Thesis (doctoral)--Helsinki University of Technology, 2005. / Includes bibliographical references (p. 137-155). Also available on the World Wide Web. Myös verkkojulkaisuna.

Abstract The entrepreneurship phenomenon is connected to the creation of new business activity. The object of research, a one year study module, was carried out in Merikoski Commercial School during the school years 1993 to 1997 five times. The main research aim was to model and depict partner-based practice enterprise activity as a whole and as a learning method. Secondly, the aim was to increase understanding of students’ orientation towards the creation of a new venture as an activity as a whole. Thirdly, the aim was to study the constructed quality of the models created by the students and to study their and a bank manager’s conceptions of the learning method in question. The data included an interview with the bank manager and the student-produced subject matter from the partner-based practice enterprise. In addition, research data was acquired via an open questionnaire directed to four student groups which had completed the teaching process. The qualitative case study method was used as research methodology. The research results show that partner-based practice enterprise is well suited as an entrepreneurship learning method. Students build and construct new “business” activity as a whole in a learning process within a learning network in the operating area of the partner enterprise, where they function as if in an actual enterprise. Learning is realized through the division of labour, active knowledge acquisition about the object of learning, transformation of the operational environment and investigation of the enterprise’s reason for existence. Project-based learning involves combining knowledge from different sources by students groups in learning networks in which work life representatives have an important pedagogical role to play. Creating a new business activity system entails a division of labour based on object oriented learning activity in a learning method. The learning activity meant continuous reorientation through students’ division of labour by common modelling and developing business plans through critical evaluation. The quality of the students’ business plans was critically analyzed by the bank manager. The bank manager considered the students work to be of high quality. The students considered the strengths of the learning method to be the following: Learning to work in a group, independent and self initiated learning, learning about work life environment, better and higher quality of learning, learning business activity as a whole and utilization of the learning network. The modelling of business activity has a positive influence on learning business activity in a more holistic way. The models created by the students are algorithmic and systematic models by nature. According to the students the fact the learning activity focused on a real school external environment through a learning network strengthened their connections to work life. / Tiivistelmä Yrittäjyys liittyy ilmiönä uuden liiketoiminnan luomiseen. Tutkimuksen kohteena on Merikosken kauppaoppilaitoksessa viisi kertaa vuosina 1993–1997 toteutettu lukuvuoden kestävä opiskelukokonaisuus. Tutkimuksen tavoitteena oli mallintaa ja kuvata partneriperustainen harjoitusyritys toimintakokonaisuutena ja oppimismenetelmänä. Lisäksi tavoitteena oli lisätä ymmärrystä opiskelijoiden orientoitumisesta uuden toimintakokonaisuuden luomisessa sekä tutkia opiskelijoiden luomien mallien rakenteellista laatua ja opiskelijoiden sekä koulun ulkopuolisen rahoituspäällikön käsityksiä oppimismenetelmästä. Tutkimusaineisto sisälsi pankinjohtajan haastattelun ja opiskelijoiden tuottamat aineistot opiskelukokonaisuudessa sekä opiskelukokonaisuudesta valmistuneille opiskelijoille suoritettu kysely. Tutkimusmetodologiana käytettiin tapaustutkimusta. Tutkimustulokset osoittavat, että partneriperustainen harjoitusyritys soveltuu hyvin yrittäjyyskoulutukseen. Opiskelijat rakensivat ja konstruoivat opiskelukokonaisuudessa yhdessä oppimisverkon kanssa uuden toimintakokonaisuuden koulun ulkopuolella toimivan partneriyrityksen toimialalle, jossa he toimivat kuten oikeassa yrityksessä. Oppimisessa toteutui työnjaollinen aktiivinen tiedonhankinta kohdetoiminnasta ja muuttuvasta toimintaympäristöstä, yrityksen olemassaolon perustan tutkiminen, tietoja yhdistävä projektimainen työskentely opiskelijaryhmissä ja oppimisen verkossa, jossa koulun ulkopuolisilla edustajilla oli tärkeä pedagoginen rooli. Orientoitumisessa keskeisellä sijalla oli oppimisen kohteen tutkiva mallintaminen, liiketoimintaidean ja liiketoiminnan suunnitelmien kehittäminen ja arviointi. Toimintakokonaisuuden rakentaminen oli työnjaollista kohdeorientoitunutta toimintaa ja toiminta oli uudelleenorientoitumista mm. mallien ja liiketoimintasuunnitelmien yksilöllisen ja yhteistoiminnallisen kehittämisen ja arvioinnin kautta. Liiketoimintasuunnitelmien laatua arvioi yritysrahoituksen parissa toimiva pankinjohtaja, joka piti opiskelijoiden laatimia aineistoja korkeatasoisina. Opiskelijoiden käsityksissä oppimismenetelmän vahvuuksina painottuivat ryhmätyön oppiminen, itsenäinen ja oma-aloitteinen oppiminen, käytännön työelämän oppiminen, laadukkaampi ja parempi oppiminen, yritystoiminnan kokonaisuuden oppiminen ja oppimisverkon hyödyntäminen. Rakennettavan toiminnan mallintamisella oli myönteinen vaikutus yritystoiminnan kokonaisvaltaiseen oppimiseen. Mallien rakenteellinen laatu kohdistui algoritmisiin ja systeemisiin malleihin. Koulun ulkopuolisen todellisuuden kytkeminen oppimistoimintaan työelämäyhteyksien avulla vahvisti opiskelijoiden mukaan oppimisen todellisuuskytkentää.

