Abstract User involvement in information systems design has recently gained interest in the media. Numerous systems have been digitalized during product development to help people’s everyday lives. But are information systems designed to meet users’ needs or support users’ goals? The goal of this research was to understand how user involvement is perceived in information systems design and how users are involved. Is the basis of user involvement what a user Says or what a user Does, or is a user actively participating in the whole design process? The informants of the present study entailed different design projects that were investigated with a qualitative method by interviewing 20 designers of selected design cases. At first an a priori model of user involvement in information systems design was created based on an analysis of extant literature. The model was used in the analysis of information systems design cases. Based on the empirical data a revised, a posteriori model, UICD model was developed. The UICD model provides on overall picture of user involvement in information systems design. UICD model can aid designers to understand user involvement comprehesively: what users Say, what users Do and what users Make in design process. Compared to the a priori model, UICD model includes the impact of other key stakeholders in information systems design process. / Tiivistelmä Käyttäjien osallistuttaminen tietojärjestelmien suunnitteluun on herättänyt julkista keskustelua. Monia yhteiskunnallisia ja yksityisiä palveluja on digitalisoitu sekä tuotteiden yhteyteen on suunniteltu järjestelmiä helpottamaan asiakkaiden toimintaa. Mutta ovatko suunnittelut ratkaisut käyttäjän tavoitteiden mukaisia ja vastaavatko ne käyttäjien tarpeisiin? Tämän tutkimuksen tavoitteena oli ymmärtää kuinka käyttäjien osallistuttaminen käsitetään informaatiojärjestelmien suunnittelussa ja miten käyttäjiä on osallistettu. Perustuuko käyttäjien osallistuttaminen tietoon siitä mitä hän sanoo tai mitä hän tekee vai osallistuuko hän koko suunnitteluprosessin ajan tulevan ratkaisun kehittämiseen? Tutkimuksen kohteina oli 20 erilaista projektia, joihin syvennyttiin laadullisella tutkimuksella haastattelemalla projekteissa toimineita suunnittelijoita. Tässä tutkimuksessa laadittiin ensin kirjallisuuskatsaukseen pohjalta malli käyttäjien osallistuttamisesta informaatiojärjestelmien suunnittelutyöhön. Mallia käytettiin empiirisesti kerätyn tiedon analyysin pohjana. Tämän jälkeen mallia muokattiin siten, että se selittää tutkimuksen havainnot. Näin saatu UICD malli luo kokonaiskuvan käyttäjälähtöisyyden ulottuvuuksista informaatiojärjestelmien suunnittelutyössä. UICD malli auttaa suunnittelijoita ymmärtämään käyttäjien osallistuttamisen kokonaisvaltaisesti: mitä käyttäjät sanovat, mitä käyttäjät tekevät ja miten käyttäjät osallistuvat informaatiojärjestelmien suunnitteluun. UICD malli laajentaa aiemman tutkimuksen näkemystä muun muassa keskeisten sidosryhmien vaikutuksesta informaatiojärjestelmien suunnitteluun.

Abstract Application composition refers to the creation of applications by using Web Services and resources such as mobile devices, displays, and various augmented everyday objects as building blocks. This approach is especially useful for ubiquitous applications which focus on supporting users' needs and everyday activities. This thesis proposes to compose these applications by choosing the appropriate set of resources and services and their configuration as dictated by the users themselves, together with their needs and other contexts. This thesis studies automated and interactive application composition. The first approach enables the system to act upon users' needs and intentions, while the second enables users themselves to specify their needs and achieve their goals. The research was carried out by designing, implementing and evaluating eight prototypes for automated and interactive application composition. The evaluation methods used included performance analysis and user experiments. The main results include (1) the design and implementation of automated composition mechanisms which rely on evolutionary computing and genetic algorithms, (2) a detailed performance analysis of these mechanisms using synthesized datasets and in a real networking environment; (3) the design and implementation of interactive application composition prototypes which rely on graphical and physical (i.e. touch-based) user interfaces for mobile devices and utilize various contexts; (4) an evaluation of these prototypes in a series of user experiments. The evaluation studied the following issues: users' attitudes towards an automated composition system which makes decisions on their behalf; users' attitudes towards a context-aware composition interface; and the issue of balancing user control and system autonomy. / Tiivistelmä Sovellusten kokoamisella tarkoitetaan sovellusten luomista käyttäen rakennuselementteinä Web Services -ohjelmistojärjestelmää, sekä