Toward Quality Attribute Driven Approach to Software Architectural Design

It has been well-documented that the software architecture of any system plays a critical role in success or failure of software intensive systems. In this paper, a method has been proposed to evaluate the software architecture’s fitness with respect to key quality attributes for a web-based system. To the end, a comparative analysis based on quality attributes scenarios and tactics is carried out to select an optimal software architecture that meets the system level requirements of a web-based system, namely, Student and Course Evaluation System (SCES). The comparative study was driven by study of quality attributes and tactics with the selected architectures to select the optimal one

The Feature-Architecture Mapping Method for Feature-Oriented Development of Software Product Lines

Software Produktlinien sind die Antwort von Software Engineering auf die zu-nehmende Komplexität und kürzerenProdukteinführungszeiten von heutigen Softwaresystemen. Nichtsdestotrotz erfordern Software Produktlinien einefortgeschrittene Wartbarkeit und hohe Flexibilität. Das kann durch die angemessene Trennung der Belange erreicht werden.Merkmale stellen die Hauptbelange im Kontext von Software Produktlinien dar. Demzufolge sollte ein Merkmal idealerweise ingenau einer Architekturkomponente implementiert werden. In der Praxis ist das jedoch nicht immer machbar. Deshalb solltezumindest ein starkes Mapping zwischen Merkmalen und der Architektur bestehen. Die Methoden zur Entwicklung von SoftwareProduktlinien, die dem Stand der Technik entsprechen, führen zu bedeutender Verstreutheit und Vermischung von Merkmalen. Indieser Arbeit wird die Feature-Architecture Mapping (FArM) Methode entwickelt, um ein stärkeres Mapping zwischen Merkmalenund der Produktlinien-Architektur zu erzielen. Der Input für FArM besteht in einem initialen Merkmalmodell, das anhand einerMethode zur Domänenanalyse erstellt wurde. Dieses initiale Merkmalmodell wird einer Serie von Transformationen unterzogen.Die Transformationen streben danach, ein Gleichgewicht zwischen der Sichtweise von Kunden und Softwarearchitekteneinzustellen. Die Merkmalinteraktionen werden während der Transformationen ausdrücklich optimiert. Von jedem Merkmal destransformierten Merkmalmodells wird eine Architekturkomponente abgeleitet. Die Architekturkomponenten implementieren dieApplikationslogik der entsprechenden Merkmale. Die Kommunikation zwischen den Komponenten spiegelt die Interaktion zwischenden Merkmalen wider. Dieser Ansatz führt im Vergleich zu den Produktlinien-Entwicklungsmethoden des Stands der Technik zueinem stärkeren Mapping zwischen Merkmalen und der Architektur und zu einer höheren Variabilität auf Merkmalebene. DieseEigenschaften haben eine bessere Wartbarkeit und eine vereinfachte generative Produktinstanzierung zur Folge, was wiederumdie Flexibilität der Produktlinien steigert. FArM wurde durch ihre Anwendung in einigen Domänen evaluiert, z.B. in denDomänen von Mobiltelefonen und Integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs). Diese Arbeit wird FArM anhand einer Fallstudie inder Domäne von Künstlichen Neuronalen Netzwerken präsentieren.Software product lines are the answer of software engineering to the increasing complexity and shorter time-to-market ofcontemporary software systems. Nonetheless, software product lines demand for advanced maintainability and high flexibility.The latter can be achieved through the proper separation of concerns. Features pose the main concerns in the context ofsoftware product lines. Consequently, one feature should ideally be implemented into exactly one architectural component. Inpractice, this is not always feasible. Therefore, at least a strong mapping between features and the architecture mustexist. The state of the art product line development methodologies introduce significant scattering and tangling offeatures. In this work, the Feature-Architecture Mapping (FArM) method is developed, to provide a stronger mapping betweenfeatures and the product line architecture. FArM receives as input an initial feature model created by a domain analysismethod. The initial feature model undergoes a series of transformations. The transformations strive to achieve a balancebetween the customer and architectural perspectives. Feature interaction is explicitly optimized during the feature modeltransformations. For each feature of the transformed feature model, one architectural component is derived. Thearchitectural components implement the application logic of the respective features. The component communication reflectsthe feature interaction. This approach, compared to the state of the art product line methodologies, allows a strongerfeature-architecture mapping and for higher variability on the feature level. These attributes provide highermaintainability and an improved generative approach to product instantiation, which in turn enhances product lineflexibility. FArM has been evaluated through its application in a number of domains, e.g in the mobile phone domain and theIntegrated Development Environment (IDE) domain. This work will present FArM on the basis of a case study in the domain ofartificial Neural Networks

Engineering the pentose phosphate pathway of Saccharomyces cerevisiae for production of ethanol and xylitol