En plus des photorécepteurs canoniques traditionnels (bâtonnets etcônes), des cellules ganglionnaires contenant le photopigment mélanopsineont récemment été découverts. Une étude récente de notrelaboratoire a suggéré que, dans la rétine humaine, ce nouveau photopigmentexprime des propriétés bistables similaires à celles notéeschez les invertébrés tant in vitro qu’in vivo. Dans les systèmes dephotopigments bistables, la lumière déclenche une réponse photosensoriellemais permet aussi la régénération du chromophore pourrétablir la réactivité lumineuse du photopigment. Cette dernière étudea montré qu’une exposition lumineuse antérieure peut moduler l’amplitudedes réponses lumineuses de la mélanopsine.L’objectif de ma thèse est d’étudier (1) la bistabilité présumée de lamélanopsine chez l’Homme en utilisant comme outil le réflexe photomoteurpupillaire. Ma thèse comporte aussi 2) le développementd’une technique d’évaluation quantitative des effets du brunissementdu cristallin oculaire sur la photoréception impliquant la mélanopsine;3) le développement d’un modèle mathématique portant sur lefonctionnement des photopigments bistables et du système photiquenon visuel.L’exploitation des propriétés bistables de la mélanopsine et l’utilisationappropriée des effets photorégénérateurs des longueurs d’ondeslumineuses longues pourraient servir dans l’optimisation de la compositionspectrale des applications photothérapeutiques (expérimentales,industrielles, domestiques et cliniques). / In addition to the canonical photoreceptors, rods and cones, a novelmelanopsin-expressing retinal ganglion cell (mRGC) was recently discovered.The novel photopigment melanopsin in the human retinahas been shown to express invertebrate-like bistable properties bothin vitro and in vivo. In bistable photopigment systems, light elicitsphotosensory responses and drives photoregeneration of the chromophoreto restore photic responsiveness. These studies have shownthat prior light exposure can modulate the amplitude of subsequentphotic responses of melanopsin.In this thesis, the putative bistability of melanopin in humans isexamined. The bistability was studied using 1) pupillary light reflex(PLR) as a tool, 2) developing a method for quantifying the effectsof lens density for melanopsin-mediated photoreception, and 3) providinga quantitative mathematical framework for modeling bistablepigment systems and non-image forming (NIF) visual system.Exploiting the bistable properties of melanopsin could allow foroptimization of spectral light distribution in experimental, industrial,domestic and clinical phototherapy applications by appropriate useof the photoregenerative effects of long wavelength light. / Perinteisten fotoreseptorien, sauvasolujen ja tappisolujen, lisäksi verkkokalvoltaon löydetty melanopsiinia sisältäviä gangliosoluja. Fotopigmenttimelanopsiinin on huomattu käyttäytyvän ihmisen verkkokalvollaselkärangattomien eläimien bistabiilin näköjärjestelmän tavoinsekä in vivo- ja in vitro- olosuhteissa. Bistabiileissa fotopigmenttijärjestelmissävalo aiheuttaa sensoristen vasteiden lisäksi kromoforin fogeneraationvastevalmiisen tilaan. Nämä aiemmat tutki-mukset ovatosoittaneet, että aiempi valoaltistus voi moduloida siitä seuraaviamelanopsiinivasteita.Tässä väitöskirjassa melanopsiinin oletettua bistabiiliutta tutkittiinkäyttäen 1) Pupillireaktiota työkaluna, 2) kehittämällä kvantitaviinenmenetelmä mykiöntiheyden vaikutuksiin melanopsiini-fotoreseptiossa,ja 3) kehittäen kvantitatiivisen matemaattisen kehyksen bistabiilien pigmenttijärjestelmien ja ei-visuaalisen näköjärjestelmän mallintamiseen.Melanopsiinin bistabiileita ominaisuuksia on mahdollista optimoidavalon spektrikoostumusta niin tieteellisissä, teollisissa, kotitalouksellisissaja kliinisissä valoterapia sovelluksissa hyväksikäyttämälläpunaisen aallonpituusalueen fotoregeneroivia vaikutuksia.