muita resursseja, kuten mobiililaitteita, näyttölaitteita ja monenlaisia lisävarusteltuja tavanomaisia esineitä. Tämä menetelmä on erityisen käyttökelpoinen sellaisten jokapaikan tietoteknisten sovellusten luomisessa, joiden tarkoitus on tukea käyttäjän tarpeita ja päivittäisiä toimia. Tutkimuksessa esitetään, että tällaisia sovelluksia voidaan koota valitsemalla sopivia palvelu- ja resurssipaketin sekä niiden konfiguraation käyttäjien vaatimusten mukaan, ottaen huomioon heidän tarpeensa sekä muut kontekstit. Tässä väitöskirjassa tutkitaan automatisoitua ja vuorovaikutteista sovellusten kokoamista. Automatisointi mahdollistaa sen, että järjestelmä toimii käyttäjän tarpeiden ja päämäärien mukaisesti, kun taas vuorovaikutteisuuden ansiosta käyttäjä voi määritellä tarpeensa ja pääsee näin haluamaansa lopputulokseen. Tutkimus toteutettiin suunnittelemalla, toteuttamalla ja arvioimalla kahdeksan automatisoidun ja vuorovaikutteisen sovelluksen kokoonpanon prototyyppiä. Arviointimetodeina käytettiin suorituskykyanalyysiä ja käyttäjäkokeita. Tutkimuksen tärkeimpiä tuloksia ovat (1) evoluutiolaskentaan ja geneettisiin algoritmeihin perustuvien automatisoitujen kokoamismekanismien suunnittelu ja toteutus; (2) näiden mekanismien yksityiskohtainen suorituskykyanalyysi syntetisoitujen tietoaineistojen ja todellisten verkkoympäristöjen avulla; (3) graafisille ja fyysisille (l. kosketus) mobiililaitteiden käyttöliittymille perustuvien ja monenlaisia konteksteja hyödyntävien vuorovaikutteisten kokoamissovellusten prototyyppien suunnittelu ja toteutus; (4) prototyyppien arviointi erilaisin käyttäjäkokein. Arvioinnissa tutkittiin käyttäjien asenteita käyttäjän puolesta päätöksiä tekevää automatisoitua kokoamisjärjestelmää kohtaan, käyttäjien asenteita kontekstitietoista kokoamiskäyttöliittymää kohtaan, sekä käyttäjälle jäävän kontrollin ja järjestelmän autonomian välistä tasapainoa.

Abstract Old age brings several physical and cognitive challenges for elderly people, which complicates the utilization of modern information and communication technology (ICT) for daily task assistance and for caretakers and family support. One factor hindering the adoption of ICT is that most existing user interfaces (UIs) require prior knowledge of use metaphors that many elderly people cannot learn to master. Research on developing assistive technology exists, such as phones for the elderly, but these often have UIs that require prior knowledge and use experience. Recent research has introduced Ambient Assisted Living (AAL) concepts for users’ homes, for example projecting guidance into the environment. However, only a few empirical studies have attempted to define the type of projection-based UIs that would be intuitive for the elderly, and the system design processes that would help in developing such AAL have not been researched thoroughly. This work presents three design iterations and their empirical evaluations. From these, a body of knowledge was produced for designing and developing AALs with projected Augmented Reality (AR) UIs. The first iteration had a sentence-building UI implemented for a wearable Projector-Camera (ProCam) system, which had limits in technical suitability for the elderly. The second iteration changed the use metaphor to a simple icon-based menu, and produced a requirement guideline for UIs in AAL. In the final iteration, the wearable was replaced with a fixed ProCam, allowing the elderly to make menu selections effectively. This iteration supported sequential tasks, such as taking medicine, with visual guides. The suitability of the new UI was tested with computer literate young adults and elderly users, many of the latter having memory and motor skill limitations. The comparison showed that the two groups performed similarly; however, the elderly needed a slower and more direct interaction technique adapted to their preferences in the UI. Assistance for the sequential tasks was found feasible. This work produced a set of UI-related and technical factors that AAL designers should take into account when developing projector-based AR systems for the elderly with memory problems. In addition, this work offers suggestions on how to conduct UI testing sessions with this user group to reduce the amount of work and improve the success of the iterative development process. / Tiivistelmä Ikääntyminen tuo useita fyysisiä ja kognitiivisia haasteita teknologian käytölle mikä puolestaan mutkistaa modernin informaatioteknologian käyttöä hoivatyöntekijöiden ja omaisten tukemana päivittäisten askareiden tukemisessa. Yksi este käytölle on käyttöliittyminen hallitsemiseen tarvittava osaaminen mitä vanhuksilla on haastavaa oppia. Avustavan teknologian tutkimusta on olemassa laitteille kuten vanhusten käyttöön suunnitellut matkapuhelimet jotka tarvitsevat tietämystä ja aiempia käyttökokemuksia. Uusimmat tutkimukset esittävät tietotekniikka-avusteisen asuminen mahdollisuuksia käyttäjien koteihin esimerkiksi projisoitujen opastuksien