The baker s yeast Saccharomyces cerevisiae has a long tradition in alcohol production from D-glucose of e.g. starch. However, without genetic modifications it is unable to utilise the 5-carbon sugars D-xylose and L arabinose present in plant biomass. In this study, one key metabolic step of the catabolic D-xylose pathway in recombinant D-xylose-utilising S. cerevisiae strains was studied. This step, carried out by xylulokinase (XK), was shown to be rate-limiting, because overexpression of the xylulokinase-encoding gene XKS1 increased both the specific ethanol production rate and the yield from D xylose. In addition, less of the unwanted side product xylitol was produced. Recombinant D-xylose-utilizing S. cerevisiae strains have been constructed by expressing the genes coding for the first two enzymes of the pathway, D-xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) from the D-xylose-utilising yeast Pichia stipitis. In this study, the ability of endogenous genes of S. cerevisiae to enable D-xylose utilisation was evaluated. Overexpression of the GRE3 gene coding for an unspecific aldose reductase and the ScXYL2 gene coding for a xylitol dehydrogenase homologue enabled growth on D-xylose in aerobic conditions. However, the strain with GRE3 and ScXYL2 had a lower growth rate and accumulated more xylitol compared to the strain with the corresponding enzymes from P. stipitis. Use of the strictly NADPH-dependent Gre3p instead of the P. stipitis XR able to utilise both NADH and NADPH leads to a more severe redox imbalance. In a S. cerevisiae strain not engineered for D-xylose utilisation the presence of D-xylose increased xylitol dehydrogenase activity and the expression of the genes SOR1 or SOR2 coding for sorbitol dehydrogenase. Thus, D-xylose utilisation by S. cerevisiae with activities encoded by ScXYL2 or possibly SOR1 or SOR2, and GRE3 is feasible, but requires efficient redox balance engineering. Compared to D-xylose, D-glucose is a cheap and readily available substrate and thus an attractive alternative for xylitol manufacture. In this study, the pentose phosphate pathway (PPP) of S. cerevisiae was engineered for production of xylitol from D-glucose. Xylitol was formed from D-xylulose 5-phosphate in strains lacking transketolase activity and expressing the gene coding for XDH from P. stipitis. In addition to xylitol, ribitol, D-ribose and D-ribulose were also formed. Deletion of the xylulokinase-encoding gene increased xylitol production, whereas the expression of DOG1 coding for sugar phosphate phosphatase increased ribitol, D-ribose and D-ribulose production. Strains lacking phosphoglucose isomerase (Pgi1p) activity were shown to produce 5 carbon compounds through PPP when DOG1 was overexpressed. Expression of genes encoding glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase of Bacillus subtilis, GapB, or NAD-dependent glutamate dehydrogenase Gdh2p of S. cerevisiae, altered the cellular redox balance and enhanced growth of pgi1 strains on D glucose, but co-expression with DOG1 reduced growth on higher D-glucose concentrations. Strains lacking both transketolase and phosphoglucose isomerase activities tolerated only low D-glucose concentrations, but the yield of 5-carbon sugars and sugar alcohols on D-glucose was about 50% (w/w).Polttoaine-etanolin valmistaminen uusiutuvasta raaka-aineesta, kuten kasvimateriaalista, on tärkeää fossiilisten raaka-aineiden rajallisuuden ja ilmastonmuutoksen takia. Saccharomyces cerevisiae -leivinhiiva pystyy tuottamaan tehokkaasti etanolia glukoosista, mutta se ei pysty käyttämään kasvimateriaalin viisihiilisiä sokereita, ksyloosia ja arabinoosia, ilman geneettistä muokkausta. Tutkimuksessa havaittiin, että yksi ksyloosi-sokerin käyttöä rajoittava tekijä on ksylulokinaasi-entsyymi. Lisäämällä tämän entsyymin määrää solussa sekä etanolin tuottonopeus että saanto ksyloosista kasvoivat. Lisäksi ksylitoli-sivutuotteen määrä pieneni. Ksyloosia käyttäviin leivinhiivakantoihin on tuotu tämän sokerin käytön mahdollistavat entsyymit ksyloosi reduktaasi (XR) ja ksylitoli dehydrogenaasi (XDH) ksyloosia luontaisesti käyttävästä Pichia stipitis -hiivasta. Tutkimuksessa osoitettiin, että myös leivinhiivasta itsestään löytyvät geenit GRE3 ja ScXYL2, joiden koodaamilla entsyymeillä on vastaavasti XR ja XDH aktiivisuutta, mahdollistavat kasvun ksyloosilla. GRE3 ja ScXYL2 geenien avulla rakennettu leivinhiivakanta ei kuitenkaan ollut yhtä tehokas kuin vastaava P. stipitis -hiivan geenejä ilmentävä kanta, johtuen Gre3- ja P. stipitis -hiivan XR-entsyymien erilaisista kofaktori vaatimuksista. Jotta leivinhiivan omia entsyymejä voitaisiin hyödyntää kantarakennuksessa, olisi ensin löydettävä tehokkaita keinoja ksyloosi-reitin hapetus-pelkistys tasapainon parantamiseen. Ksyloosi-sokeria on perinteisesti käytetty ksylitolin valmistamiseen. Ennen kemiallista prosessia ksyloosi pitää kuitenkin eristää puumateriaalista. Elintarviketeollisuudessa laajalti käytetty glukoosi-sokeri olisi halpa ja helposti saatavilla oleva vaihtoehto ksylitolin raaka-aineeksi. Tutkimuksessa osoitettiin, että leivinhiiva voidaan muokata tuottamaan ksylitolia, ribitolia ja riboosia glukoosista poistamalla joko sen transketolaasi- tai fosfoglukoosi-isomeraasi-aktiivisuutta koodaavat geenit tai molemmat. Näiden viisihiilisten sokerien ja sokerialkoholien määrää ja suhteita voitiin lisäksi muuttaa tuottamalla Dog1-sokerifosfataasi aktiivisuutta, poistamalla ksylulokinaasi aktiivisuus ja erilaisilla hapetus-pelkistystasapainoon vaikuttavilla entsyymeillä

