikaistaa sähköverkot älysähköverkoiksi. Älysähköverkoissa yhdistyvät sähköverkkoon integroidut tietoliikenneverkot ja automaatio sekä modernit sähkömarkkinajärjestelmät ja -rakenteet. Tämä työ tuottaa lisää ymmärrystä uudistumisprosessiin tuottamalla kaksi uutta malliratkaisua. Ensimmäisessä mallissa kehitetään työkalu, jonka avulla pystytään paremmin ymmärtämään toisiinsa yhdistettyjen infrastruktuuriverkkojen toimintaa yksinkertaisella, mutta kompleksisella mallilla, jossa energia- ja tietoliikenneverkot sekä tarvittava päätöksenteko yhdistetään. Toinen malli tuottaa yksityiskohtaisen agenttipohjaisen ympäristön sähkömarkkinasta. Malli tukee erilaisten itsenäisten sähkömarkkinaosapuolten mallintamista korkealla aikaresoluutiolla ja erityisesti usein huomiotta jätettyjen toisiinsa kytkeytyvien eri markkinavaiheiden mallintamista. Malli antaa eväitä vastata kysymykseen, miten ensimmäisessä markkinavaiheessa (vuorokausimarkkina) syntyvä ero tuotannon ja kulutuksen välillä tasapainotetaan toisessa markkinavaiheessa (tasapainotusmarkkina). Kumpaakin luotua mallia hyödynnetään arvioitaessa kulutushallintaa, jossa sähköverkkojen perinteisestä tuotannon ja kulutuksen tasapainosta ainakin osittain luovutaan ja kysyntä- eli kulutusjoustoa käytetään tasaamaan kulutus tuotannon suuruiseksi. Tämänkaltaiset mekanismit ovat oleellisia ja kriittisiä, kun sähköverkkoon liitetään suuria määriä vaihtelevatuottoista uusiutuvaa energiaa, kuten aurinko- ja tuulienergiaa. Tutkimuksessa huomasimme merkittäviä ja monimutkaisia skaalautuvuusilmiöitä, jotka kertovat, että sähköverkkojen tutkimuksessa reaalimaailman kompleksisuuden huomioiminen on ollut riittämätöntä. Sähkömarkkinamallia hyödyntämällä huomasimme vastaavia epätoivottuja skaalausilmiöitä esiintyvän myös nykyisessä sähkömarkkinassa. Erityisesti loimme keinoja, joilla skaalausilmiöistä on mahdollista päästä eroon nykyistä sähkömarkkinarakennetta käytettäessä. Tässä työssä luotuja malleja ja niiden viitekehystä hyödyntämällä pystymme paremmin analysoimaan kyberfysikaalisia järjestelmiä ja hallitsemaan niiden kompleksisuutta.

Abstract Smart adaptive systems provide advanced tools for monitoring, control, diagnostics and management of nonlinear multivariate processes. Data mining with a multitude of methodologies is a good basis for the integration of intelligent systems. Small, specialised systems have a large number of feasible solutions, but highly complex systems require domain expertise and more compact approaches at the basic level. Linguistic equation (LE) approach originating from fuzzy logic is an efficient technique for these problems. This research is focused on the smart adaptive applications, where different intelligent modules are used in a smart way. The nonlinear scaling methodology based on advanced statistical analysis is the corner stone in representing the variable meanings in a compact way to introduce intelligent indices for control and diagnostics. The new constraint handling together with generalised norms and moments facilitates recursive parameter estimation approaches for the adaptive scaling. Well-known linear methodologies are used for the steady state, dynamic and case-based modelling in connection with the cascade and interactive structures in building complex large scale applications. To achieve insight and robustness the parameters are defined separately for the scaling and the interactions. The LE based intelligent analysers are useful in the multilevel LE control and diagnostics: the LE control is enhanced with the intelligent analysers, adaptive and model-based modules and high level