Abstract The amount of information available has increased due to the development of our modern digital society. This has caused an information overflow, meaning that there is lot of data available but the meaningful information or knowledge is hidden inside the overwhelming data smog. Nevertheless, the large amount of data together with the increased capabilities of computers provides a great opportunity to learn the behaviour of different kinds of phenomena at a more detailed level. The quality of life, well-being and a healthy living environment, for example, are fields where new information services can assist the creation of proactive decisions to avoid environmental problems caused by industrial activity, traffic, or extraordinary weather conditions. The combination of data coming from different sources such as public registers, companies’ operational information systems, online sensors and process monitoring systems provides a fruitful basis for creating new valuable information for citizens, decision makers or other end users. The aim of this thesis is to present the concept of intelligent information services and a methodological background in order to add intelligence using computational methods for the enrichment of multidimensional data. Moreover, novel examples are presented where new significant information is created and then provided for end users. The data refining process used is called data mining and contains methods for data collection, pre-processing, modelling, visualizing and interpreting the results and sharing the new information thus created. Information systems are a base for the creation of information services, meaning that stakeholder groups have access only to information but they do not own the whole information system that contains measurement systems, data collecting, and a technological platform. Intelligence in information services comes from the use of computational intelligent methods in data processing, modelling and visualization. In this thesis the general concept of such services is presented and concretized using five cases that focus on environmental and industrial examples. The results of these case studies show that the combination of different data sources provides fertile ground for developing new information services. The data mining methods used such as clustering and predictive modelling together with effective pre-processing methods have great potential to handle the large amount of multivariate data in this environmental context also. A self-organizing map combined with k-means clustering is useful for creating more detailed information about personal energy use. Predictive modelling using a multilayer perceptron (MLP) is well suited for estimating the number of tourists visiting a leisure centre and to find the correspondence between pulp process characteristics and the chemicals used. These results have many indirect effects on reducing negative concerns regarding our surroundings and maintaining a healthy living environment. The innovative use of stored data is one of the main elements in the creation of future information services. Thus, more emphasis should be placed on the development of data integration and effective data processing methods. Furthermore, it is noted that final end users, such as citizens or decision makers, should be involved in the data refining process at the very first stage. In this way, the approach is truly customer-oriented and the results fulfil the concrete need of specific end users. / Tiivistelmä Informaation määrä on kasvanut merkittävästi tietoyhteiskunnan kehittymisen myötä. Käytössämme onkin huomattava määrä erimuotoista tietoa, josta voimme hyödyntää kuitenkin vain osan. Jatkuvasti mitattavan datan suuri määrä ja sijoittuminen hajalleen asettavat osaltaan haasteita tiedon hyödyntämiselle. Tietoyhteiskunnassa hyvinvointi ja terveellisen elinympäristön säilyminen koetaan aiempaa tärkeämmäksi. Toisaalta yritysten toiminnan tehostaminen ja kestävän kehityksen edistäminen vaativat jatkuvaa parantamista. Informaatioteknologian avulla moniulotteista mittaus- ja rekisteritietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi ennakoivaan päätöksentekoon jolla voidaan edistää edellä mainittuja tavoitteita. Tässä työssä on esitetty ympäristöalan älykkäiden informaatiopalveluiden konsepti, jossa oleellista on loppukäyttäjien tarpeiden tunnistaminen ja ongelmien ratkaiseminen jalostetun informaation avulla. Älykkäiden informaatiopalvelujen taustalla on yhtenäinen tiedonlouhintaan perustuva tiedonjalostusprosessi, jossa raakatieto jalostetaan loppukäyttäjille soveltuvaan muotoon. Tiedonjalostusprosessi koostuu datan keräämisestä ja esikäsittelystä, mallintamisesta, tiedon visualisoinnista, tulosten tulkitsemisesta sekä oleellisen tiedon jakamisesta loppukäyttäjäryhmille. Datan käsittelyyn ja analysointiin on käytetty laskennallisesti älykkäitä menetelmiä, josta juontuu työn otsikko; älykkäät informaatiopalvelut. Väitöskirja pohjautuu viiteen artikkeliin, joissa osoitetaan tiedonjalostusprosessin toimivuus erilaisissa tapauksissa ja esitetään esimerkkejä kuhunkin prosessin vaiheeseen soveltuvista laskennallisista menetelmistä. Artikkeleissa on kuvattu matkailualueen kävijämäärien ennakointiin ja kotitalouksien sähköenergian kulutuksen pienentämiseen liittyvät informaatiopalvelut sekä analyysi selluprosessissa käytettävien kemikaalien määrän pienentämiseksi. Näistä saadut kokemukset ja tulokset on yleistetty älykkään informaatiopalvelun konseptiksi. Väitöskirjan toisena tavoitteena on rohkaista organisaatioita hyödyntämään tietovarantoja aiempaa tehokkaammin ja monipuolisemmin sekä rohkaista tarkastelemaan myös oman organisaation ulkopuolelta saatavien tietolähteiden käyttämistä. Toisaalta, uudenlaisten informaatiopalvelujen ja liiketoimintojen kehittämistä tukisi julkisilla varoilla kerättyjen, ja osin yritysten hallussa olevien, tietovarantojen julkaiseminen avoimiksi.

