Browsing by Title

Introduction: The issue of climate change has emerged as a global challenge in response to the increasing consumption of natural resources. As the Information Technology (IT) sector has undergone significant growth in recent years, the implementation of environmentally sustainable practices which lower the environmental impact of software, such as electricity usage, has become imperative. The concept of green in software engineering seeks to address these challenges in the software engineering process. Methods: As the goal is to explore and evaluate different approaches to environmental sustainability in green in software engineering whilst also taking a look into the maturity and evidence level of research about the subject, this study adopts a systematic literature review approach. The search strings, search process and other relevant information are meticulously documented and explored in each step of the research process. Results: Green in software engineering has been identified as a promising field of research, but the absence of agreed-upon definitions and terminology often leads to research efforts replicating the previous studies without a clear reason as to why. The goal of increasing environmental sustainability is commonly agreed on in software engineering, but the concrete steps to achieve it are currently missing. Building a strong body of knowledge, common measurements and tooling to support them and increasing the knowledge about sustainability in the field of software engineering should all be taken into account in an effort to reach the environmental sustainability goals of tomorrow.

Two-electron integrals, which arise in the quantum mechanical description of electron-electron repulsion, are needed in electronic structure calculations. In this thesis, a fully numerical scheme for computing them has been developed and implemented. The accuracy and performance of the scheme is also demonstrated with proof-of-concept calculations. The work in this thesis is a part of the ongoing efforts aiming at a fully numerical electronic structure code for massively parallel computer architectures. The power of these emerging computational resources can be seized only if all computational tasks are divided to small and independent parts that are then processed concurrently. Such a divide and conquer approach is indeed the main characteristic of the present integration scheme. The scheme is a variant of the Fast Multipole Method (FMM) that is an algorithm originally designed for rapid evaluation of electrostatic and gravitational potential fields in point particle simulations. Since the two-electron integrals can be formulated as a problem in electrostatics involving electrostatic potentials and continuous charge densities, the FMM algorithm is also applicable for tackling them. The basic idea in the present scheme is to decompose the computational domain to sub-domains in which the electron densities and electrostatic potentials are further decomposed to finite element functions. The two-electron integrals are then computed as a sum of contributions from each sub-domain. As the current scheme performs all integrals on real-space grids, it has been titled as the Grid-based Fast Multipole Method (GB-FMM). Its computational cost scales linearly with respect to the number of sub-domains. The thesis consists of two parts – a literature review discussing the key features of electronic structure calculations at the Hartree-Fock level of theory and a documentation of the GB-FMM. The results of the proof-of-concept calculations are encouraging. The GB-FMM scheme can achieve parts per billion accuracy. In addition, an analysis of its performance in a single-core environment indicates that the computational cost of the GB-FMM scheme has a rather big prefactor but a favorable scaling with respect to system size. However, as the GB-FMM algorithm has been designed with parallel execution in mind, its full power is predicted to become evident only when massively parallel computers will become commonplace.

Sea level rise is among the most worrying consequences of climate change, and the biggest uncertainty of sea level predictions lies in the future behaviour of the ice sheets of Greenland and Antarctica. In this work, a literature review is made concerning the future of the Greenland ice sheet and the effect of its melting on Baltic Sea level. The relation between sea level and ice sheets is also considered more generally from a theoretical and historical point of view. Lately, surprisingly rapid changes in the amount of ice discharging into the sea have been observed along the coastal areas of the ice sheets, and the mass deficit of Greenland and West Antarctic ice sheets which are considered vulnerable to warming has been increasing from the 1990s. The changes are probably related to atmospheric or oceanic temperature variations which affect the flow speed of ice either via meltwater penetrating to the bottom of the ice sheet or via changes in the flow resistance generated by the floating parts of an ice stream. These phenomena are assumed to increase the mass deficit of the ice sheets in the warming climate; however, there is no comprehensive theory to explain and model them. Thus, it is not yet possible to make reliable predictions of the ice sheet contribution to sea level rise. On the grounds of the historical evidence it appears that sea level can rise rather rapidly, 1-2 metres per century, even during warm climate periods. Sea level rise projections of similar magnitude have been made with so-called semiempirical methods that are based on modelling the link between sea level and global mean temperature. Such a rapid rise would require considerable acceleration of the ice sheet flow. Stronger rise appears rather unlikely, among other things because the mountainous coastline restricts ice discharge from Greenland. The upper limit of sea level rise from Greenland alone has been estimated at half a metre by the end of this century. Due to changes in the Earth s gravity field, the sea level rise caused by melting ice is not spatially uniform. Near the melting ice sheet the sea level rise is considerably smaller than the global average, whereas farther away it is slightly greater than the average. Because of this phenomenon, the effect of the Greenland ice sheet on Baltic Sea level will probably be rather small during this century, 15 cm at most. Melting of the Antarctic ice sheet is clearly more dangerous for the Baltic Sea, but also very uncertain. It is likely that the sea level predictions will become more accurate in the near future as the ice sheet models develop.