muodossa, mutta vain muutamia empiirisiä tutkimuksia on tehty määrittelemään kuinka projektiopohjaiset käyttöliittymät voisivat olla intuitiivisia vanhuksille, ja tutkimuksia kuinka näiden systeemien suunnitteluprosessit voisivat avustaa tietotekniikka-avusteisen asumisen suunnittelijoille ei ole tuotettu tarpeeksi. Tämä työ esittelee kolmen iteroinnin ja empiirisen arvioinnin luoman tietämysperustan kautta ratkaisuja systeemien suunnittelun ja luonnin tarpeisiin projektiopohjaisen lisätyn todellisuuden käyttöliittymien luomiseksi. Ensimmäisen iteroinnin tulos on lauserakenteeseen pohjautuva käyttöliittymä päälle puettavalle projektiojärjestelmälle, jonka todettiin omaavan teknisiä puutteita vanhuskäyttöön. Toinen iterointi esittelee ikonipohjaisen käyttöliittymän ja tuottaa vaatimusmäärittelyohjeistuksia käyttöliittymille. Viimeisessä iteroinnissa korvataan päälle puettava kiinteästi asennetulla järjestelmällä, joka mahdollistaa vanhuksille tehokkaamman valintamenetelmän valikoille, sekä tukee sarjamuotoisten tehtävien suorittamista visuaalisia ohjeistuksia käyttäen esimerkiksi lääkkeen annostelun tukemisessa. Käytön soveltuvuutta vertailtiin tehokäyttäjien ja vanhusten, joilla on usein motoriikan ja kognition ongelmia, kesken, ja vaikka nämä kaksi ryhmää ovat hyvin samankaltaisia on vanhuksille sopivampi menetelmä hitaampi ja perustuu suoraan interaktioon. Myös sarjamuotoisen tehtävän suorituksen tukeminen osoittautui saavutettavaksi. Tämä työ tuotti käyttöliittymien ja teknisten toteutusten suunnitteluun tarkoitettuja ohjeistuksia joita tietotekniikka-avusteisen asumisen suunnittelijoiden tulisi ottaa huomioon projektiopohjaisten lisätyn todellisuuden järjestelmien kehittämisessä muistihäiriöisten vanhusten tarpeisiin. Lisäksi suosituksia käyttäjätestien luomiseen tämän käyttäjäryhmän kesken ehdotetaan jolla voidaan vähentää työmäärää sekä parantaa oikein iteratiivista prosessia.

Abstract In its present meaning, the Finnish word 'ymp?rist?', that denotes the environment, already emerged in the 19th century. Yet it is only now that its true meaning is understood more broadly than just referring to matters and objects that surround a given place. The most essential feature of the change that has occurred in its nuances of meaning is the fact that the questions and problems related to environmental themes have emerged as permanent targets of social planning within the scope of which they should also be solved. The 20th century, known as an era of progress and development, was unable to settle these questions but rather went on to generate environmentally bound social problems which have proved even more difficult to grasp. The reasons for this are deeply embedded in reductionism and its reality-braking approach. The present investigation employs a strongly holistic viewpoint in underlining the above problem clusters against the traditional nature of scientific development and the perspectives of individual disciplines, particularly as the problems and questions connected with the whole formed by the environment and society are not separate or definable by one instance only. Problem-solving in environmental planning, which overlaps with social and community-based problems, is essentially determined by the organisation of the various planning tasks into open problems. Being multi-dimensional, controversial, difficult to shape and including a variety of alternative solutions, situations of this kind require planning that outlines future opportunities and takes into consideration the interactive nature of different factors. Thus planning must no longer be used as a means of determining or bordering the future in the sense characteristic of its traditional nature but rather as a creative, visionary and strategic instrument of constantly looking for the things of tomorrow. With regard to theoretical planning, the environment-society relationship in fact requires more problem-based approaches, local solution patterns and a more fundamental grip on things. In the level of individual local government districts assessed in the present paper, the scope and multi-dimensional nature of the environment, when seen in the framework of planning a sustainable future in societies, has given rise to definition problems as well as concrete implementation difficulties. Despite these, there has already been some awakening to assume the direction required by a holistic grip on the environment. Yet the majority of the local government authorities in Finland still have a long way to go to realise the kind of long-term fundamental perspectives and interaction between the various factors that lie in their operating environments that are required for really employing a strategy. It takes time of course to change traditional operating patterns and cultures. The most important thing here is that the instances concerned should recognise the direction of development as their own and correct so as to ensure that the process of change will continue.