control. The operating area is extended with the predefined adaptation and specific events activate appropriate control actions. The condition, stress and trend indices are used for the detection of operating conditions. The same overall structure is extended to the scheduling and managerial decision support. The linguistic representation becomes increasingly important when the human interaction is essential. The new scaling approach is used in control and diagnostic applications and discussed in connection with previous multivariate modelling cases. The LE based intelligent analysers are the key modules of the system integration, which produces hybrid systems: fuzzy systems move gradually to higher levels, neural networks and evolutionary computing are used for tuning. The overall system is reinforced with advanced statistical analysis, signal processing, feature extraction, classification and mechanistic modelling. / Tiivistelmä Viisaat mukautuvat järjestelmät sisältävät kehittyneitä työkaluja epälineaaristen monimuuttujaisten prosessien valvontaan, säätöön, diagnostiikkaan ja johtamiseen. Laajaan menetelmäpohjaan perustuva tiedonrikastus on pohjana älykkäiden järjestelmien yhdistämiselle. Pienille erikoistuneille järjestelmille on monia toteutettavissa olevia ratkaisuja, mutta erittäin monimutkaiset järjestelmät vaativat alan asiantuntemusta ja kompakteja lähestymistapoja perustasolla. Sumeaan logiikkaan pohjautuva lingvististen yhtälöiden (linguistic equation, LE) menetelmä on tehokas ratkaisu näissä ongelma-alueissa. Tämä tutkimus kohdistuu viisaisiin mukautuviin sovelluksiin, jossa useita älykkäitä moduuleja käytetään yhdessä viisaalla tavalla. Kehittyneeseen tilastolliseen analyysiin perustuva epälineaarinen skaalausmenetelmä muodostaa ratkaisun kulmakiven: muuttujien merkitykset soveltuvat säädössä ja diagnostiikassa käytettävien älykkäiden indeksien kehittämiseen. Uudet rajoituksien käsittelymenetelmät yhdessä yleistettyjen normien ja momenttien kanssa mahdollistavat rekursiivisen parametriestimoinnin olosuhteisiin mukautuvassa skaalauksessa. Tunnettuja lineaarisia menetelmiä käytetään staattisessa, dynaamisessa ja tapauspohjaisessa mallintamisessa, jossa kaskadi- ja vuorovaikutusrakenteet laajentavat mallit tarvittaessa monimutkaisiin sovelluksiin. Prosessituntemuksen ja järjestelmien robustisuuden varmistamiseksi parametrit määritellään erikseen skaalausta ja vuorovaikutuksia varten. LE-pohjaiset älykkäät analysaattorit ovat hyödyllisiä monitasoisessa säädössä ja diagnostiikassa: LE-säätöä parannetaan älykkäiden analysaattorien, adaptiivisten ja mallipohjaisten moduulien sekä ylemmän tason säädön avulla. Käyttöaluetta laajennetaan ennalta määrätyllä adaptoinnilla sekä tiettyjen tapahtumien aktivoimilla erityisillä säätötoimenpiteillä. Kunto-, rasitus- ja trendi-indeksejä käytetään olosuhteiden tunnistamiseen. Sama rakenne laajennetaan tuotannon ajoitukseen ja päätöksenteontukeen, jossa inhimillisen vuorovaikutuksen käsittely tekee lingvistisen esityksen yhä tärkeämmäksi. Uutta skaalausmenetelmää tarkastellaan säätö- ja diagnostiikkasovelluksissa sekä vertaillaan lyhyesti sen käyttömahdollisuuksia aikaisemmin toteutetuissa monimuuttujamalleissa. LE-pohjaiset älykkäät analysaattorit ovat keskeisiä integroitaessa moduuleja hybridiratkaisuiksi: sumeat järjestelmät siirtyvät vähitellen ylemmille tasoille ja neuro- ja evoluutiolaskennassa keskitytään järjestelmien viritykseen. Kokonaisjärjestelmää vahvistetaan kehittyneellä tilastollisella analyysilla, signaalinkäsittelyllä, piirteiden erottamisella, luokittelulla ja mekanistisella mallintamisella.

