No description available.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第13213号 / 情博第257号 / 新制||情||52(附属図書館) / UT51-2007-H486 / 京都大学大学院情報学研究科数理工学専攻 / (主査)教授 太田 快人, 教授 福嶋 雅夫, 教授 杉江 俊治 / 学位規則第4条第1項該当

Abstract. Skill-based approach has been represented as a solution to the raising complicity of robot programming and control. The skills rely heavily on the use of sensors integrating sensor perceptions and robot actions, which enable the robot to adapt to changes and uncertainties in the real world and operate autonomously. The aim of this thesis was to design and implement a programming concept for skill-based control of industrial robots. At the theoretical part of this thesis, the industrial robot system is introduced as well as some basic concepts of robotics. This is followed by the introduction of different robot programming and 3D machine vision methods. At the last section of the theoretical part, the structure of skill-based programs is presented. In the experimental part, structure of the skills required for the “grinding with localization” -task are presented. The task includes skills such as global localization with 3D-depth sensor, scanning the object with 2D-profile scanner, precise localization of the object as well as two grinding skills: level surface grinding and straight seam grinding. Skills are programmed with an off-line programming tool and implemented in a robot cell, composed of a standard industrial robot with grinding tools, 3D-depth sensors and 2D-profile scanners. The results show that global localization can be carried out with consumer class 3D-depth sensors and more accurate local localization with an industrial high-accuracy 2D-profile scanner attached to the robot’s flange. The grinding experiments and tests were focused on finding suitable structures of the skill programs as well as to understand how the different parameters influence on the quality of the grinding.Robotin taitopohjaisten ohjelmien ohjelmointi ja testaus. Tiivistelmä. Robotin taitopohjaisia ohjelmia on esitetty ratkaisuksi robottien jatkuvasti monimutkaistuvaan ohjelmointiin. Taidot pohjautuvat erilaisten antureiden ja robotin toimintojen integroimiseen, joiden avulla robotti pystyy havainnoimaan muutokset reaalimaailmassa ja toimimaan autonomisesti. Tämän työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa taitopohjaisia ohjelmia teollisuusrobotille. Aluksi työn teoriaosuudessa esitellään teollisuusrobottijärjestelmään kuuluvia osia ja muutamia robotiikan olennaisimpia käsitteitä. Sen jälkeen käydään läpi eri robotin ohjelmointitapoja ja eri 3D-konenäön toimintaperiaatteita. Teoriaosuuden lopussa esitellään taitopohjaisten ohjelmien rakennetta. Käytännön osuudessa esitellään ”hionta paikoituksella” -tehtävän suoritukseen tarvittavien taitojen rakenne. Tehtävän vaatimia taitoja ovat muun muassa kappaleen globaalipaikoitus 3D-syvyyskameralla, kappaleen skannaus 2D-profiiliskannerilla, kappaleen tarkkapaikoitus ja kaksi eri hiontataitoa: tasomaisen pinnan ja suoran sauman hionta. Taidot ohjelmoidaan off-line ohjelmointityökalulla ja implementoidaan robottisoluun, joka muodostuu hiontatyökaluilla varustetusta teollisuusrobotista, 3D-kameroista ja 2D-profiiliskannereista. Työn tuloksista selviää, että kappaleen globaalipaikoitus voidaan suorittaa kuluttajille suunnatuilla 3D-syvyyskameroilla ja kappaleen tarkempi lokaalipaikoitus robotin ranteeseen kiinnitetyllä teollisuuden käyttämillä 2D-profiiliskannereilla. Hiontojen kokeellisessa osuudessa etsitään ohjelmien oikeanlaista rakennetta sekä muodostetaan käsitys eri parametrien vaikutuksesta hionnan laatuun.