Abstract This thesis has been made within the European Industrial Doctorate (EID) project called Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, abbreviated as MIMESIS, which has five partners: EFD Induction in Norway; SSAB, Outokumpu, and the University of Oulu in Finland; and Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) in Germany. The main aim of this work was to develop a steel composition and processing route suitable for making a slurry transportation pipeline with the aid of induction hardening, and to characterize the phase transformations and microstructures involved in the various stages of the processing route. A novel steel chemistry was designed based on metallurgical principles assisted by computational thermodynamics and kinetics. The designed composition is a medium-carbon, low-alloy steel microalloyed with niobium, in wt.% 0.40 C, 0.20 Si, 0.25 Mn, 0.50 Mo, 0.90 Cr, and 0.012 Nb. This was subsequently cast, thermomechanically rolled on a laboratory rolling mill to two bainitic microstructures, and finally subjected to the thermal cycles predicted to be encountered with the internal induction hardening of a typical pipe geometry. The phase transformations and microstructures found at various stages of the simulated production process have been characterized and algorithms developed to enable the optimization of microstructure and hardness through the pipe wall thickness. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja on tehty osana Euroopan teollisuustohtori (European Industrial Doctorate, EID) -ohjelmaa projektissa eli Matematiikka ja materiaalitiede teräksen valmistuksessa ja käytössä (Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, MIMESIS). Ohjelmassa on viisi partneria: EFD Induction Norjasta; SSAB, Outokumpu ja Oulun yliopisto Suomesta; ja Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Saksasta. Työn päätavoitteina oli kehittää teräksen koostumusta ja prosessointireittiä, jotka soveltuvat lietteen kuljetusputken valmistukseen induktiokarkaisun avulla, sekä karakterisoida prosessin eri vaiheiden aikana tapahtuvat faasimuutokset ja mikrorakenteet. Uusi teräskoostumus suunniteltiin metallurgisten periaatteiden pohjalta hyödyntämällä laskennallista termodynamiikkaa ja kinetiikkaa. Suunniteltu teräs on niobilla mikroseostettu, matalaseosteinen ja keskihiilinen, eli painoprosentteina 0,40 C, 0,20 Si, 0,25 Mn, 0,50 Mo, 0,90 Cr ja 0,012 Nb. Teräs valettiin, valssattiin ja jäähdytettiin termomekaanisesti laboratoriovalssaimella kahdeksi bainiittiseksi mikrorakenteeksi ja lopulta altistettiin lämpösykleille, joiden ennustettiin olevan tyypillisiä sisäisesti induktiokarkaistulle teräsputkelle. Simuloidun tuotantoprosessin eri vaiheissa havaitut faasimuutokset ja mikrorakenteet on karakterisoitu. Sen lisäksi on kehitetty algoritmit, jotka mahdollistavat mikrorakenteen ja kovuuden optimoinnin putken seinämän paksuuden läpi.

Abstract The research focuses on rural environments and the questions concerning cultural environment surveys in land use planning. The main purpose of the study is to scrutinize how survey information serves planning. The focus is on pointing out the challenges which can be identified in data management and utilization of information. Main challenges are related to the extendedness and increasing workload of surveys, fragmentation of information and the emphasis put on expertise knowledge. The problems are mainly caused by the lack of well-established practical examples, partly on the hegemony of sector based planning and rationalist-comprehensive tradition in theory of science. Yet the surveys form basically the framework, in which the object or area is been reviewed in the preparation phase of planning. In that sense, the chosen methods in fact-finding also define which qualities primarily come into focus. Single methods or viewpoints and the theories they rely on enlighten the whole only in part. On this basis the aims of the study can be divided roughly in three sections – firstly to the critique of the current practices, secondly, conceptual definition of the structural components of the cultural environment itself, and thirdly, formulation of an integrative approach derived from the above mentioned points of departure. The general understanding of the interaction between man, culture and environment is achieved through phenomenological and existential