Abstract In the present research of engineering studies in the Department of Process and Environmental Engineering in the University of Oulu the graduation processes of eight various groups of students were documented and analyzed. For the validation of the data triangulation method was availed of. The accumulation of study attainments was calculated and, using the measured data, the graduation time models were created. A new method of modeling a non-linear study process by using a Matlab step response model was developed. The model is exact in the essential area of operation and can be used in any educational organization which considers following the process of graduation important. In this research study attainments were examined and explained with the help of self-regulation test analyses. The test used in this research is based on a shortened version of Guglielmino’s Self Directed Learning Readiness test. It measures the student’s capability for autonomous learning. A connection between good success in studies and observed self-directive learning was noticed as early as during the second academic year. The engineering study attainments were also compared to the study success in the upper secondary school. The results show that the students with satisfactory learning results in the upper secondary school did better than expected in their university studies. Instead, the students with better success in the upper secondary school than the group mentioned underachieved in their university studies. The students whose success was better than average during the first academic year were also better during the following years. Examining the study attainments of the eight elementary courses during the three years of studies showed that about 46 per cent of students passed the elementary courses in proper time. One year after the elementary courses had been given, 73 per cent of the students had passed them. / Tiivistelmä Tekniikan ylioppilaiden opiskelututkimuksessa käytettiin tutkimusmenetelmänä triangulaatiota. Työssä analysoitiin kahdeksan eri vuosikurssin opintosuoritusten perusteella Oulun yliopiston Prosessi- ja ympäristötekniikan osaston opiskelijoiden valmistumisprosessia. Opintosuoritusten avulla laskettiin eri vuosikurssien opintoviiveet ja saatujen mittaustietojen avulla tehtiin valmistumisaikamallit. Tutkimuksessa löydettiin uusi tapa mallintaa epälineaarista opiskeluprosessia askelvastemallilla. Menetelmän avulla saatu suoriutumismalli on todellisiin mittaustuloksiin verrattuna luotettava keskeisellä toiminta-alueella kolmesta seitsemään vuotta, kun tavoitteena on, että aloittaneista valmistuu 50 % kuudessa vuodessa. Työssä tutkittiin opintomenestystä itseohjautuvuusvalmiutta selvittävien testistöjen avulla. Tutkimuksessa käytetty testi perustuu Koron (1993) laatimaan versioon. Se on lyhennetty Guglielminon (1977) luomasta testistä Self Directed Learning Readiness, joka mittaa opiskelijan valmiutta itseohjattuun opiskeluun. Tutkimuksessa käytetyssä SDLR-testissä yhteen laskettujen pisteiden vaihteluväli on 37–185. Työssä käytetyn itseohjautuvuusanalyysin avulla testattiin opiskelijoiden valmiutta itsenäiseen ja pitkäjänteiseen opiskeluun opinto-ohjelman mukaisesti. Löydettiin yhteys keskimääräistä paremman opiskelumenestyksen ja keskimääräistä kehittyneemmän itseohjautuvuusvalmiuden välillä. Opiskelua tutkittiin lukiomenestyksen perusteella. Voitiin havaita, että tyydyttävästi lukiossa menestyneet pärjäsivät odotettua paremmin yliopisto-opinnoissaan. Sen sijaan lukiossa hyvin menestyneet alisuoriutuivat odotettua useammin opinnoissaan. Ensimmäisenä opiskeluvuonna keskimääräistä paremmin menestyneet opiskelijat selvisivät jatkossakin paremmin. Tämän havainnon perusteella voidaan väittää, että ensimmäisen vuoden opintomenestyksellä on selvä yhteys tulevien vuosien opintomenestykseen: huono opintomenestys ensimmäisenä vuotena johti sekä vuonna 2005 että 2004 aloittaneiden opiskelijoiden ryhmissä keskimäärin noin 26 % alempaan opintoviikkokertymään kolmen vuoden aikana verrattuna hyvin opiskelussa ensimmäisenä vuonna menestyneisiin ryhmiin. Opintosuorituksia tutkittiin kolmen ensimmäisen opiskeluvuoden aikana olleiden kahdeksan peruskurssin osalta. Havaittiin, että keskimäärin 46 % opiskelijoista suoritti peruskurssit ajallaan. Vuoden kuluttua peruskurssien päättymisestä keskimäärin 73 % opiskelijoista oli suorittanut ne.

Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion. / Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden lämpötila- ja faasimuutoskäyttäytymistä sekä estimoidaan mallin reunaehtoja. Näin luotu inversio-ongelma on kuitenkin matemaattisesti tarkasteltuna ns. huonosti asetettu ongelma, ja sen ratkaisemiseksi käytetään iteratiiviseen säännöllistämiseen perustuvaa menetelmää. Väitöstyön inversioanalyysiä havainnollistetaan pilot-mittakaavan kokeiden avulla, joissa hilsepesuria käyttäen koekappaleen jäähtymisnopeus saadaan erittäin korkeaksi. Tulokset nostavat esille inversio-analyysiin liittyviä ongelmia ja rajoitteita nopeaan jäähtymiseen sekä lämpötilamittauksiin liittyen.

Abstract This thesis describes the development of a new precipitation index-based conceptual water balance model with parameters easily regionalized through the functional relationship with catchment and climate attributes. It also presents a simple method for improving model dynamics for streamflow simulations in a non-stationary climate. The model was developed for streamflow modelling and prediction in high-latitude catchments, where model parameter regionalization is difficult due to limited availability of hydrological data for the region. The model couples a snow accumulation and melt formulation with a current precipitation index (CPI) formulation to simulate daily precipitation in runoff hydrograph pattern from catchments with seasonal snow cover. Using new runoff conversion factors CT and Lf, and a threshold flow factor ThQ, the simulated CPI hydrograph is converted into daily runoff and routed using the transformation function Maxbas. The model was developed in Microsoft Excel workbook and tested in 32 catchments in Finland, a region with considerable seasonal snow cover. The results showed that the model can adequately simulate and reproduce the dynamics of daily runoff from catchments where the underlying physical conditions are not known. In addition, incorporating temperature conditions influencing inter-annual variability in streamflow into the model structure improved its structural dynamics, thereby improving its performance in a non-stationary climate. Most model parameters showed strong relationships with observable catchment characteristics, climate characteristics, or both. The parameter functional relationships derived from the model parameter-catchment relationships produced equally good model results when applied to independent test catchments used as mock-ungauged catchments. Inclusion of snow-water equivalent records and use of multiple objective functions for snow-water equivalent and runoff simulations during model optimization helped reduce the effect of parameter equifinality, making it easier to determine optimal parameter values. The current precipitation index (CPIsnow) model is a parsimonious tool for predicting streamflow in data-limited high-latitude regions. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee yksinkertaisen sadantaan perustuvan konseptuaalisen vesitasemallin kehitystä ja soveltamista boreaalisille valuma-alueille sekä malliin liittyvää alueellista parametrisointia valuma-alueominaisuuksien ja ilmastoaineiston perusteella. Hydrologinen malli on luotu laskemaan ja ennustamaan valuntaa pohjoisille valuma-alueille, joilta on vähän hydrologista tietoa. Malli yhdistää lumen kertymisen ja sulannan tunnettuun sadantaindeksiin perustuvaan malliin (CPI) ja edelleen simuloi päivittäisen hydrografin valuma-alueille, joilla on selkeä lumipeitteinen ajanjakso. Malli laskee MaxBas funktion avulla CPI:llä muodostetun hydrografin päivittäiseksi valunnaksi valuntaan liittyvien malliparametrien CT ja Lf sekä virtaaman kynnysarvon ThQ avulla. Malli kehitettiin Excel-ympäristössä ja sitä testattiin 32 valuma-alueella Suomessa. Valuma-alueet edustivat maantieteellisesti kattavasti alueita, joilla esiintyy tyypillisesti kausittainen lumipeite. Saadut tulokset osoittivat, että kehitetty malli simuloi ja tuottaa päivittäisen valunnan riittävällä tarkkuudella valuma-alueille, vaikka hydrologista ja fysikaalista tietoa alueilta olisi niukasti. Useimmat malliparametrit olivat vahvasti riippuvaisia joko valuma-alue ominaisuuksista tai ilmastollisista parametreista tai molemmista. Parametrien funktionaalinen yhteys muodostettiin valuma-alueiden ominaisuuksien perusteella ja testattiin riippumattomalla valuma-aluejoukolla hyvin tuloksin. Malliparametrien samatavoitteellisuutta eli ekvifinaliteettiä voitiin vähentää huomioimalla mallissa lumen vesiarvomittaukset sekä hyödyntämällä useita parametrisia funktioita. Tällöin myös optimaalisten parametrien löytyminen nopeutui ja helpottui. Tämän väitöstyön pohjalta syntynyt uusi sadannan indeksiin pohjautuva laskentamalli (CPIsnow) mahdollistaa valunnan arvioinnin pieniltä valuma-alueilta, joilta on niukasti aineistoa saatavilla ja joissa lumen sulanta ja kertyminen ovat keskeisiä hydrologisia prosesseja.