<p>Linear time-invariant approximations of nonlinear systems are used in many applications and can be obtained in several ways. For example, using system identification and the prediction-error method, it is always possible to estimate a linear model without considering the fact that the input and output measurements in many cases come from a nonlinear system. One of the main objectives of this thesis is to explain some properties of such approximate models.</p><p>More specifically, linear time-invariant models that are optimal approximations in the sense that they minimize a mean-square error criterion are considered. Linear models, both with and without a noise description, are studied. Some interesting, but in applications usually undesirable, properties of such optimal models are pointed out. It is shown that the optimal linear model can be very sensitive to small nonlinearities. Hence, the linear approximation of an almost linear system can be useless for some applications, such as robust control design. Furthermore, it is shown that standard validation methods, designed for identification of linear systems, cannot always be used to validate an optimal linear approximation of a nonlinear system.</p><p>In order to improve the models, conditions on the input signal that imply various useful properties of the linear approximations are given. It is shown, for instance, that minimum phase filtered white noise in many senses is a good choice of input signal. Furthermore, the class of separable signals is studied in detail. This class contains Gaussian signals and it turns out that these signals are especially useful for obtaining approximations of generalized Wiener-Hammerstein systems. It is also shown that some random multisine signals are separable. In addition, some theoretical results about almost linear systems are presented.</p><p>In standard methods for robust control design, the size of the model error is assumed to be known for all input signals. However, in many situations, this is not a realistic assumption when a nonlinear system is approximated with a linear model. In this thesis, it is described how robust control design of some nonlinear systems can be performed based on a discrete-time linear model and a model error model valid only for bounded inputs.</p><p>It is sometimes undesirable that small nonlinearities in a system influence the linear approximation of it. In some cases, this influence can be reduced if a small nonlinearity is included in the model. In this thesis, an identification method with this option is presented for nonlinear autoregressive systems with external inputs. Using this method, models with a parametric linear part and a nonparametric Lipschitz continuous nonlinear part can be estimated by solving a convex optimization problem.</p> / <p>Linjära tidsinvarianta approximationer av olinjära system har många användningsområden och kan tas fram på flera sätt. Om man har mätningar av in- och utsignalerna från ett olinjärt system kan man till exempel använda systemidentifiering och prediktionsfelsmetoden för att skatta en linjär modell utan att ta hänsyn till att systemet egentligen är olinjärt. Ett av huvudmålen med den här avhandlingen är att beskriva egenskaper för sådana approximativa modeller.</p><p>Framförallt studeras linjära tidsinvarianta modeller som är optimala approximationer i meningen att de minimerar ett kriterium baserat på medelkvadratfelet. Brusmodeller kan inkluderas i dessa modelltyper och både fallet med och utan brusmodell studeras här. Modeller som är optimala i medelkvadratfelsmening visar sig kunna uppvisa ett antal intressanta, men ibland oönskade, egenskaper. Bland annat visas det att en optimal linjär modell kan vara mycket känslig för små olinjäriteter. Denna känslighet är inte önskvärd i de flesta tillämpningar och innebär att en linjär approximation av ett nästan linjärt system kan vara oanvändbar för till exempel robust reglerdesign. Vidare visas det att en del valideringsmetoder som är framtagna för linjära system inte alltid kan användas för validering av linjära approximationer av olinjära system.</p><p>Man kan dock göra de optimala linjära modellerna mer användbara genom att välja lämpliga insignaler. Bland annat visas det att minfasfiltrerat vitt brus i många avseenden är ett bra val av insignal. Klassen av separabla signaler detaljstuderas också. Denna klass innehåller till exempel alla gaussiska signaler och just dessa signaler visar sig vara speciellt användbara för att ta fram approximationer av generaliserade wiener-hammerstein-system. Dessutom visas det att en viss typ av slumpmässiga multisinussignaler är separabel. Några teoretiska resultat om nästan linjära system presenteras också.</p><p>De flesta metoder för robust reglerdesign kan bara användas om storleken på modellfelet är känd för alla tänkbara insignaler. Detta är emellertid ofta inte realistiskt när ett olinjärt system approximeras med en linjär modell. I denna avhandling beskrivs därför ett alternativt sätt att göra en robust reglerdesign baserat på en tidsdiskret modell och en modellfelsmodell som bara är giltig för begränsade insignaler.</p><p>Ibland skulle det vara önskvärt om en linjär modell av ett system inte påverkades av förekomsten av små olinjäriteter i systemet. Denna oönskade påverkan kan i vissa fall reduceras om en liten olinjär term tas med i modellen. En identifieringsmetod för olinjära autoregressiva system med externa insignaler där denna möjlighet finns beskrivs här. Med hjälp av denna metod kan modeller som består av en parametrisk linjär del och en ickeparametrisk lipschitzkontinuerlig olinjär del skattas genom att man löser ett konvext optimeringsproblem.</p>

The use of computer controlled systems has increased dramatically in our daily life. Microprocessors are embedded in most of the daily- used devices. Due to cost constraints, many of these devices that run control applications are designed under processing power, space, weight, and energy constraints, i.e., with limited resources. Moreover, the embedded control systems market demands new capabilities to these devices or improvements in the existing ones without increasing the resource demands. Enabling devices with real-time technology is a promising step toward achieving cost-effective embedded control systems. Recent results of real-time systems theory provide methods and policies for an efficient use of the computational resources. At the same time, control systems theory is starting to offer controllers with varying computational load. By combining both disciplines, it is theoretically feasible to design resource-constrained embedded control systems capable of trading-off control performance and resource utilization. This thesis focuses on the practical feasibility of this new generation of embedded control systems. To this extend, two issues are addressed: 1) the effective implementation of control loops using real-time technology and 2) the evaluation of resource/performance- aware policies that can be applied to a set of control loops that concurrently execute on a microprocessor. A control task generally consists