Gram-negatiivisten bakteerien ulkokalvon heikentäminen : Keino parantaa mikrobiologista turvallisuutta

Gram-negative bacteria are harmful in various surroundings. In the food industy their metabolites are potential cause of spoilage and this group also includes many severe or potential pathogens, such as Salmonella. Due to their ability to produce biofilms Gram-negative bacteria also cause problems in many industrial processes as well as in clinical surroundings. Control of Gram-negative bacteria is hampered by the outer membrane (OM) in the outermost layer of the cells. This layer is an intrinsic barrier for many hydrophobic agents and macromolecules. Permeabilizers are compounds that weaken OM and can thus increase the activity of antimicrobials by facililating entry of hydrophobic compounds and macromolecules into the cell where they can reach their target sites and inhibit or destroy cellular functions. The work described in this thesis shows that lactic acid acts as a permeabilizer and destabilizes the OM of Gram-negative bacteria. In addition, organic acids present in berriers, i.e. malic, sorbic and benzoic acid, were shown to weaken the OM of Gram-negative bacteria. Organic acids can poteniate the antimicrobial activity of other compounds. Microbial colonic degradation products of plant-derived phenolic compounds (3,4-dihydroxyphenylacetic acid, 3-hydroxyphenylacetic acid, 3,4-dihydroxyphenylpropionic acid, 4-hydroxyphenylpropionic acid, 3-phenylpropionic acid and 3-hydroxyphenylpropionic acid) efficiently destabilized OM of Salmonella. The studies increase our understanding of the mechanism of action of the classical chelator, ethylenediaminetetra-acetic acid (EDTA). In addition, the results indicate that the biocidic activity of benzalkonium chloride against Pseudomonas can be increased by combined use with polyethylenimine (PEI). In addition to PEI, several other potential permeabilizers, such as succimer, were shown to destabilize the OM of Gram-negative bacteria. Furthermore, combination of the results obtained from various permeability assays (e.g. uptake of a hydrophobic probe, sensitization to hydrophobic antibiotics and detergents, release of lipopolysaccharide (LPS) and LPS-specific fatty acids) with atomic force microscopy (AFM) image results increases our knowledge of the action of permeabilizers.Gram-negatiivisten bakteerien ryhmään kuuluu laaja joukko haittamikrobeja, esimerkiksi potentiaalisia patogeeneja (kuten salmonella) ja elintarvikkeissa esiintyviä pilaajamikrobeja. Monille Gram-negatiivisille bakteereille on ominaista kyky kasvaa pinnoilla ja muodostaa biofilmiä, minkä vuoksi ne aiheuttavat ongelmia teollisuudessa sekä kliinisissä ympäristöissä. Gram-negatiivisille bakteereille ominainen ulkokalvorakenne heikentää monien antimikrobisten yhdisteiden kulkeutumista solun sisään, minkä vuoksi Gram-negatiivisten bakteereiden kasvun estäminen on hankalaa. Permeabilisaattorit ovat yhdisteitä, jotka kykenevät vaurioittamaan Gram-negatiivisten bakteereiden ulkokalvorakennetta ja mahdollistavat hydrofobisten yhdisteiden, kuten antibioottien ja desinfektioaineiden, kulkeutumisen solun sisään, jossa ne pääsevät reagoimaan vaikutuskohteidensa kanssa. Tässä työssä osoitettiin, että maitohappo ja lukuisat muut orgaaniset hapot (kuten bentsoe-, omena- ja sorbiinihappo, joita luontaisesti esiintyy marjoissa) heikensivät Gram-negatiivisten bakteerien ulkokalvoa. Orgaaniset hapot voivat tehostaa antimikrobisten yhdisteiden vaikutuksia. Suolistossa marjojen sisältämistä fenoliyhdisteistä muodostuvien mikrobien metaboliatuotteiden (fenyylipropioni- ja etikkahappojohdannaisia) osoitettiin heikentävän salmonellan ulkokalvoa ja herkistävän ne hydrofobisille antibiooteille. Lisäksi työssä selkiytettiin klassisen permeabilisaattorin, EDTA-kelaattorin, vaikutusmekanismeja salmonellaa kohtaan. Yhdistämällä useita permeabilisaattoriominaisuuksia mittaavia menetelmiä ja atomivoimamikroskopian antamat tulokset havaittiin, että polyetyleeni-imiini voimakkaasti vaurioitti Pseudomonas-bakteerien ulkokalvoa ja herkisti solut kvaternaariselle bentsalkoniumkloridi-biosidille. Yhdistämällä permeabilisaattoreiden käyttö antimikrobisiin yhdisteisiin voidaan laajentaa antimikrobisten yhdisteiden vaikutuksia Gram-negatiivisiin bakteereihin. Orgaanisten happojen salmonellan ulkokalvoa heikentävä vaikutus selittää osittain esimerkiksi maitohappobakteerien luontaisen kyvyn estää näiden haittamikrobien kasvua