Abstract Radio communication is used in increasingly diversified device typologies. Telecommunications with a reduced detrimental impact on health and environment, and an improved cost-efficiency and working lifetime are expected by institutions, end-users, operators and manufacturers. Moreover, with more networks present or more articulated systems, dependability of the entirety is to be ensured. The related need of efficiency in various compartments – such as in the use energy or the radio spectrum – and of effectiveness in adapting to changing operating conditions can be achieved with cognitive features. This dissertation addresses network reconfiguration and dependability by cognitive measures from multiple perspectives – each covered by a respective part of this work – providing guidelines for cognitive networks design. A rationalising view on cognitive networks with related taxonomies and models includes a discussion on the dynamics and interactions in networks operating closely and simultaneously (here, concurrent networks). While cognitive domains are specified for cognitive functions, with a more generic scope control functions are assigned to topological domains. This allows a flexible exploitation of the system design by decoupling the specification of system functions from their mapping onto network devices that will host them. As interaction plays an important role in many topical scenarios, a model for networked engineered cognitive entities comprising four categories (observation, interworking, consolidation, operation) and two levels (a cognitive frontier and a metacognitive hub) is presented here. Its cognitive phases are considered with regard to the other architectural elements. Moving the focus down to the levers for exploitation of context awareness, are presented solutions for efficient use of resources and dependability in general, considering the network dynamics. For communication link and network adaptation, the effective capacity is captured by a compact-form expression also considering imperfections, while learning is exploited for reducing overhead, and collaboration for fairly maximising energy save. / Tiivistelmä Käyttäjät, operaattorit ja laitevalmistajat toivovat tulevilta tietoliikennejärjestelmiltä sekä aiempaa pienempiä haitallisia vaikutuksia terveyteen ja ympäristöön että parannettua kustannustehokkuutta ja toiminta-aikaa. Lisäksi olisi varmistettava useiden verkkojen ja niiden muodostamien monimutkaisten järjestelmien kokonaisuuden luotettava toiminta. Tarvittava tehokkuus energian ja radioresurssien käytössä, samoin kuin kyky sopeutua muuttuviin käyttötilanteisiin, voidaan saavuttaa kognitiivisilla radioteknikoilla. Tämä väitöskirja käsittelee kognitiivisten menetelmien tuomaa radioverkkojen mukauttamista ja luotettavuutta eri näkökulmista. Samalla esitetään kognitiivisten verkkojen suunnittelun periaatteita ja lähtökohtia. Väitöskirja sisältää katsauksen kognitiivisiin radioverkkoihin niihin liittyvine luokitteluineen ja malleineen, sekä tarkastelee samanaikaisesti ja läheisesti toimivien verkkojen (rinnakkaisten verkkojen) dynamiikkaa ja vuorovaikutuksia. Työssä määritetään kognitiiviset lohkot kognitiivisine toimintoineen, kun taas topologiset tasot hallintatoimintoineen määritetään yleisemmin. Tämä mahdollistaa järjestelmäsuunnittelun joustavan hyödyntämisen erottamalla järjestelmän toimintojen määrittelyn toteuttavista verkkolaitteista. Koska vuorovaikutus on merkittävä tekijä useissa sovellusskenaarioissa, verkottuneille keinotekoisille kognitiivisille yksiköille ehdotetaan tässä neljä luokkaa (havainnointi, yhteistoiminta, vakauttaminen, toiminta) sekä kaksi vyöhykettä (kognitiivinen raja-alue ja metakognitiivinen keskus) sisältävää mallia. Mallin kognitiiviset vaiheet käsitellään suhteessa muihin arkkitehtuurin elementteihin. Järjestelmän kontekstitietoisuuden hyväksikäyttöön liittyen esitetään ratkaisuja resurssien tehokkaaseen käyttöön ja yleisemmin luotettavuuteen ottaen huomioon verkkojen dynamiikkaa. Yhteyksien ja verkkojen mukauttamisesta esitetään analyyttinen ratkaisu saavutettavan tehollisen kapasiteetin määrittämiseksi, huomioiden mahdolliset epäideaalisuudet. Kognitiivista oppimista hyödynnetään hallintalikenteen vähentämiseksi ja yhteistyötä energiansäästön maksimoimiseksi verkon alueella tasapuolisesti.