Abstract The last decade was marked by a set of harmful events ranging from economical crises to organized crime, acts of terror and natural catastrophes. This has led to a paradigm transformation concerning security. Millions of surveillance cameras have been deployed, which led to new challenges, as the systems and operations behind those cameras could not cope with the rapid growth in number of video cameras and systems. Looking at today’s control rooms, often hundreds or even thousands of cameras are displayed, overloading security officers with irrelevant information. The purpose of this research was the creation of a novel video surveillance system with automated analysis mechanisms which enable security authorities and their operators to cope with this information flood. By automating the process, video surveillance was transformed into a proactive information system. The progress in technology as well as the ever increasing demand in security have proven to be an enormous driver for security technology research, such as this study. This work shall contribute to the protection of our personal freedom, our lives, our property and our society by aiding the prevention of crime and terrorist attacks that diminish our personal freedom. In this study, design science research methodology was utilized in order to ensure scientific rigor while constructing and evaluating artifacts. The requirements for this research were sought in close cooperation with high-level security authorities and prior research was studied in detail. The created construct, the “Intelligent Video Surveillance System”, is a distributed, highly-scalable software framework, that can function as a basis for any kind of high-performance video surveillance system, from installations focusing on high-availability to flexible cloud-based installation that scale across multiple locations and tens of thousands of cameras. First, in order to provide a strong foundation, a modular, distributed system architecture was created, which was then augmented by a multi-sensor analysis process. Thus, the analysis of data from multiple sources, combining video and other sensors in order to automatically detect critical events, was enabled. Further, an intelligent mobile client, the video surveillance local control, which addressed remote access applications, was created. Finally, a wireless self-contained surveillance system was introduced, a novel smart camera concept that enabled ad hoc and mobile surveillance. The value of the created artifacts was proven by evaluation at two real-world sites: An international airport, which has a large-scale installation with high-security requirements, and a security service provider, offering a multitude of video-based services by operating a video control center with thousands of cameras connected. / Tiivistelmä Viime vuosikymmen tunnetaan vahingollisista tapahtumista alkaen talouskriiseistä ja ulottuen järjestelmälliseen rikollisuuteen, terrori-iskuihin ja luonnonkatastrofeihin. Tämä tilanne on muuttanut suhtautumista turvallisuuteen. Miljoonia valvontakameroita on otettu käyttöön, mikä on johtanut uusiin haasteisiin, koska kameroihin liittyvät järjestelmät ja toiminnot eivät pysty toimimaan yhdessä lukuisien uusien videokameroiden ja järjestelmien kanssa. Nykyajan valvontahuoneissa voidaan nähdä satojen tai tuhansien kameroiden tuottavan kuvaa ja samalla runsaasti tarpeetonta informaatiota turvallisuusvirkailijoiden katsottavaksi. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli luoda uusi videovalvontajärjestelmä, jossa on automaattiset analyysimekanismit, jotka mahdollistavat turva-alan toimijoiden ja niiden operaattoreiden suoriutuvan informaatiotulvasta. Automaattisen videovalvontaprosessin avulla videovalvonta muokattiin proaktiiviseksi tietojärjestelmäksi. Teknologian kehitys ja kasvanut turvallisuusvaatimus osoittautuivat olevan merkittävä ajuri turvallisuusteknologian tutkimukselle, kuten tämä tutkimus oli. Tämä tutkimus hyödyttää yksittäisen ihmisen henkilökohtaista vapautta, elämää ja omaisuutta sekä yhteisöä estämällä rikoksia ja terroristihyökkäyksiä. Tässä tutkimuksessa suunnittelutiedettä sovellettiin varmistamaan tieteellinen kurinalaisuus, kun artefakteja luotiin ja arvioitiin. Tutkimuksen vaatimukset perustuivat läheiseen yhteistyöhön korkeatasoisten turva-alan viranomaisten kanssa, ja lisäksi aiempi tutkimus analysoitiin yksityiskohtaisesti. Luotu artefakti - ’älykäs videovalvontajärjestelmä’ - on hajautettu, skaalautuva ohjelmistoviitekehys, joka voi toimia perustana monenlaiselle huipputehokkaalle videovalvontajärjestelmälle alkaen toteutuksista, jotka keskittyvät saatavuuteen, ja päättyen joustaviin pilviperustaisiin toteutuksiin, jotka skaalautuvat useisiin sijainteihin ja kymmeniin tuhansiin kameroihin. Järjestelmän tukevaksi perustaksi luotiin hajautettu järjestelmäarkkitehtuuri, jota laajennettiin monisensorianalyysiprosessilla. Siten mahdollistettiin monista lähteistä peräisin olevan datan analysointi, videokuvan ja muiden sensorien datan yhdistäminen ja automaattinen kriittisten tapahtumien tunnistaminen. Lisäksi tässä työssä luotiin älykäs kännykkäsovellus, videovalvonnan paikallinen kontrolloija, joka ohjaa sovelluksen etäkäyttöä. Viimeksi tuotettiin langaton itsenäinen valvontajärjestelmä – uudenlainen älykäs kamerakonsepti – joka mahdollistaa ad hoc -tyyppisen ja mobiilin valvonnan. Luotujen artefaktien arvo voitiin todentaa arvioimalla ne kahdessa reaalimaailman ympäristössä: kansainvälinen lentokenttä, jonka laajamittaisessa toteutuksessa on korkeat turvavaatimukset, ja turvallisuuspalveluntuottaja, joka tarjoaa moninaisia videopohjaisia palveluja videovalvontakeskuksen avulla käyttäen tuhansia kameroita.