Protein cross-linking with oxidative enzymes and transglutaminase : Effects in meat protein systems

The effects of tyrosinase, laccase and transglutaminase (TG) were studied in different meat protein systems. The study was focused on the effects of the enzymes on the gel formation properties of myofibrils, and on the textural and water-holding properties of the heated meat systems. The cross-linking efficiency of a novel Trichoderma reesei tyrosinase was compared to that of the commercial Agaricus bisporus tyrosinase. Trichoderma tyrosinase was found to be superior compared to the Agaricus enzyme in its protein cross-linking efficiency and in the incorporation of a small molecule into a complex proteinaceous substrate. Tyrosinase, laccase and TG all polymerised myofibrillar proteins, but laccase was also found to cause protein fragmentation. A positive connection between covalent cross-link and gel formation was observed with tyrosinase and TG. Laccase was able to increase the gel formation only slightly. With an excessive laccase dosage the gel formation declined due to protein fragmentation. Tyrosinase, laccase and TG had different effects on the texture and water-holding of the heated chicken breast meat homogenates. Tyrosinase improved the firmness of the homogenate gels free of phosphate and with a low amount of meat. TG improved the firmness of all studied homogenates. Laccase weakened the gel firmness of the low-meat, low-salt and low-salt/phosphate homogenates and maintained the firmness on the control level in the homogenate free of phosphate. Tyrosinase was the only enzyme capable of reducing the weight loss in the homogenates containing a low amount of meat and a low amount of NaCl. TG was the only enzyme that could positively affect the firmness of the homogenate gel containing both low NaCl and phosphate amounts. In pilot scale the test products were made of coarsely ground chicken breast fillet with a moderate amount of salt. Increasining the amount of meat, salt and TG contents favoured the development of firmness of the test products. The evaporation loss decreased slightly along with increasing TG and NaCl amounts in the experimental conditions used, indicating a positive interaction between these two factors. In this work it was shown that tyrosinase, laccase and TG affected the same myofibrillar proteins, i.e. myosin and troponin T. However, these enzymes had distinguishable effects on the gel formation of a myofibril system as well as on the textural and water-holding properties of the finely ground meat homogenates, reflecting distinctions at least in the reaction mechanisms and target amino acid availability in the protein substrates for these enzymes.Työssä verrattiin elintarviketeollisuudelle tuntemattomien hapettavien entsyymien tyrosinaasin ja lakkaasin sekä teollisessa mitassa paljon käytetyn transferaasiensyymin transglutaminaasin (TG) katalysoimien kovalenttisten ristisidosten vaikutuksia myofibrilliproteiinien geelinmuodostukseen sekä jauhetun ja kuumennetun lihan rakenteeseen ja vedensidontaan. Lisäksi uuden Trichoderma reesei- ja kaupallisen Agaricus bisporus- tyrosinaasin ristisidontatehokkuutta verrattiin toisiinsa käyttäen substraatteina lyhyitä peptidejä, liukoisia proteiineja ja proteiinikuitua. Trichoderma tyrosinaasin havaittiin olevan tehokas ristisidosten muodostaja proteiinimatriiseissa, toisin kuin Agaricus entsyymin, joka suosi pienimolekyylisiä substraatteja. Tämän tuloksen perusteella oli perusteltua tutkia Trichoderman tyrosinaasin käyttäytymistä myös lihaproteiinisysteemeissä. Tyrosinaasi, lakkaasi ja TG polymeroivat samoja myofibrilliproteiineja, myosiinia ja troponiini T:tä. Lakkaasin todettiin lisäksi pilkkovan näitä proteiineja. Myofibrillien geelinmuodostus tehostui tyrosinaasin ja TG:n katalysoimien ristisidosten vaikutuksesta. Lakkaasin proteiinia pilkkova ominaisuus havaittiin geelinmuodostuksen heikkenemisenä. Mainituilla entsyymeillä todettiin olevan toisistaan poikkeavat vaikutukset broilerin rintalihasta valmistetun kuumennetun homogenaatin rakenteeseen ja vedensidontaan. Tyrosinaasi paransi fosfaatittoman ja alhaisen lihapitoisuuden sisältävän homogenaatin rakennetta. TG paransi rakennetta lisäksi myös homogenaatissa, jossa oli alhainen suolapitoisuus. TG oli rakenteen kiinteyttäjänä selvästi tutkituista entsyymeistä tehokkain. TG:n rakennetta parantavat vaikutus on entuudestaan tunnettu ja sitä hyödynnetään teollisesti useissa liha- ja maitotuotteissa. Lakkaasi pääsääntöisesti heikensi rakennetta. Tyrosinaasin todettiin olevan entsyymeistä ainoa, joka pystyi parantamaan lihasysteemien vedensidontaa. TG:lla ja lakkaasilla vedensidontaominaisuus yleisesti heikkeni. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että tyrosinaasi, lakkaasi ja TG reagoivat samojen myofibrilliproteiinien kanssa, vaikka näillä entsyymeillä on erilaiset reaktiomekanismit ja ne katalysoivat sidoksia osin eri aminohappotähteiden välille. Kuitenkin nämä entsyymit aiheuttivat toisistaan selkeästi eroavia vaikutuksia myofibrillien geelin muodostukseen sekä jauhetun, kuumennetun lihan rakenne- ja vedensidontaominaisuuksiin. Tyrosinaasin todettiin olevan mielenkiintoinen uusi entsyymi lihasysteemien vedensidonnan parantajana