hermeneutics. The person mapping or exploring the environment with his methods is seen as ”link” between the existing conditions and the future plan. Through that, the overall terms of perception and practice-bound preconditions of human interpretation will come under scrutiny. The study aims to ponder the integration of different approaches and angles, forming a ”toolkit” for environmental analytics and interpretation as a kind of a complexity management. Cultural environment surveys should be developed in a way that they would regard areas as thematic and functional entities instead of a sum of single elements. The research results are presented as a matrix of needs-and-goals -analysis, which forms a framework of assessment for values and desicions. The aim is to clarify the general set-up of land use planning which includes various stakeholders and is multidisciplinary by nature, especially in the context of cultural environments. The needs-and-goals -analysis is based on cultural environment profiling, which includes recognition of values and tolerance towards changes. The purpose of an integrative analysis is to bring out development possibilities and restrictions, together with different development goals. The intensions of different stakeholders should be brought out early enough, in order to prevent disagreements to evolve into conflicts and problems. / Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa käsitellään maaseudun kulttuuriympäristöjä sekä maankäytön suunnittelun valmisteluvaiheessa tuotettuja kulttuuriympäristöselvityksiä. Tutkimuksessa tarkastellaan, miten suunnittelun tausta-aineistoina toimivat selvitykset ja niiden sisältämä tieto voitaisiin jäsentää palvelemaan paremmin suunnittelua. Tutkimuksessa on pyritty tuomaan esiin haasteita, joita tiedon hallinnassa ja hyödynnettävyydessä suunnittelun pohjaksi on voitu todeta. Pääasiallisesti nämä liittyvät selvitystiedon laajuuteen ja kuormittavuuteen, sektoroitumiseen ja asiantuntijanäkökulman korostumiseen. Tutkimuksessa esille tuodut ongelmat johtuvat osin selkeitten toimintamallien puutteesta, osin sektorisuunnittelun vahvasta taustavaikutuksesta sekä rationalistis-komprehensiivisesta perinteestä tieteenteoriassa. Kaavoituksen valmisteluvaiheen selvitykset muodostavat kuitenkin viitekehyksen, jonka puitteissa suunnittelualuetta tarkastellaan. Siten valitut tiedonhankinnan menetelmät määrittävät mihin ominaisuuksiin tarkastelun fokus ensisijaisesti painottuu. Käytännössä yksittäiset menetelmät tai niiden taustalla olevat tieteenalat valottavat kokonaisuutta kuitenkin vain osittaisesti ja hajanaisesti. Tutkimuksen tavoitteet voidaan jakaa karkeasti kolmeen eri osa-alueeseen - edellä mainittuun nykyisten käytäntöjen kritiikkiin, ilmiöstä itsestään määrittyvien rakennetekijöiden teoreettis-käsitteelliseen määrittelyyn sekä tähän nojautuvan integroivan lähestymistavan muodostamiseen. Tutkimuksessa hahmotellun kokonaiskäsityksen perustana on fenomenologisen ja eksistentiaalisen analytiikan keinoin määritelty ymmärrys ihmisen, kulttuurin ja ympäristön vuorovaikutuksesta. Tarkasteltavana ovat täten havainnoinnin yleiset edellytykset sekä ne käytäntösidonnaiset ennakkoehdot, joiden myötä selvityksen laatija muodostaa tulkintansa. Kulttuuriympäristöä tutkiva ihminen on keinovalikoimineen eräänlainen ”linkki” olemassa olevan ympäristön ja tulevan suunnitelman välillä. Tutkimuksessa on pohdittu eri näkökulmien integroitumista eräänlaiseksi organisoiduksi kompleksisuuden hallinnaksi, jonka perustana on havaintojen tekemisen ”välinekokonaisuus” kohteena olevan ympäristön piirteistä. Selvitysmenetelmiä tulisi kehittää ennen muuta siten, että kulttuuriympäristöjen tarkastelu teemallisten ja toiminnallisten kokonaisuuksien kautta mahdollistuisi nykyistä paremmin yksittäisten kohteitten sijaan. Tutkimuksen tuloksena esitetty tarve- ja tavoiteanalyysi muodostaa tulkintakehyksen suunnitteluvalinnoille ja toisaalta selkiyttää monitoimijaisen ja monialaisen suunnittelun lähtökohtia. Lähtökohtana on kulttuuriympäristöprofiilin laadinta, arvojen ja muutoksensietokyvyn määrittely sekä kehittämispotentiaalien esille nostaminen vaihtoehtoisten kehityspolkujen hahmottamisessa. Eri osapuolten tarpeet ja tavoitteet on myös tuotava esille riittävän aikaisin. Tällä on pyrittävä ennen muuta ehkäisemään ristiriitojen kehittymistä konflikteiksi ja asenteiden lukkiutumista vastakkainasetteluiksi.