Bedrock fracturing is considerably extensive and distinct in Finland, and the fractures that are open, conductive and interconnected usually control the groundwater flow paths in fractured bedrock. This highlights the importance of knowing the locations and hydraulic connections of water conducting fracture zones particularly in mining areas, because they can transport adverse substances outside the mining area. In this study, it is focused on examining possible hydraulic connections of bedrock groundwater by using the stable isotopes of oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H). The study was carried out in the Talvivaara mining area in Northeastern Finland alongside a project from the Geological Survey of Finland (GTK). After November 2012, when a leakage of acidic, metal-containing waste water occurred in the gypsum ponds, there was an urgent need to study the groundwater transport routes in the bedrock fractures. The aim was to find hydraulic connections between surface water and groundwater, and to study the flow of the groundwater in the fracture zones based on the different isotopic characteristics of waters from different sources and isotopic similarities. Most of the materials used in this study were obtained from the results of the project from the GTK. These materials included geophysical interpretations of the locations and water content of the main fracture zones and the results from the geochemical analyzes. Together with the interpretations of groundwater flow direction based on hydraulic heads these materials formed a frame for this study. The isotope composition of 39 water samples from bedrock wells, shallow wells and surface water was analyzed using cavity ring-down spectroscopy (CRDS) method. The surface waters were clearly distinguished based on their evident evaporation signal, but no significant such a signal was observed in the bedrock and shallow groundwaters. However, similarities between groundwater from different depths of same well were found, in addition to similarities between different wells along same fracture zones. Although the isotopes did not indicate surface water contamination, groundwater contamination with smaller amounts of water is possible, in which case the changes in isotope composition are not yet significant, while certain elements have elevated concentrations. A NE-SW oriented fracture zone passing in the center of the study area was concluded to have the most important role in collecting and transporting groundwater outside the mining area. More detailed interpretations would require regular sampling for a longer period of time to better distinguish naturally and artificially induced changes both in the isotopic but also geochemical compositions. Also the usage of packer tests possibly together with pumping tests would be useful in obtaining more comprehensive image of the groundwater flow in the fracture zones and their hydraulic connections.

Triglycerides are a type of lipid that enters our body with fatty food. High triglyceride levels are often caused by an unhealthy diet, poor lifestyle, poorly treated diseases such as diabetes and too little exercise. Other risk factors found in various studies are HIV, menopause, inherited lipid metabolism disorder and South Asian ancestry. Complications of high triglycerides include pancreatitis, carotid artery disease, coronary artery disease, metabolic syndrome, peripheral artery disease, and strokes. Migration has made Singapore diverse, and it contains several subpopulations. One third of the population has genetic ancestry in China. The second largest group has genetic ancestry in Malaysia, and the third largest has genetic ancestry in India. Even though Singapore has one of the highest life expectancies in the world, unhealthy lifestyles such as poor diet, lack of exercise and smoking are still visible in everyday life. The purpose of this thesis was to introduce GWAS-analysis for quantitative traits and apply it to real data, and also to see if there are associations between some variants and triglycerides in three main subpopulations in Singapore and compare the results to previous studies. The research questions that this thesis answered are: what is GWAS analysis and what is it used for, how can GWAS be applied to data containing quantitative traits, and is there associations between some SNPs and triglycerides in three main populations in Singapore. GWAS stands for genome-wide association studies designed to identify statistical association between genetic variants and phenotypes or traits. One reason for developing GWAS was to learn to identify different genetic factors which have an impact on significant phenotypes, for instance susceptibility to certain diseases Such information can eventually be used to predict the phenotypes of individuals. GWAS have been globally used in, for example, anthropology, biomedicine, biotechnology, and forensics. The studies enhance the understanding of human evolution and natural selection and helps forward many areas of biology. The study used several quality control methods, linear models, and Bayesian inference to study associations. The research results were examined, among other things, with the help of various visual methods. The dataset used in this thesis was an open data used by Saw, W., Tantoso, E., Begum, H. et al. in their previous study. This study showed that there are associations between 6 different variants and triglycerides in the three main subpopulations in Singapore. The study results were compared with the results of two previous studies, which differed from the results of this study, suggesting that the results are significant. In addition, the thesis reviewed the ethics of GWAS and the limitations and benefits of GWAS. Most of the studies like this have been done in Europe, so more research is needed in different parts of the world. This research can also be continued with different methods and variables.