of three main activities: input, control algorithm computation, and output. The timing of the input and output actions is critical to the performance of the controller. The implementation of these operations can be conducted within the real- time task body or using hardware functions. The former introduces considerable amounts of jitters while the latter forces delays. This thesis presents a novel task model as a computational abstraction for implementing control loops that is shown to remove the endemic problems caused by jitters and delays. This model is synchronized at the output instants rather than at the input instants. This has been shown to provide interesting properties. From the scheduling point of view, the new task model can be seamlessly integrated into existing scheduling theory and practice, while improving task set schedulability. From a control perspective, the task model absorbs jitters because it allows irregular sampling by incorporating predictors, and improves reactiveness in front of perturbations. In addition, Kalman techniques have been also investigated to deal with the case of noisy measurements. The effective implementation of simple control algorithms making use of this new task model does not guarantee the feasibility of implementing state-of-the-art resource/performance-aware policies. These policies, which can be roughly divided into feedback scheduling and event-driven control, have been mainly treated from a theoretical point of view while practical aspects have been omitted. Conversely to the initial problem targeted by these policies, that is, to minimize or keep resource requirements to meet the tight cost constraints related with mass production and strong industrial competition, research advances seem to require sophisticated procedures that may impair a cost-effective implementation. This thesis presents a performance evaluation framework that permits to assess these policies in terms of the potential benefits offered by the theory as well as the pay-off in terms of complexity and overhead. The framework design is the result of a taxonomical analysis of the related state-of-the-art. Among other specifications, the framework, which is composed by a simulation and an experimental platform, supports both event/time triggered paradigms, allows different sort of control and optimization algorithms, and flexibly evaluates control performance and resource utilization. / El uso de sistemas controlados por computadora ha incrementado dramáticamente en nuestra vida cotidiana. En la mayor parte de los dispositivos que usamos diariamente encontramos microprocesadores. Debido a restricciones de coste muchos de estos dispositivos ejecutan aplicaciones de control diseñadas bajo restricciones de potencia, espacio, peso y energía, esto es, con recursos limitados. Además, el mercado de sistemas de control embebido demanda nuevas capacidades a estos dispositivos o mejoras en los dispositivos ya existentes sin incrementar las demandas de recursos. Incluir en estos dispositivos tecnología de tiempo real es un prometedor paso para conseguir sistemas de control embebido de bajo coste. Resultados recientes en sistemas de tiempo real proporcionan métodos y políticas para un uso eficiente de los recursos. Al mismo tiempo, los sistemas de control empiezan a ofrecer controladores con carga computacional variable. Al combinar estas dos disciplinas, es teóricamente posible diseñar sistemas de control embebido con recursos restringidos capaces de balancear el rendimiento de control y la utilización de recursos. El objetivo de esta tesis es determinar la viabilidad de la implementación práctica de esta nueva generación de sistemas de control embebidos. En este sentido, dos problemas principales son abordados: 1) la efectiva implementación de lazos de control usando tecnología de tiempo real, y 2) la evaluación de políticas de mejoras en recursos y rendimiento que pueden ser aplicados a un conjunto de lazos de control que se ejecutan concurrentemente en un microprocesador. Una tarea de control consiste generalmente en tres actividades principales: entrada, cómputo del algoritmo de control y salida. El tiempo en el que se ejecutan las acciones de entrada y salida es crítico con respecto al rendimiento del controlador. La implementación de estas operaciones puede ser ejecutada dentro del cuerpo de la tarea de tiempo real o a través de funciones hardware como interrupciones. La primera opción introduce una considerable cantidad de jitters (variaciones), mientras que la segunda introduce retardos. Esta tesis presenta un nuevo modelo de tareaspara la implementación de lazos de control que es capaz de eliminar los problemas endémicos causados por los jitters y los retardos. En este modelo la sincronización se realiza en los instantes de salida, en lugar de los instantes de entrada. Esto ha demostrado tener propiedades interesantes. Desde el punto de vista de planificación de tareas, el nuevo modelo puede ser integrado en forma directa a la teoría y práctica de planificación de tareas, mejorando la capacidad de planificación. Desde una perspectiva de control, el modelo de tareas absorbe los jitters al permitir muestreos irregulares mediante el uso de predictores, y además mejora la capacidad de reacción del sistema frente a perturbaciones. Adicionalmente, técnicas basadas en filtros de Kalman han sido también investigadas para tratar situaciones en que se tengan mediciones con ruido. La efectiva implementación de algoritmos simples de control haciendo uso de este nuevo modelo de tarea no garantiza la factibilidad de implementar políticas más avanzadas, aparecidas recientemente en el estado del arte, para mejorar el rendimiento del control y el uso eficiente de recursos. Estas políticas, que pueden ser divididas en planificación con retroalimentación (feedback scheduling) y control guiado por eventos (event-driven control), han sido principalmente abordadas desde una perspectiva teórica mientras los aspectos prácticos usualmente son omitidos. Contrariamente al problema inicial al que se enfocan estas políticas, que es minimizar o mantener los requerimientos de uso de recursos para lograr las restricciones de coste debidas a la producción en masa y a la fuerte competencia industrial, los avances en las investigaciones parecen requerir procedimientos sofisticados que van en detrimento de una implementación de bajo coste. Esta tesis presenta una plataforma de evaluación de rendimiento que permite valorar estas políticas en términos de los beneficios potenciales ofrecidos por la teoría, además de valorar los costes en términos de complejidad y uso adicional de recursos. El diseño de la plataforma es el resultado de un análisis taxonómico de distintos métodos que forman parte del estado del arte. Entre otras especificaciones, la plataforma, que está compuesta por una plataforma de simulación y una experimental, soporta tanto los paradigmas basados en tiempo como los basados en eventos, permite la implementación de distintos algoritmos de optimización y control, y es capaz de evaluar tanto el rendimiento de control como el uso de recursos.