Abstract In the design and development of unit operations in chemical engineering, experimental testing is often very expensive or even impossible to perform. In these kinds of situations, numerical simulations offer a good approach to study process characteristics. Typically in chemical engineering, data-based modeling is applied to study the process. This requires many experiments for tuning the model parameters and validating the model. In a phenomenology-based approach, the evolution of the system is dictated by fluid and particle transport equations. These equations are independent of the process, and can therefore be applied in various systems. However, depending on the system, there are several aspects that have to be taken into account in order to choose the correct model for the problem in hand. In this work, computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) modeling have been applied in different unit operations in the field of chemical engineering. CFD was applied in preventing sedimentation in a tube heat exchanger, estimating the cooling efficiency of a vertical water jet onto a hot metal plate, and studying the formation of the slag free open-eye area on the steel ladle. For comparison, DEM was applied in the continuous high-shear granulation of pharmaceutical powder. The different models used in this work are reviewed, and the results are presented from the point of view of model and process development. The grid aspects in CFD simulations and the termination criteria for DEM and CFD simulations are also studied. Based on the results of this work, phenomenological modeling can be considered to be an efficient tool for unit operation design. Together with experimental work, different modeling strategies offer a powerful tool for the design and development of unit operations. / Tiivistelmä Kemiantekniikan yksikköprosessien suunnittelussa kokeellinen tutkimus on usein erittäin kallista ja joskus jopa mahdotonta toteuttaa. Tällöin mallinnus tarjoaa hyvän lähestymistavan yksikköprosessin ominaisuuksien tutkimiselle. Tyypillisesti kemianteollisuudessa, datapohjaista mallinnusmenetelmiä on käytetty systeemin ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin paljon koetoistoja mallin parametrien virittämiseksi ja mallin validoimiseksi. Ilmiöpohjaisessa mallinnuksessa, systeemin aikakehitys määräytyy fluidi- ja partikkelivirtauksia määräävien kuljetusyhtälöiden perusteella. Nämä yhtälöt ovat prosessista riippumattomia, jolloin niitä voidaan soveltaa yleisesti mihin tahansa systeemiin. Riippuen kuitenkin tutkittavasta yksikköprosessista, eri asioita on otettava huomioon, jotta oikea malli voidaan valita kuvaamaan systeemiä. Tässä työssä virtauslaskentaa (computational fluid dynamics, CFD) ja partikkelimenetelmää (discrete element method, DEM) on käytetty erilaisten kemiantekniikan yksikköprosessien tutkimuksessa. CFD:n avulla on tutkittu putkilämmönvaihtimen sedimentaation ehkäisyä, laminaarisen suorasuihkujäähdytyksen tehokkuutta teräslevyn jäähdytyksessä, sekä senkkaprosessissa teräksen pinnalle ilmestyvän kuonasilmäkkeen muodostumista. DEM mallinnusta käytettiin lääkejauheen jatkuvatoimisen rakeistuksen tutkimuksessa. Mallinnuksessa käytetyt mallit esitellään ja niiden tulokset esitellään malli- ja prosessikehityksen näkökulmasta. Työssä on otettu myös esille mallinnustekniset asiat CFD:n vaatiman laskentahilan ja laskennan lopetuskriteerien näkökulmasta. Työssä esitettyjen tulosten perusteella voidaan todeta, että ilmiöpohjainen mallinnus on tehokas työkalu yksikköprosessien suunnittelussa. Yhdessä kokeellisen tutkimuksen kanssa, eri mallinnusmenetelmät tehostavat yksikköprosessien suunnittelua ja kehitystä.

Abstract The use of mobile devices, including mobile phones and tablets, is a growing trend in education. The practice has been widely technology driven and often justified simply by the importance of using new technology in a classroom and by claiming such devices to be important in reaching something referred to, although not that well defined, as 21st century skills. This thesis is one answer to the challenge represented by this development. It brings together theoretical ideas of scaffolding learning with collaborative scripts and the use of mobile devices as cognitive tools in a real life educational settings. This thesis has constructivist grounds and aims at exploring how to support collaborative learning when students have ill-structured problems and their activities are supported with mobile technologies. The study consists of three case studies, which together form an example of how important it is to design, develop and deliver lightweight digital tools and activities for learners to construct knowledge. Overall, the results of three case studies in this thesis confirms that it is a dubious assumption that learners will automatically take appropriate and measured advantage of the affordances of mobile devices and other emergent technologies involved in cognitive activities: rather, these cognitive tools require deliberate attention and effort from learners to make use of the affordances of the tools. Furthermore, results from the case studies reveal that personal factors such as students’ prior knowledge and their metacognitive and collaborative skills, as well as contextual cues such as cultural compatibility and instructional methods, influence student engagement. / Tiivistelmä Mobiililaitteiden, kuten puhelinten ja tabletien, opetuskäyttö lisääntyy hyvää vauhtia. Aihepiiri on ollut teknologiavetoinen, opetuskäyttöä on perusteltu lähinnä tarkemmin määrittelemättömillä 2000-luvun kansalaistaidoilla (21th century skills) ja uuden teknologian hyödyntämisen tärkeydellä. Tämä väitöskirja on teoreettisesti ja metodologisesti perusteltu vastine tähän keskusteluun. Tutkimus yhdistää pedagogista vaiheistamista ja kognitiivisia työkaluja käsittelevän teoreettisen viitekehyksen kolmeen todellisissa oppimistilanteissa tehtyyn kokeiluun. Työ koostuu kolmesta tapaustutkimuksesta, jotka yhdessä muodostavat esimerkin kuinka mobiililaitteiden avulla tuettua opiskelua voidaan suunnitella ja toteuttaa erilaisissa konteksteissa. Ensimmäisessä tapaustutkimuksessa tutkittiin maantieteellisesti hajautuneen opetusta suunnittelevan yhteisön vuorovaikutusta. Toisessa tapaustutkimuksessa selvitettiin kuinka tukea luontopolkutyöskentelyä mobiilisovellusten avulla. Kolmannessa tapaustutkimuksessa tutkittiin yliopisto-opiskelijoiden opintojen tukemista mobiilin sosiaalisen median sovelluksia hyödyntäen. Kolme tapaustutkimusta osoittavat että oppilaiden ei voida olettaa automaattisesti osaavan hyödyntää uusinta teknologiaa ja pedagogisia menetelmiä opiskelunsa tukena. Päinvastoin, käyttäminen vaatii opiskelijoilta paljon päämäärätietoista ponnistelua. Henkilökohtaiset tekijät, kuten aiemmat kokemukset, opiskelutaidot, mutta myös tilannesidonnaiset tekijät kuten opetusmenetelmät vaikuttavat opiskelijoiden kykyyn hyödyntää uutta teknologiaa opiskelussa.