Abstract Global warming has set in motion a trend for cutting energy costs to reduce the carbon footprint. Reducing energy consumption, cutting greenhouse gas emissions and eliminating energy wastage are among the main goals of the European Union (EU). The buildings sector is the largest user of energy and CO2 emitter in the EU, estimated at approximately 40% of the total consumption. According to the International Panel on Climate Change, 30% of the energy used in buildings could be reduced with net economic benefits by 2030. At the same time, indoor air quality is recognized more and more as a distinct health hazard. Because of these two factors, energy efficiency and healthy housing have become active topics in international research. The main aims of this thesis were to study and develop a wireless building monitoring and control system that will produce valuable information and services for end-users using computational methods. In addition, the technology developed in this thesis relies heavily on building automation systems (BAS) and some parts of the concept termed the “Internet of Things” (IoT). The data refining process used is called knowledge discovery from data (KDD) and contains methods for data acquisition, pre-processing, modeling, visualization and interpreting the results and then sharing the new information with the end-users. In this thesis, four examples of data analysis and knowledge deployment are presented. The results of the case studies show that innovative use of computational methods provides a good basis for researching and developing new information services. In addition, the data mining methods used, such as regression and clustering completed with efficient data pre-processing methods, have a great potential to process a large amount of multivariate data effectively. The innovative and effective use of digital information is a key element in the creation of new information services. The service business in the building sector is significant, but plenty of new possibilities await capable and advanced companies or organizations. In addition, end-users, such as building maintenance personnel and residents, should be taken into account in the early stage of the data refining process. Furthermore, more advantages can be gained by courageous co-operation between companies and organizations, by utilizing computational methods for data processing to produce valuable information and by using the latest technologies in the research and development of new innovations. / Tiivistelmä Rakennus- ja kiinteistösektori on suurin fossiilisilla polttoaineilla tuotetun energian käyttäjä. Noin 40 prosenttia kaikesta energiankulutuksesta liittyy rakennuksiin, rakentamiseen, rakennusmateriaaleihin ja rakennuksien ylläpitoon. Ilmastonmuutoksen ehkäisyssä rakennusten energiankäytön vähentämisellä on suuri merkitys ja rakennuksissa energiansäästöpotentiaali on suurin. Tämän seurauksena yhä tiiviimpi ja energiatehokkaampi rakentaminen asettaa haasteita hyvän sisäilman laadun turvaamiselle. Näistä seikoista johtuen sisäilman laadun tutkiminen ja jatkuvatoiminen mittaaminen on tärkeää. Väitöskirjan päätavoitteena on kuvata kehitetty energiankulutuksen ja sisäilman laadun monitorointijärjestelmä. Järjestelmän tuottamaa mittaustietoa on jalostettu eri loppukäyttäjiä palvelevaan muotoon. Tiedonjalostusprosessi koostuu tiedon keräämisestä, esikäsittelystä, tiedonlouhinnasta, visualisoinnista, tulosten tulkitsemisesta ja oleellisen tiedon välittämisestä loppukäyttäjille. Aineiston analysointiin on käytetty tiedonlouhintamenetelmiä, kuten esimerkiksi klusterointia ja ennustavaa mallintamista. Väitöskirjan toisena tavoitteena on tuoda esille jatkuvatoimiseen mittaamiseen liittyviä haasteita sekä rohkaista yrityksiä ja organisaatioita käyttämään tietovarantoja monipuolisemmin ja tehokkaammin. Väitöskirja pohjautuu viiteen julkaisuun, joissa kuvataan kehitetty monitorointijärjestelmä, osoitetaan tiedonjalostusprosessin toimivuus erilaisissa tapauksissa ja esitetään esimerkkejä kuhunkin prosessivaiheeseen soveltuvista laskennallisista menetelmistä. Julkaisuissa on kuvattu energiankulutuksen ja sisäilman laadun informaatiopalvelu sekä sisäilman laatuun liittyviä data-analyysejä omakoti- ja kerrostaloissa sekä koulurakennuksissa. Innovatiivinen digitaalisen tiedon hyödyntäminen on avainasemassa kehitettäessä uusia informaatiopalveluita. Kiinteistöalalle on kehitetty lukuisia informaatioon pohjautuvia palveluita, mutta ala tarjoaa edelleen hyviä liiketoimintamahdollisuuksia kyvykkäille ja kehittyneille yrityksille sekä organisaatioille.