<p>This thesis presents techniques for improving building HVAC system performance in existing buildings generated using simulation-based tools and real data. Therefore, one of the aims has been to research the needs and possibilities to assess and improve building HVAC system performance. In addition, this thesis aims at an advanced utilization of building energy management system (BEMS) and the provision of useful information to building operators using simulation tools.</p><p>Buildings are becoming more complex systems with many elements, while BEMS provide many data about the building systems. There are, however, many faults and issues in building performance, but there are legislative and cost-benefit forces induced by energy savings. Therefore, both BEMS and the computer-based tools have to be utilized more efficiently to improve building performance.</p><p>The thesis consists of four main parts that can be read separately. The first part explains the term commissioning and the commissioning tool work principal based on literature reviews. The second part presents practical experiences and issues introduced through the work on this study. The third part deals with the computer-based tools application in design and operation. This part is divided into two chapters. The first deals with improvement in the design, and the second deals with the improvement in the control strategies. The last part of the thesis gives several rules for fault diagnosis developed using simulation tools. In addition, this part aims at the practical explanation of the faults in the building HVAC systems.</p><p>The practical background for the thesis was obtained though two surveys. The first survey was carried out with the aim to find the commissioning targets in Norwegian building facilities. In that way, an overview of the most typical buildings, HVAC equipment, and their related problems was obtained. An on-site survey was carried out on an example building, which was beneficial for introducing the building maintenance structure and the real hydronic heating system faults.</p><p>Coupled simulation and optimization programs (EnergyPlus and GenOpt) were utilized for improving the building performances. These tools were used for improving the design and the control strategies in the HVAC systems. Buildings with a hydronic heating system were analyzed for the purpose of improving the design. Since there are issues in using the optimization tool, GenOpt, a few procedures for different practical problems have been suggested. The optimization results show that the choice of the optimization functions influences significantly the design parameters for the hydronic heating system.</p><p>Since building construction and equipment characteristics are changing over time, there is a need to find new control strategies which can meet the actual building demand. This problem has been also elaborated on by using EnergyPlus and GenOpt. The control strategies in two different HVAC systems were analyzed, including the hydronic heating system and the ventilation system with the recovery wheel. The developed approach for the strategy optimization includes: involving the optimization variables and the objective function and developing information flow for handling the optimization process.</p><p>The real data obtained from BEMS and the additional measurements have been utilized to explain faults in the hydronic heating system. To couple real data and the simple heat balance model, the procedure for the model calibration by use of an optimization algorithm has been developed. Using this model, three operating faults in the hydronic heating system have been elaborated.</p><p>Using the simulation tools EnergyPlus and TRNSYS, several fault detection and diagnosis (FDD) rules have been generated. The FDD rules were established in three steps: testing different faults, calculating the performance indices (PI), and classifying the observed PIs. These rules have been established for the air cooling system and the hydronic heating system. The rules can diagnose the control and the component faults. Finally, analyzing the causes and the effects of the tested faults, useful information for the building maintenance has been descriptively explained.</p><p>The most important conclusions are related to a practical connection of the real data and simulation-based tools. For a complete understanding of system faults, it is necessary to provide real-life information. Even though BEMS provides many building data, it was proven that BEMS is not completely utilized. Therefore, the control strategies can always be improved and tuned to the actual building demands using the simulation and optimization tools. It was proven that many different FDD rules for HVAC systems can be generated using the simulation tools. Therefore, these FDD rules can be used as manual instructions for the building operators or as a framework for the automated FDD algorithms.</p> / <p>Denne avhandlingen presenterer noen fremgangsmåter for forbedring av ytelser for VVS-tekniske anlegg i eksisterende bygninger basert på bruk av simuleringsverktøy og virkelige måledata. Ett av målene har vært å undersøke behov og muligheter for vurdering og forbedring av ytelser for VVS-anlegg i bygninger. I tillegg har denne avhandlingen hatt som mål å fremme bruk av SD-anlegg samt å fremskaffe nyttig informasjon til driftspersonalet.