Teollisuuden häiriöpäästöjen hallinnan kehittämishaasteet

Teollisuuden suunniteltujen päästöjen eli jatkuvien päästöjen vähentämisessä on viime vuosina onnistuttu hyvin. Teollisessa toiminnassa aiheutuu kuitenkin ajoittain häiriötilanteita, joista seuraa suunnittelemattomia päästöjä eli häiriöpäästöjä ympäristöön. Suomessa ei ole olemassa järjestelmällistä tietoa siitä, kuinka paljon häiriöpäästöjä tapahtuu ja mikä on niiden ympäristönsuojelullinen merkitys. Häiriöpäästöjen ennaltaehkäisy on kuitenkin teollisuuden ja muun yhteiskunnan yhteinen tavoite. Väitöskirjatutkimukseni tavoitteet ovat: (1) muodostaa käsitys teollisten prosessien häiriöpäästöjen merkityksestä ympäristönsuojelussa, (2) kuvata suomalaisen julkisen ympäristöhallinnon häiriöpäästöistä aiheutuvien haitallisten ympäristö-vaikutusten ennaltaehkäisyn ja hallinnan käytäntöjä, (3) verrata näitä käytäntöjä teollisuuslaitoskohtaisen häiriöttömän toiminnan johtamisen edellytyksiin sekä (4) tunnistaa häiriöpäästöjen hallintaan liittyviä kehittämishaasteita. Olen lähestynyt tutkimuskysymyksiäni toimintatutkimuksen, tapaustutkimuksen sekä dokumenttien ja haastattelujen avulla. Toimintatutkimuksen ympäristönä toimi YMPÄRI-hanke, jossa laadimme yhdessä Suomen ympäristökeskuksen (SYKE), Turvatekniikan keskuksen (TUKES), ympäristöviranomaisten, yritysten, konsulttien ja sertifiointilaitosten edustajien kanssa suositukset teollisuuden häiriöpäästöjen ympäristöriskianalyysille. Tapaustutkimuksena käsittelin UPM-Kymmene Oyj Kaukaan tehtaitten kesällä 2003 tapahtuneita häiriöpäästöjä. Pirkanmaan ympäristökeskuksen häiriöpäästökirjanpidon, erilaisten dokumenttien ja haastattelujen avulla tarkensin ja täydensin toiminta- ja tapaustutkimuksiani. Tutkimukseni tuloksena esitän, että teollisuuden häiriöpäästöt ovat ympäristönsuojelun kannalta merkityksellisiä päästöjä. Häiriöpäästöillä näyttää olevan erityisesti merkitystä teollisten prosessien biologisten puhdistamoiden toimintakyvyn sekä yhteiskunnallisten, erityisesti ihmisten viihtyvyyteen vaikuttavien seurausten kannalta. Jäsennän häiriöpäästöjen hallinnan kehittämishaasteet kehysanalyysin avulla. Tunnistan teollisuuden ympäristöriskien hallinnasta kolme mahdollista kehystä: normikehys, riskien johtamisen kehys ja suuronnettomuuksien hallinnan kehys. Normikehyksen mukaisessa toiminnassa korostuvat päästöluvat ja raja-arvot. Riskien johtamisen kehyksen mukaisessa toiminnassa teollisen prosessin riskien hallintaa tarkastellaan sosioteknisenä kokonaisuutena prosessin johtamisjärjestelmien toimivuuden näkökulmasta. Suuronnettomuuksien hallinnan kehyksen mukaisessa toimintamallissa korostetaan suuronnettomuuksien hallintaa ja vaarallisia kemikaaleja. Suomen ympäristöhallinto noudattaa pääosin teolliseen toimintaan kohdistuvan ympäristönsuojelun käytännöissään normikehyksen mukaisia toimintatapoja. Riskien johtamisen osalta viitataan suuronnettomuuksien hallintaan liittyviin velvoitteisiin. Häiriöpäästöjen hallinnan kannalta tämä on ongelmallista, sillä häiriöpäästölle ei voi myöntää lupaa ja toisaalta myös pienistä häiriöpäästöistä ja vaarattomista aineista voi syntyä ympäristöhaittaa. Ympäristöviranomaiset eivät tutkimuksessa muodostamani näkemyksen mukaan nykyisen kaltaisessa toimintamallissa kykene huomioimaan häiriöpäästöjen hallintaan liittyviä riskienhallinnan erityispiirteitä tyydyttävästi. Esitän, että riskien johtamisen kehyksen mukaiset toimintamallit tulisi huomioida teollisen toiminnan ympäristöriskien hallinnassa nykyistä järjestelmällisemmin. Riskien johtamisen kehyksen mukaisessa toiminnassa teollinen prosessi käsitetään sosiotekniseksi kokonaisuudeksi, jonka toiminnan kannalta sekä prosessin teknisen suorituskyvyn että ihmisten ja organisaation käytäntöjen tulee olla turvallisuushakuisia. Yritysten vapaaehtoiset ympäristöjärjestelmät ovat oikealla tavalla sovellettuna tämän sosioteknisen prosessin riskien hallinnan kannalta hyödyllisiä toimintatapoja. Ympäristöviranomainen olisi riskien