Abstract With the unprecedented growth in mobile data traffic and network densification, the emerging fifth-generation (5G) wireless network warrants a paradigm shift with respect to system design and technological enablers. In this regard, the prime motivation of this thesis is to propose an integrated access-backhaul (IAB) framework to dynamically schedule users, while efficiently providing a wireless backhaul to dense small cells and mitigating interference. In addition, joint resource allocation and interference mitigation solutions are proposed for two-hop and multi-hop self-backhauled millimeter wave (mmWave) networks. The first contribution of this thesis focuses on a multi-user two-hop relay cellular system in which a massive antenna array enabled macro base station (BS) simultaneously provides high beamforming gains to outdoor users, and wireless backhauling to outdoor small cells. Moreover, a hierarchical interference mitigation scheme is applied to efficiently mitigate cross-tier and co-tier interference. In the second contribution, a multi-hop self-backhauled mmWave communication scenario is studied whereby a joint multi-hop multi-path selection and rate allocation framework is proposed to enable Gbps data rates with reliable communications. Using reinforcement learning techniques, a dynamic and efficient re-routing solution is proposed to cope with blockage and latency constraints. Finally, a risk-sensitive learning solution is leveraged to provide high-reliability and low-latency communications. In summary, the dissertation analyses key trade-offs between (i) capacity and latency, (ii) reliability and network density. Extensive simulation results were carried out to verify the performance gains of the proposed algorithms compared to several baselines and for different network settings. Key findings show significant improvements in terms of higher data rates, lower latency, and reliable communications with some trade-offs. / Tiivistelmä Liikkuvan dataliikenteen ennennäkemättömän kasvun ja verkkojen tihentymisen seurauksena pian käyttöön tulevien viidennen sukupolven (5G) langattomien verkkojen järjestelmäsuunnittelua ja teknologisten mahdollistajien käyttöä on täytynyt lähestyä kokonaan uudesta näkökulmasta. Niinpä tämän väitöstyön johtavana ajatuksena on ehdottaa integroitua verkkoon pääsyn ja runkoverkkoyhteyden muodostamismallia, jossa käyttäjät resursoidaan dynaamisesti ja samalla muodostetaan tehokkaat runkoverkkoyhteydet piensoluille. Tätä varten tutkitaan resurssiallokaation ja häiriöiden lieventämisen yhteisratkaisuja, jotka tukevat kahden tai useamman hypyn yhteyksiä ja samanaikaista runkoverkkoyhteyden luomista millimetriaaltoalueen verkoissa. Työn alkuosa keskittyy usean käyttäjän välitinavusteiseen kahden hypyn solukkoverkkoon, jossa makrotukiasemassa käytetään suurta antenniryhmää muodostamaan samanaikaisesti suuren vahvistuksen antennikeiloja käyttäjälinkeille ja langattomalle runkoyhteysosuudelle. Lisäksi sovelletaan hierarkkista häiriönvaimennusmenetelmää saman kerroksen ja kerrosten välisen häiriön tehokkaaseen vähentämiseen. Työn seuraavassa osassa arvioidaan usean hypyn runkoverkkoyhteyden muodostuksen tutkimusongelmaa millimetrialueen kommunikaatiossa kehittämällä yhdistetty menetelmä usean hypyn monipolkuvalinnalle ja tiedonsiirtoresurssien allokoinnille. Tällä tähdätään gigabittiluokan datanopeuksiin ja luotettavaan tietoliikenteeseen millimetrialueella. Vahvistavan oppimisen tekniikan avulla esitellään dynaaminen ja tehokas uudelleenreitityskonsepti toimimaan esto- ja viiverajoitusten kanssa. Lopuksi hyödynnetään riskisensitiivistä oppimista ja antennidiversiteettitekniikoita suuren luotettavuuden ja pienen latenssin saavuttamiseksi millimetrialueen tiedonsiirrossa. Näiden avulla analysoidaan kaupankäyntiä esimerkiksi (i) kapasiteetin ja latenssin sekä (ii) luotettavuuden ja verkon tiheyden/kuormituksen välillä. Mittavien suoritettujen simulointien avulla osoitetaan ehdotettujen algoritmien suorituskykyedut suhteessa tunnettuihin verrokkeihin useissa eri skenaarioissa. Tulosten perusteella saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä infrastruktuurin ja runkoverkon osalta sekä päästään suuriin datanopeuksiin ja parannuksiin pienen latenssin luotettavassa tietoliikenteessä.