Toimijamalli on hajautetun ja samanaikaisen laskennan malli, jossa pienet osat ohjelmistoa viestivät keskenään asynkronisesti ja käyttäjälle näkyvä toiminnallisuus on usean osan yhteistyöstä esiin nouseva ominaisuus. Nykypäivän ohjelmistojen täytyy kestää valtavia käyttäjämääriä ja sitä varten niiden täytyy pystyä nostamaan kapasiteettiaan nopeasti skaalautuakseen. Pienempiä ohjelmiston osia on helpompi lisätä kysynnän mukaan, joten toimijamalli vaikuttaa vastaavan tähän tarpeeseen. Toimijamallin käytössä voi kuitenkin esiintyä haasteita, joita tämä tutkimus pyrkii löytämään ja esittelemään. Tutkimus toteutetaan systemaattisena kirjallisuuskatsauksena toimijamalliin liittyvistä tutkimuksista. Valituista tutkimuksista kerättiin tietoja, joiden pohjalta tutkimuskysymyksiin vastattiin. Tutkimustulokset listaavat ja kategorisoivat ohjelmistokehityksen ongelmia, joihin käytettiin toimijamallia, sekä erilaisia toimijamallin käytössä esiintyviä haasteita ja niiden ratkaisuita. Tutkimuksessa löydettiin toimijamallin käytössä esiintyviä haasteita ja näille haasteille luotiin uusi kategorisointi. Haasteiden juurisyitä analysoidessa havaittiin, että suuri osa toimijamallin haasteista johtuvat asynkronisen viestinnän käyttämisestä, ja että ohjelmoijan on oltava jatkuvasti tarkkana omista oletuksistaan viestijärjestyksestä. Haasteisiin esitetyt ratkaisut kategorisoitiin niihin liittyvän lisättävän koodin sijainnin mukaan.

Terästeollisuudessa teräsnauhojen valmistuksessa esiintyvät ongelmat tuotannossa aiheuttavat suuria taloudellisia tappioita, joten näiden ongelmien ennustaminen ennen niiden esiintymistä olisi taloudellisesti hyvin merkittävää. Olemassa olevien fysikaalisten mallien avulla ennustaminen ei ole ollut mahdollista, joten tutkimuksessa on hyödynnetty ennustavia matemaattisia luokittimia, joiden avulla näitä ongelmallisia tilanteita ollaan pyritty ennustamaan. Tutkielma käsittelee matemaattista teoriaa ja menetelmiä, joita on hyödynnetty aiemmin julkaistussa tutkimuksessa 'Defect prediction in hot strip rolling using ANN and SVM'. Keskeisinä menetelminä tutkimuksessa on käytetty erilaisia datan esikäsittelymenetelmiä, kuten klassisia tilastollista analyysiä, piirteiden valintamenetelmiä, esimerkikisi itsestäänjärjestäytyviä karttoja, sekä ennustukseen neuroverkkoa ja tukivektorikonetta. Tutkimuksen aineisto on peräisin teräsnauhojen lämpövalssausprosessista Ruukin terästehtaalta Raahesta. Alkuperäinen tutkimus toteutettiin Oulun Yliopiston tietokonetekniikan laboratoriossa yhteistyössä tutkimusryhmän ja Ruukin asiantuntijoiden kanssa. Tutkimuksen pohjalta ollaan pystytty osoittamaan, että tukivektorikoneen ja neuroverkon ennustetarkkuus on hyvin lähellä toisiaan kyseiselle aineistolle.

Tässä työssä on karakterisoitu uudentyyppisen ilmaisimen toimintaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden vesimittauksissa. Karakterisointi tehtiin ilmaisimelle, jota on aikaisemmin hyödynnetty vain maaperämittauksissa. Ilmaisimen toimintaa tutkittiin kolmen haihtuvan orgaanisen yhdisteen (asetonin, isopreenin ja metanolin) muodostamien eri väkevyisten vesiliuosten avulla. Ilmaisimen avulla vesiliuoksesta erotetut molekyylit analysoitiin protoninsiirtoreaktio-lentoaikamassaspektrometrilla (PTR-TOF-MS), jonka tuottama data analysoitiin Origin-datankäsittelyohjelmalla. Tutkielmassa perehdytään haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin, ilmaisimen rakenteeseen ja funktionaalisuuteen, diffuusioon, Henryn lakiin ja tulosten tilastolliseen merkitsevyyteen ennen varsinaisia mittaustuloksia. Tuloksissa pohditaan muun muassa virtausnopeuden, lämpötilan ja molekyylikoon vaikutusta vesiliukoisten haihtuvien orgaanisten yhdisteiden mitattuun signaaliin. Lisäksi tuloksissa esitetään arviot tutkitun lampinäytteen asetoni- ja metanolipitoisuuksista kevättalvella. Tämän työn karakterisointitutkimustulosten mukaan ilmaisin toimii kvalitatiivisesti ja loogisesti vesiliukoisten haihtuvien orgaanisten yhdisteiden mittauksissa. Mittauslämpötila vaikuttaa merkittävästi tarkasteltavien yhdisteiden signaalien intensiteetteihin, sillä diffuusio ja haihtuminen ilmaisimessa ovat tehokkaita verrattain korkeassa lämpötilassa. Toisin kuin vesiliukoisten yhdisteiden, rasvaliukoisten yhdisteiden käyttäytymistä ilmaisimessa ei tässä työssä ymmärretty kokonaan.