johtamisen kehyksestä katsottuna entistä enemmän teollisten prosessien turvallisen toiminnan kehittäjä yhdessä yritysten kanssa eikä ainoastaan toimintaa valvova ja vahtiva toimija.Industrial processes typically are associated with unplanned accidental emissions to the environment. These undesired events can be detrimental to the positive development of environmental protection. There is no general knowledge about how often these accidental emissions occur, and moreover, how harmful they are to the environment. However, the prevention of accidental emissions is a common concern to all society ­ including industry. The aims of my study involved: (1) determining the significance of accidental emissions to the environment, (2) describing how Finnish environmental au-thorities attempt to prevent industrial accidental emissions, (3) comparing these practices to the theoretical prerequisites of risk management at industrial sites, and (4) identifying the development challenges of accidental emissions at indus-trial sites. I have applied action research, a case study, document analysis and interviews to achieve the objectives as stated above. The Technical Research Centre of Finland (VTT), the Finnish Environment Institute (SYKE), the Finnish Ministry of the Environment (YM), and the Safety Technology Authority (TUKES) initi-ated a development process for the ENVIronmental RIsk analysis (ENVIRI; in Finnish the project is called YMPÄRI), which constituted the environment of my action research. The aim of the process was to create a guideline for per-forming an environmental risk analysis. My case study was associated with the UPM Kaukas pulp mill s accidental emissions of the summer 2003. Accidental emission reports in the Regional Environment Centre of Pirkanmaa, together with various documents and interviews, augmented my action research and case study. As a result I claim that accidental industrial emissions constitute a significant part of environmental load associated with industrial activities. Accidental emissions seem to especially disturb the function of biological water treatment systems, and cause societal consequences. Frame analysis was used to structure the development challenges associated with accidental emissions. Accordingly, there are three types of frames in the governance of environmental risk: norm frame, risk management frame, and major accident management frame. Environmental permits and emission limits are crucial in the norm frame, while in the risk management frame, the focus is on the management system of the socio-technical industrial process. The major accident management frame places much emphasis on the prevention of major accidents and the management of dangerous chemicals. The norm frame predominates in Finnish environmental governance. The major accident management frame is also recognised as an important part of risk management. These focuses are problematic from the point of view of the prevention of accidental emissions, because there can not be a permit for accidental emissions, and on the other hand also incidental emissions as well as non-dangerous emissions can cause harm to the environment. I claim that environmental au-thorities are not capable of governing the prevention of industrial accidental emissions in the existing governance culture of environmental risks. I suggest that the risk management frame should be adopted as the prevalent reference for matters related to the prevention of accidental industrial emissions. In so doing, the nature of the industrial process as a socio-technical entity could also be addressed, and the safety performance of process technology, personnel and organisation would be considered. Environmental management systems are good tools for managing socio-technical processes. Environmental authorities could jointly develop the safety potential of industrial sites together with the companies ­ not just as an inspector, but also as a partner