Abstract The world is rapidly developing into a networked society, where people, machines, data, services and applications are tightly integrated by means of information and communications technology. The members of Wireless Sensor requires solutions to support the unprecedented level of the system’s pervasion and heterogeneity, solutions which are missing today. Today’s device-level design procedures are an obstacle in the transition to this heterogeneous future, which demands diverse Internet of Things (IoT) devices, including low-end and low-power ones. Reducing the design and production costs of devices in low to mid-scale production quantities, requires new approaches to cope with application versatility. To address this problem, this thesis proposes a novel wireless sensor and actuator network (WSAN)/IoT device design methodology based on the combination of two approaches: platform-based design and autoconfiguration, that are applied to hardware (HW) and software (SW) components. Unlike the state-of-the-art methodologies, the methodology proposed enables more flexibility both during the design and after device deployment, while reducing the development expenses and time-to-market. Although neither of the two these approaches is fundamentally novel on its own, in this thesis they are employed in, and adapted to, extremely resource restricted systems. The feasibility of the methodology is shown by the development of technology artifact representing a Plug-and-Play enabled WSAN/IoT device platform. The new devices are assembled from HW modules, encapsulating the various power supply, processing, transceiver, sensor and actuator units, or sets of those. The central control unit of a device automatically identifies the HW, and configures the SW accordingly. The technology enablers for this - the HW and SW architectures and interfaces – are reported in this thesis. Experimentation confirms the viability of the proposed concepts and mechanisms. The utility of the designed solutions has been shown by a series of successful research projects and experimental results. / Tiivistelmä Maailma on nopeasti muuttumassa verkottuneeksi yhteisöksi, jossa ihmiset, koneet, tiedot, palvelut ja sovellukset ovat integroituneet tiiviisti yhteen tieto- ja viestintätekniikan avulla. Tämän dynaamisen ihmisten ja koneiden välisen yhteisön jäsenillä on erilaisia ja jopa ainutlaatuisia kykyjä. Tämän vision toteutuminen edellyttää toistaiseksi puuttuvia ratkaisuja, jotka tukevat ennennäkemättömän laajalle levinnyttä ja hajanaista järjestelmää. Nykyiset laitetason suunnittelumenetelmät estävät siirtymisen tähän heterogeeniseen tulevaisuuteen, joka edellyttää monipuolisia IoT-laitteita (Internet of Things, esineiden internet), mukaan lukien yksinkertaiset ja vähän virtaa kuluttavat laitteet. Tuotantomääriltään pienten ja keskisuurten laitteiden suunnittelu- ja tuotantokustannusten vähentäminen edellyttää uusia lähestymistapoja sovellusten monipuolisuuden vuoksi. Tutkielmassa ehdotetaan tämän ongelman ratkaisuksi uutta langattomien antureiden ja toimilaitteiden verkon (WSAN) / IoT-laitteiden suunnittelumenetelmää, joka perustuu näiden kahden lähestymistavan yhdistelmään: käyttöympäristöön perustuva rakenne ja automaattinen määritys, joita sovelletaan sekä laitteisto- että ohjelmistokomponentteihin. Toisin kuin nykyiset johtavat menetelmät, ehdotettu menetelmä on joustavampi sekä suunnitteluvaiheessa että laitteen käyttöönoton jälkeen. Tämä vähentää kehityskustannuksia ja laitteen markkinoille tuomiseen tarvittavaa aikaa. Vaikka kumpikaan menetelmä ei ole lähtökohtaisesti uusi, tutkielmassa niitä käytetään järjestelmissä, joissa on äärimmäisen rajoitetut resurssit, ja ne sovitetaan niihin. Menetelmän käyttökelpoisuutta esitellään kehittämällä Plug and Play –yhteensopivaa WSAN-/IoT-laiteympäristöä edustava tekninen artefakti. Uudet laitteet kootaan laitteistomoduuleista, joissa on erilaisia virtalähteitä, prosessori-, lähetin-vastaanotin-, anturija toimilaiteyksikköjä tai niistä koostuvia kokonaisuuksia. Laitteen keskusyksikkö tunnistaa laitteiston automaattisesti ja konfiguroi sen. Tutkielmassa kerrotaan, mitä teknologiaa eli laitteisto- ja ohjelmistoarkkitehtuureja ja -rajapintoja sovelluksessa on käytetty.