</p><p>Bygninger blir stadig mer kompliserte systemer som inneholder flere og flere komponenter mens SD-anlegg håndterer en stadig større mengde data fra bygningsinstallasjoner. På den ene siden registreres det ofte feil og problemer med hensyn til ytelsene til de VVS-tekniske installasjonene. På den andre siden innføres det stadig strengere lovmessige pålegg og kost-nyttekrav motivert i energieffektiviseringen. SD-anlegg og databaserte verktøy bør derfor brukes mer effektivt for forbedring av ytelsene.</p><p>Avhandlingen består av fire hoveddeler hvor hver del kan leses separat. Den første delen, som er basert på literatturstudie, forklarer funksjonskontroll som begrep og prinsipper for oppbygging av verktøy for funksjonskontroll. Den andre delen presenterer praktisk erfaring og problemstillinger utviklet og behandlet i løpet av arbeidet med avhandlingen. Den tredje delen handler om anvendelse av databaserte verktøy for forbedring av ytelsen for VVS-tekniske installasjoner. Den tredje delen er delt opp i to kapitler, hvorav et handler om forbedring av systemløsninger og et om forbedring av styringsstrategier. Den siste delen presenterer flere regler for feilsøking og diagnostisering utviklet gjennom bruk av simuleringsverktøy. I tillegg gir denne delen en praktisk forklaring av feilene i de VVS-anleggene som er behandlet i undersøkelsen.</p><p>Det praktiske grunnlaget for avhandlingen er etablert gjennom to undersøkelser. Den første var en spørreundersøkelse som hadde til hensikt å kartlegge målsetninger for funksjonskontroll i norske bygninger. Gjennom dette ble det etablert en oversikt over de mest typiske bygninger med tilhørende VVS-anlegg og de mest forekommende problemene. En dypere undersøkelse ble utført på ett casebygg. Denne undersøkelsen viste seg å være nyttig både for kartlegging av betydningen av organisering av driften av bygningen og for avdekking av de virkelige feilene i det vannbårne oppvarmingssystemet.</p><p>En kobling mellom et simulerings- og et optimaliseringsprogram (EnergyPlus og GenOpt) har vært benyttet for forbedring av ytelsene for de VVS-tekniske installasjonene. Disse verktøyene har vært brukt for forbedring av både systemløsningene og styringsstrategiene for VVS-anlegg. Bygninger med vannbåren oppvarmingssystem har vært analysert for å forbedre systemløsningen. På grunn av begrensninger i bruken av optimaliseringsverktøyet GenOpt, har det blitt utviklet egne prosedyrer for håndtering av visse typer problemstillinger hvor denne begrensningen opptrer. Resultatene for optimaliseringen viser at valg av objektfunksjoner påvirker betydelig parametrene i det vannbårne oppvarmingssystemet.</p><p>Endringer i egenskapene til både bygningskonstruksjoner og utstyr som skjer på grunn av aldring over tiden, gjør det nødvendig med tilpassning av styringsstrategier slik at det virkelige behovet kan bli dekket. Denne problemstillingen har vært analysert ved bruk av EnergyPlus og GenOpt. Styringsstrategiene for to forskjellige VVS-anlegg, et vannbåret oppvarmingssystem og et ventilasjonsanlegg med varmegjenvinner har blitt behandlet. Den utviklete prosedyren for optimalisering av styringsstrategien består av følgende steg: innføring av optimaliseringsvariabler og objektfunksjon, samt utvikling av informasjonsflyt for behandling av optimaliseringsprosessen.</p><p>De virkelige data, både fra SD-anlegg og tilleggsmålinger, har vært benyttet for praktisk forklaring av feilene i oppvarmingssystemet. En prosedyre for modellkalibrering basert på bruk av en optimaliseringsalgoritme som kobler sammen de virkelige data og en enkel varmebalansemodell har blitt foreslått. Tre konkrete driftsfeil i oppvarmingssystemet har blitt belyst gjennom bruk av denne varmebalansemodellen.</p><p>Flere regler for feilsøking og diagnostisering har blitt utviklet ved hjelp av simuleringsverktøyene EnergyPlus and TRNSYS. Denne utviklingen har bestått av tre ulike steg: testing av bestemte feil, beregning av ytelsesindikatorer og til slutt klassifisering av de observerte ytelsesindikatorer. Reglene har blitt utviklet for et system av aggregater for luftkjøling og for et vannbåret oppvarmingssystem. Reglene kan diagnostisere både styringsfeil og komponentfeil. Til slutt presenteres informasjon som er nyttig for drift av VVS-tekniske installasjoner i bygninger basert på en analyse av årsakene for og virkningene av de feil som er behandlet.</p><p>De viktigste konklusjonene er knyttet til praktisk kombinasjon av virkelige måleverdier og simuleringsverktøy. Informasjon fra det virkelig liv er helt nødvendig for å få en god forståelse av feil som oppstår i anlegg. Det er også vist at potensialet som ligger i alle de data som er tilgjengelige gjennom SD-anlegg, ikke er fullt utnyttet. Gjennom bruk av simuleringsverktøy kan styringsstrategiene alltid bli bedre tilpasset og innjustert til de virkelige behov i bygningen. Simuleringsverktøy kan også brukes for utvikling av prosedyrer for feilsøking og diagnostisering i VVS-tekniske anlegg. Disse prosedyrene kan brukes enten som en veileder for manuell feilsøking og detektering eller som grunnlag for utvikling av automatiserte algoritmer.</p> / Paper II, VI and VII are reprinted with kind permission from Elsevier, sciencedirect.com