Model-Driven Development of Control Applications: On Modeling Tools, Simulations and Safety

Control systems are required in various industrial applications varying from individual machines to manufacturing plants and enterprises. Software applications have an important role as an implementation technology in such systems, which can be based on Distributed Control System (DCS) or Programmable Control System (PLC) platforms, for example. Control applications are computer programs that, with control system hardware, perform control tasks. Control applications are efficient and flexible by nature; however, their development is a complex task that requires the collaboration of experts and information from various domains of expertise.This thesis studies the use of Model-Driven Development (MDD) techniques in control application development. MDD is a software development methodology in which models are used as primary engineering artefacts and processed with both manual work and automated model transformations. The objective of the thesis is to explore whether or not control application development can benefit from MDD and selected technologies enabled by it. The research methodology followed in the thesis is the constructive approach of design science.To answer the research questions, tools are developed for modeling and developing control applications using UML Automation Profile (UML AP) in a model-driven development process. The modeling approach is developed based on open source tools on Eclipse platform. In the approach, modeling concepts are kept extendable. Models can be processed with model transformation techniques that plug in to the tool. The approach takes into account domain requirements related to, for example, re-use of design. According to assessment of industrial applicability of the approach and tools as part of it, they could be used for developing industrial DCS based control applications.Simulation approaches that can be used in conjunction to model-driven development of control applications are presented and compared. Development of a model-in-the-loop simulation support is rationalized to enable the use of simulations early while taking into account the special characteristics of the domain. A simulator integration is developed that transforms UML AP control application models to Modelica Modeling Language (ModelicaML) models, thus enabling closed-loop simulations with ModelicaML models of plants to be controlled. The simulation approach is applied successfully in simulations of machinery applications and process industry processes.Model-driven development of safety applications, which are parts of safety systems, would require taking into account safety standard requirements related to modeling techniques and documentation, for example. Related to this aspect, the thesis focuses on extending the information content of models with aspects that are required for safety applications. The modeling of hazards and their associated risks is supported with fault tree notation. The risk and hazard information is integrated into the development process in order to improve traceability. Automated functions enable generating documentation and performing consistency checks related to the use of standard solutions, for example. When applicable, techniques and notations, such as logic diagrams, have been chosen so that they are intuitive to developers but also comply with recommendations of safety standards