Abstract Eutrophication and global warming are increasingly causing deterioration of aquatic ecosystems, and boreal freshwaters are especially vulnerable to these changes. Anthropogenic pressures and landscape characteristics influencing the functioning and structure of ecosystems vary with spatial scale (grain size i.e. study unit and extent i.e. study area). This emphasises that the understanding of spatial scale is a vital element when studying species distribution patterns. Moreover, spatial scale is often neglected in ecological assessments, in which the degree of ecological integrity of an ecosystem is assessed using selected biological groups. One of these groups is aquatic macrophytes. The aims of this thesis were (i) to study the distribution and richness of aquatic macrophytes in the boreal region in Finland at multiple scales and (ii) to evaluate the performance of ecological assessment metrics selected for Finnish lake macrophytes. The spatial extent at which aquatic macrophytes were studied had an important influence on the patterns found. Climatic factors associated with latitudinal and altitudinal gradient determined macrophytes at broad extent, although the patterns changed at finer regional extent. Moreover, this strong effect of climate could lead to the widening of distribution ranges of helophytes in boreal catchments during the 21st century due to the climate change. Many of these species have already widened their range limits during the previous century and increasing temperatures may create new niches for vegetation to colonize. Lake macrophyte richness, turnover and quality metrics showed a clear relationship with nutrient concentration in waters at landscape and regional extent. Helophytes and metrics were positively or inversely negatively related to nutrients, whereas species turnover and other life-form groups had a unimodal or non-significant response to nutrient availability. In addition, land use (agricultural and urban areas and forestry ditch drainage) influenced macrophytes directly through shore morphology changes and indirectly through water quality. Macrophytes were also explained at various scales by area and depth, which were related to habitat heterogeneity, and aquatic plants responded to water ionic and electrical characteristics (pH, alkalinity and conductivity). Ecological quality metrics of macrophytes appeared to be scale dependent, since land use adjacent to the lake shoreline had a higher influence on the metrics compared to land use of the whole catchment. However, the scale-related pattern in the effect of land use was not congruent between metrics, as the Trophic Index showed poorer performance compared to the proportion of type-specific species and Percent Model Affinity. This was presumably due to lack of helophytes in the species pool used and to reference values which were defined across lake types in the Trophic Index. Uneven performance of the metrics derived from different biological groups suggests that an approach integrating multiple lines of evidence on ecological status appears most feasible for assessment of the overall lake status. / Tiivistelmä Vesistöjen rehevöityminen ja ilmastonmuutos heikentävät vesiekosysteemien laatua, ja boreaaliset sisävedet ovat erityisen alttiita näiden uhkatekijöiden aiheuttamille muutoksille. Ihmistoiminnan aiheuttamien muutoksien ja luontaisten maisematekijöiden merkitys vesiekosysteemien toimintaan ja rakenteeseen vaihtelee mittakaavan (tutkimusyksikön ja -alueen) mukaan. Kuitenkin spatiaalisen mittakaavan merkitys on usein unohdettu ekologisissa arvioinneissa, joissa selvitetään ekosysteemin luonnontilaisuutta eri biologisilla lajiryhmillä. Vesikasvit ovat yksi usein käytetty biologinen ryhmä järvien ekologissa arvioinneissa. Tämän tutkimuksen tarkoitus on (i) tutkia vesikasvien levinneisyyttä ja runsautta Suomessa useissa mittakaavoissa, ja (ii) arvioida ekologisten luokittelumuuttujien toimivuutta järvien vesikasveilla eri mittakaavoissa. Mittakaava, jossa vesikasveja tutkittiin, vaikutti merkittävästi saatuihin tuloksiin. Leveysasteeseen ja korkeuteen liittyvä gradientti määritti vesikasvien levinneisyyttä alueellisessa mittakaavassa. Lisäksi ilmaston voimakas vaikutus vesikasveihin voi johtaa niiden levinneisyysrajojen laajenemiseen, koska ilmastonmuutos saattaa luoda edullisemmat kasvuolosuhteet kasvillisuudelle tällä vuosisadalla. Monet vesikasvilajit ovat jo levinneet pohjoisemmaksi 1900-luvulla, ja lämpötilojen nousu voi lisätä ekolokeroita vesikasvien levittäytymiselle. Vesikasvien runsaus, lajimäärä ja luokittelumuuttujat olivat selkeästi yhteydessä vesien ravinteisuuteen maisemallisessa ja alueellisessa mittakaavassa. Ilmaversoisilla vesikasveilla ja luokittelumuuttujilla oli positiivinen tai käänteisesti negatiivinen suhde ravinteisiin, kun taas lajimäärä ja muut vesikasvien kasvumuodot olivat unimodaalisessa tai merkityksettömässä yhteydessä ravinteisuuteen. Lisäksi maankäyttö, erityisesti maatalous, kaupunkiasutus ja metsäojitus, vaikutti vesikasveihin suoraan rantavyöhykkeen morfologisin muutoksin tai epäsuorasti ravinteisuuden kautta. Vesikasvien levinneisyyttä ja runsautta selitti myös pinta-ala ja syvyys, jotka liittyivät elinympäristön heterogeenisyyteen, sekä veden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, kuten pH, alkaliniteetti ja sähkönjohtokyky. Ekologiset luokittelumuuttujat olivat riippuvaisia mittakaavasta, koska rantavyöhykkeen läheisellä maankäytöllä oli suurempi merkitys muuttujille kuin koko valuma-alueen maankäytöllä. Kuitenkin mittakaavan merkitys vaihteli eri muuttujien välillä, kun referenssi-indeksi osoitti heikompaa vastetta maankäyttöön eri mittakaavoissa kuin tyyppilajien suhteellinen osuus ja prosenttinen mallin samankaltaisuus. Tämä luultavasti johtui siitä, että referenssi-indeksissä ilmaversoiset vesikasvit puuttuivat tutkittavista lajeista ja referenssiarvot olivat yhteiset riippumatta järvityypistä. Eri biologisiin ryhmiin perustuva luokittelujärjestelmä ilmensi hyvin vaihtelevasti ekologista laatua, minkä vuoksi eri muuttujia yhdistävä menetelmä, joka arvioi vesimuodostuman kokonaistilaa, on toteuttamiskelpoisin lähestymistapa boreaalisissa järvissä.