This thesis presents techniques for improving building HVAC system performance in existing buildings generated using simulation-based tools and real data. Therefore, one of the aims has been to research the needs and possibilities to assess and improve building HVAC system performance. In addition, this thesis aims at an advanced utilization of building energy management system (BEMS) and the provision of useful information to building operators using simulation tools. Buildings are becoming more complex systems with many elements, while BEMS provide many data about the building systems. There are, however, many faults and issues in building performance, but there are legislative and cost-benefit forces induced by energy savings. Therefore, both BEMS and the computer-based tools have to be utilized more efficiently to improve building performance. The thesis consists of four main parts that can be read separately. The first part explains the term commissioning and the commissioning tool work principal based on literature reviews. The second part presents practical experiences and issues introduced through the work on this study. The third part deals with the computer-based tools application in design and operation. This part is divided into two chapters. The first deals with improvement in the design, and the second deals with the improvement in the control strategies. The last part of the thesis gives several rules for fault diagnosis developed using simulation tools. In addition, this part aims at the practical explanation of the faults in the building HVAC systems. The practical background for the thesis was obtained though two surveys. The first survey was carried out with the aim to find the commissioning targets in Norwegian building facilities. In that way, an overview of the most typical buildings, HVAC equipment, and their related problems was obtained. An on-site survey was carried out on an example building, which was beneficial for introducing the building maintenance structure and the real hydronic heating system faults. Coupled simulation and optimization programs (EnergyPlus and GenOpt) were utilized for improving the building performances. These tools were used for improving the design and the control strategies in the HVAC systems. Buildings with a hydronic heating system were analyzed for the purpose of improving the design. Since there are issues in using the optimization tool, GenOpt, a few procedures for different practical problems have been suggested. The optimization results show that the choice of the optimization functions influences significantly the design parameters for the hydronic heating system. Since building construction and equipment characteristics are changing over time, there is a need to find new control strategies which can meet the actual building demand. This problem has been also elaborated on by using EnergyPlus and GenOpt. The control strategies in two different HVAC systems were analyzed, including the hydronic heating system and the ventilation system with the recovery wheel. The developed approach for the strategy optimization includes: involving the optimization variables and the objective function and developing information flow for handling the optimization process. The real data obtained from BEMS and the additional measurements have been utilized to explain faults in the hydronic heating system. To couple real data and the simple heat balance model, the procedure for the model calibration by use of an optimization algorithm has been developed. Using this model, three operating faults in the hydronic heating system have been elaborated. Using the simulation tools EnergyPlus and TRNSYS, several fault detection and diagnosis (FDD) rules have been generated. The FDD rules were established in three steps: testing different faults, calculating the performance indices (PI), and classifying the observed PIs. These rules have been established for the air cooling system and the hydronic heating system. The rules can diagnose the control and the component faults. Finally, analyzing the causes and the effects of the tested faults, useful information for the building maintenance has been descriptively explained. The most important conclusions are related to a practical connection of the real data and simulation-based tools. For a complete understanding of system faults, it is necessary to provide real-life information. Even though BEMS provides many building data, it was proven that BEMS is not completely utilized. Therefore, the control strategies can always be improved and tuned to the actual building demands using the simulation and optimization tools. It was proven that many different FDD rules for HVAC systems can be generated using the simulation tools. Therefore, these FDD rules can be used as manual instructions for the building operators or as a framework for the automated FDD algorithms. / Denne avhandlingen presenterer noen fremgangsmåter for forbedring av ytelser for VVS-tekniske anlegg i eksisterende bygninger basert på bruk av simuleringsverktøy og virkelige måledata. Ett av målene