Ihmisten käyttäytyminen internetissä voi määräytyä hyvin sattumanvaraisesti. Esimerkiksi sosiaalisen median kautta uudet ja kiinnostavat asiat voivat levitä hyvinkin nopeasti usealle eri ihmiselle. Jos sisällönjakaja ei ole varautunut, tai pystynyt varautumaan esimerkiksi rahallisista syistä, piikkeihin kysynnässä, niin odottamaton kiinnostus voi vaikuttaa palvelun laatuun tai jopa estää palvelun kokonaan. Esimerkkinä tilanteesta, jossa sisällön jakaja ei pysty täysin varautumaan äkkinäiseen resurssitarpeeseen, otetaan pieni videonjakopalvelu. Palvelua käyttää pieni vakiokäyttäjien joukko, jonka palveluun tarvittavan resurssimäärän yksittäinen palvelin pystyy hyvin tarjoamaan. Jos tällaisessa tilanteessa yksittäinen video menee viraaliksi sosiaalisessa mediassa ja käyttäjäkunta nousee hetkellisesti siihenastisesta maksimaalisesta ruuhkahuipusta 10-1000 -kertaiseksi, voi palvelin kaatua kokonaan tai ainakaan se ei pysty tarjoamaan ainoallekaan käyttäjälle palvelua. Jopa perinteinen sisällönjakeluverkko (CDN, content distribution network) auttaa huonosti tilanteeseen, jossa syntynyt salamajoukko (flash crowd) on vahvasti paikkaan sidottu ilmiö. Sisällönjakeluverkossa tieto jakaantuu kyllä suuremmalle maantieteelliselle alueelle kuin vain yksittäiseen keskuskoneeseen, mutta kun tarvitaan paljon kapasiteettia pienemmässä, vahvasti lokaalissa, paikallisessa osassa ei sisällönjakeluverkko olekaan enää paras ratkaisu ongelmaan. Tässä pro gradu -tutkielmassa keskitytään tutkimaan miten hyvin rajatuilla resursseilla varustettu palveluntarjoaja pystyisi rakentamaan suorituskykyisen videonjakopalvelun hajautetulla sisällönjakelulla. Samalla varmistetaan, että mahdollisen salamajoukon aiheuttaman käyttäjäpiikin aiheuttama ongelma ei johda palvelun kaatumiseen. Ratkaisuvaihtoehdoissa keskitytään käyttäjille hajautettuun ratkaisuun, koska palvelinkapasiteettia nimenomaan ei haluta lisätä. Jos pienemmillä resursseilla varustetut yksityishenkilöt voisivat ylläpitää omia palveluitaan halvalla ratkaisulla, saavutettaisiin monia etuja. Näitä etuja ovat muun muassa mahdollisen sensuurin väheneminen, yksityisyyden suoja, kilpailun mahdollistaminen, sopeutumiskyky ja virheiden sietokyky.

Tässä työssä käsitellään sähköisiä potilaskertomuksia (EHR) sekä tiedonhakua niistä hakemistoja hyödyntäen. Aluksi työssä esitellään keskeisimmät sähköisten potilaskertomusten standardit, kuten HL7 versiot 2 ja 3, CDA ja IHE XDS sekä BPPC. Tämän jälkeen siirrytään tarkastelemaan tarkemmin potilastiedon hakemistoja. Työssä tarkastellaan erityisesti IHE XDS –profiilia, joka kuvaa hakemistoon perustuvan sähköisten potilaskertomusten tiedonvälitystavan potilastietojärjestelmien välillä. ebXML:ään pohjautuvan IHE XDS:n keskeiset komponentit ovat arkisto (Document repository), asiakirjahakemisto (Document registry), asiakirjan tuottaja (Document source) ja asiakirjan käyttäjä (Document consumer). Työssä kuvataan näiden eri komponenttien tehtävät hakemistossa. Työssä kuvataan myös potilaskertomusten hakemista käyttäen IHE XDS-hakemista sekä OWL- ja SPARQL –kieleliä. Työssä esitellään myös muutamia kansallisia potilaskertomusjärjestelmiä, kuten suomen KanTa –järjestelmä sekä Hollannin ja Singaporen kansallisia potilaskertomusten arkistot sekä yleiseurooppalainen epSOS-hanke. Pohdintaosiossa arvioidaan potilaskertomusten hakemiseen käytettävissä olevien menetelmien tehokkuutta.