har vært å undersøke behov og muligheter for vurdering og forbedring av ytelser for VVS-anlegg i bygninger. I tillegg har denne avhandlingen hatt som mål å fremme bruk av SD-anlegg samt å fremskaffe nyttig informasjon til driftspersonalet. Bygninger blir stadig mer kompliserte systemer som inneholder flere og flere komponenter mens SD-anlegg håndterer en stadig større mengde data fra bygningsinstallasjoner. På den ene siden registreres det ofte feil og problemer med hensyn til ytelsene til de VVS-tekniske installasjonene. På den andre siden innføres det stadig strengere lovmessige pålegg og kost-nyttekrav motivert i energieffektiviseringen. SD-anlegg og databaserte verktøy bør derfor brukes mer effektivt for forbedring av ytelsene. Avhandlingen består av fire hoveddeler hvor hver del kan leses separat. Den første delen, som er basert på literatturstudie, forklarer funksjonskontroll som begrep og prinsipper for oppbygging av verktøy for funksjonskontroll. Den andre delen presenterer praktisk erfaring og problemstillinger utviklet og behandlet i løpet av arbeidet med avhandlingen. Den tredje delen handler om anvendelse av databaserte verktøy for forbedring av ytelsen for VVS-tekniske installasjoner. Den tredje delen er delt opp i to kapitler, hvorav et handler om forbedring av systemløsninger og et om forbedring av styringsstrategier. Den siste delen presenterer flere regler for feilsøking og diagnostisering utviklet gjennom bruk av simuleringsverktøy. I tillegg gir denne delen en praktisk forklaring av feilene i de VVS-anleggene som er behandlet i undersøkelsen. Det praktiske grunnlaget for avhandlingen er etablert gjennom to undersøkelser. Den første var en spørreundersøkelse som hadde til hensikt å kartlegge målsetninger for funksjonskontroll i norske bygninger. Gjennom dette ble det etablert en oversikt over de mest typiske bygninger med tilhørende VVS-anlegg og de mest forekommende problemene. En dypere undersøkelse ble utført på ett casebygg. Denne undersøkelsen viste seg å være nyttig både for kartlegging av betydningen av organisering av driften av bygningen og for avdekking av de virkelige feilene i det vannbårne oppvarmingssystemet. En kobling mellom et simulerings- og et optimaliseringsprogram (EnergyPlus og GenOpt) har vært benyttet for forbedring av ytelsene for de VVS-tekniske installasjonene. Disse verktøyene har vært brukt for forbedring av både systemløsningene og styringsstrategiene for VVS-anlegg. Bygninger med vannbåren oppvarmingssystem har vært analysert for å forbedre systemløsningen. På grunn av begrensninger i bruken av optimaliseringsverktøyet GenOpt, har det blitt utviklet egne prosedyrer for håndtering av visse typer problemstillinger hvor denne begrensningen opptrer. Resultatene for optimaliseringen viser at valg av objektfunksjoner påvirker betydelig parametrene i det vannbårne oppvarmingssystemet. Endringer i egenskapene til både bygningskonstruksjoner og utstyr som skjer på grunn av aldring over tiden, gjør det nødvendig med tilpassning av styringsstrategier slik at det virkelige behovet kan bli dekket. Denne problemstillingen har vært analysert ved bruk av EnergyPlus og GenOpt. Styringsstrategiene for to forskjellige VVS-anlegg, et vannbåret oppvarmingssystem og et ventilasjonsanlegg med varmegjenvinner har blitt behandlet. Den utviklete prosedyren for optimalisering av styringsstrategien består av følgende steg: innføring av optimaliseringsvariabler og objektfunksjon, samt utvikling av informasjonsflyt for behandling av optimaliseringsprosessen. De virkelige data, både fra SD-anlegg og tilleggsmålinger, har vært benyttet for praktisk forklaring av feilene i oppvarmingssystemet. En prosedyre for modellkalibrering basert på bruk av en optimaliseringsalgoritme som kobler sammen de virkelige data og en enkel varmebalansemodell har blitt foreslått. Tre konkrete driftsfeil i oppvarmingssystemet har blitt belyst gjennom bruk av denne varmebalansemodellen. Flere regler for feilsøking og diagnostisering har blitt utviklet ved hjelp av simuleringsverktøyene EnergyPlus and TRNSYS. Denne utviklingen har bestått av tre ulike steg: testing av bestemte feil, beregning av ytelsesindikatorer og til slutt klassifisering av de observerte ytelsesindikatorer. Reglene har blitt utviklet for et system av aggregater for luftkjøling og for et vannbåret oppvarmingssystem. Reglene kan diagnostisere både styringsfeil og komponentfeil. Til slutt presenteres informasjon som er nyttig for drift av VVS-tekniske installasjoner i bygninger basert på en analyse av årsakene for og virkningene av de feil som er behandlet. De viktigste konklusjonene er knyttet til praktisk kombinasjon av virkelige måleverdier og simuleringsverktøy. Informasjon fra det virkelig liv er helt nødvendig for å få en god forståelse av feil som oppstår i anlegg. Det er også vist at potensialet som ligger i alle de data som er tilgjengelige gjennom SD-anlegg, ikke er fullt utnyttet. Gjennom bruk av simuleringsverktøy kan styringsstrategiene alltid bli bedre tilpasset og innjustert til de virkelige behov i bygningen. Simuleringsverktøy kan også brukes for utvikling av prosedyrer for feilsøking og diagnostisering i VVS-tekniske anlegg. Disse prosedyrene kan brukes enten som en veileder for manuell feilsøking og detektering eller som grunnlag for utvikling av automatiserte algoritmer. / Paper II, VI and VII are reprinted with kind permission from Elsevier, sciencedirect.com

Almost no software is exempt of vulnerabilities. Penetration testing or ethicalhacking can be used to identify them. This thesis conducts a series of testsfollowing the penetration testing method on a large scale industrial controlsystem. The goal is to discover which kind of vulnerabilities exist in thesesystems, focusing on attacks from inside of their network. Several approacheswere taken in relation on how to attack the servers and services that form thenetwork, both from outside and inside the machines. Critical vulnerabilitieswere found in relation to using services unauthenticated and disruptingcommunication between servers, which should be mitigated correctly in orderto prevent further potential attacks. / De flesta av programvaror har sårbarheter. Penetrationstest eller etiskhacking kan användas för att identifiera dem. Denna avhandling utför testerenligt penetrationstestmetoden i ett industriellt kontrollsystem i stor skala.Målet är att upptäcka vilka sårbarheter som finns i dessa system, med fokuspå attacker från deras nätverk. Flera tillvägagångssätt användes för attattackera servrar och tjänster på nätverket, både från in- och utsidan avmaskinera. Kritiska sårbarheter hittades i samband med autentisering ochstörande kommunikation mellan servrar, som bör åtgärdas för att förhindraytterligare potentiella attacker.

The project focuses on the packaging process of the smart card manufacturing industry. The idea of the project concerns how to increase production packaging efficiency by introducing a control system. After taking an in-depth look at the current production environment, the following system goals were defined: packaging time reduction, cost reduction, decrease in human errors, and reducing the number of customer complaints. To achieve these goals, the thesis project was divided into the following tasks: discovering a feasible solution, actual system development, testing, and evaluation. The proposed system is based on hardware (i.e. barcode scanner, and barcode printer) integrated with customized control software. The barcode scanner acts as a bridge between the system and the production process by scanning a barcode printed on each product. The system prints the required information label for the product’s package according to the scanned product. This label is pasted on the product’s box and is used as a tracking tool during further production steps. The system is very flexible and suits any packaging model. Other functional properties maintained in the system include data security, product traceability, and real time production monitoring. Testing of the system was done in an actual production environment at an Oberthur Technologies manufacturing site. Two production lines were selected to test the system’s functionality, specifically the SIM card production packaging line and the Scratch card/ Bank Card production packaging line. The results obtained during the evaluation phase of the proposed system show that the proposed solution decreased the packaging processing time by (27.3%) over the previous values. Moreover, the resulting human error rate is close to (zero%). / Projektet fokuserar på förpackningen processen smartkortet tillverkningsindustrin. Tanken med projektet handlar om hur att öka effektiviteten produktionen förpackningar genom att införa ett styrsystem. Efter att ha tagit en fördjupad titt på den nuvarande produktionsmiljö, var följande systemkrav mål definieras: nedsättning förpackning tid, minskade kostnader, minskad mänskliga fel och minska antalet kundklagomål. För att uppnå dessa mål var examensarbetet indelad i följande uppgifter: att upptäcka en genomförbar lösning, faktisk systemutveckling, testning och utvärdering. Det föreslagna systemet bygger på hårdvara (dvs streckkodsläsare och streckkod skrivare) integreras med skräddarsydd styrprogram. Den streckkodsläsare fungerar som en bro mellan systemet och produktionsprocessen genom att läsa en streckkod tryckt på varje produkt. Systemet skriver den erforderliga informationen etiketten för produktens förpackning enligt den scannade produkten. Denna etikett klistras in på produktens ask och används som ett verktyg för spårning under ytterligare produktionssteg. Systemet är mycket flexibelt och passar varje förpackning modell. Andra funktionella egenskaper bibehålls i systemet inkluderar datasäkerhet, spårbarhet och i realtid övervakning av produktionen. Testning av systemet gjordes i en verklig produktionsmiljö i ett Oberthur Technologies tillverkningsanläggning. Två produktionslinjer valdes för att testa systemets funktionalitet, särskilt i SIM-kortet produktionen förpackning linje och skrapkort / Bank kortproduktion förpackningslinje. De resultat som erhållits under utvärderingsfasen av det föreslagna systemet visar att den föreslagna lösningen minskade tiden förpackningen behandling av (27,3 %) jämfört med föregående värden. Dessutom är den resulterande mänskliga fel som ligger nära (noll %).

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met index, lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.