Genetic Algorithms in Software Architecture Synthesis

Ohjelmistoarkkitehtuurien suunnittelu on kriittinen vaihe ohjelmistokehitystä, sillä arkkitehtuuri määrittelee ohjelmiston rungon: miten ohjelma jaetaan eri komponentteihin, ja miten komponentit ovat yhteydessä toisiinsa. Ohjelmisto voidaan yleensä toteuttaa toimivasti monella eri tavalla, mutta toimiva toteutus ei aina takaa, että ohjelmisto on myös toteutettu laadukkaasti. Laadun takeena onkin huolella ja taidolla suunniteltu arkkitehtuuri. Ohjelmistoarkkitehtuurin suunnittelu on haastavaa. Suunnitelmaa tehdessä tulee ottaa huomioon monen eri sidosryhmän (esim. käyttäjä, toteuttaja, markkinoija) vaatimukset ja miettiä, miten mahdollisimman suuri osa vaatimuksista voidaan toteuttaa arkkitehtuurissa. Arkkitehtuurisuunnittelu vaatiikin kokeneen ohjelmistoarkkitehdin, joka on hankkinut tietotaitonsa vuosien ajalta eri ohjelmistoprojekteista. Kokemukseen perustuvan tiedon lisäksi ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun käytäntöjä on koottu eräänlaisiksi katalogeiksi, joissa esitellään hyväksi havaittuja ratkaisuja, ns. suunnittelutyylejä ja -malleja, yleisiin arkkitehtuurisuunnitteluongelmiin. Voidaankin ajatella, että arkkitehtuuri tuotetaan etsimällä (kokemukseen nojaten) paras mahdollinen kombinaatio suunnittelumalleja ja -tyylejä. Arkkitehtuurin suunnittelu onkin siis eräänlainen optimointiongelma. Ohjelmistoista tulee jatkuvasti yhä monimutkaisempia. Sovelluksien monimutkaistuessa myös arkkitehtuurisuunnittelu muuttuu entistä vaikeammaksi ja vie yhä enemmän aikaa. Suunnittelun perustuminen hiljaiseen tietoon ja arkkitehtien kokemukseen tekee prosessista yhä hitaamman ja läpinäkymättömämmän. Arkkitehtuurisuunnittelun automatisointi toisikin suuria säästöjä. Henkilöstövaihdosten yhteydessä ei myöskään tarvitsisi pelätä tietotaidon katoamista, kun arkkitehtuurisuunnittelu olisi helposti toistettavissa aina alusta lähtien. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, miten parhaan mahdollisen ratkaisun etsintäprosessin (eli suunnittelumallien ja -tyylien soveltamisen) voisi automatisoida. Monimutkaisissa optimointiongelmissa käytetään etsintäalgoritmeja, jotka haravoivat hakuavaruutta jollain satunnaistetulla menetelmällä. Yksi suosituimmista etsintäalgoritmeista on geneettinen algoritmi. Geneettiset algoritmit tarkastelevat aina pientä ratkaisujoukkoa kerrallaan ja etsivät parasta ratkaisua yhdistelemällä osia löydetyistä ratkaisuista sekä muuntelemalla ratkaisuja. Jokaiselle ratkaisulle lasketaan laatuarvo, ja luonnonvalintaa jäljitellen jatketaan parhaiden vaihtoehtojen tarkastelua sekä kehittelyä ja hylätään huonoimmat ratkaisut. Etsintäalgoritmien käyttämistä ohjelmistokehityksen ongelmiin, esim. ohjelmistosuunnitteluun, testaukseen ja projektinhallintaan, kutsutaan etsintäperustaiseksi ohjelmistokehitykseksi. Väitöskirja kuuluu etsintäperustaisen ohjelmistosuunnittelun alaan, ja siinä tutkitaan ns. ohjelmistoarkkitehtuurisynteesiä geneettisten algoritmien avulla. Ohjelmistoarkkitehtuurisynteesi lähtee ns. nolla-arkkitehtuurista , joka toteuttaa järjestelmän toiminnalliset vaatimukset, mutta ei ota kantaa laatuvaatimuksiin. Laatua pyritään parantamaan lisäämällä lähtöarkkitehtuuriin suunnittelutyylejä ja -malleja. Väitöskirjassa laatuarviointiin on käytetty muunneltavuutta, tehokkuutta ja ymmärrettävyyttä. Lopputuloksena saadaan ehdotus arkkitehtuurista, joka toteuttaa toiminnalliset vaatimukset ja on myös laadukas. Geneettisiä algoritmeja ei ole aiemmin sovellettu vastaavantasoisiin suunnitteluongelmiin, joten toteutuksessa on kehitetty uusi tapa mallintaa arkkitehtuuri geneettiselle algoritmille sekä laskukaava arkkitehtuurin laadulle. Perustoteutuksen lisäksi myös geneettisen algoritmin eri ominaisuuksia, ns. risteytysoperaatiota ja laatufunktiota on tutkittu tarkemmin, ja niille on kehitetty vaihtoehtoisia toteutuksia. Tapaustarkasteluista saadut tulokset osoittavat, että tällä hetkellä geneettisiin algoritmeihin perustuvaa arkkitehtuurisynteesi tuottaa suunnilleen samantasoisia ratkaisuja kuin kolmannen vuosikurssin ohjelmistotekniikan opiskelija.This thesis presents an approach for synthesizing software architectures with genetic algorithms. Previously in the literature, genetic algorithms have been mostly used to improve existing architectures. The method presented here, however, focuses on upstream design. The chosen genetic construction of software architectures is based on a model which contains information on functional requirements only. Architecture styles and design patterns are used to transform the initial high-level model to a more detailed design. Quality attributes, here modifiability, efficiency and complexity, are encoded in the algorithm s fitness function for evaluating the produced solutions. The final solution is given as a UML class diagram. While the main contribution is introducing the method for architecture synthesis, basic tool support for the implementation is also presented. Two case studies are used for evaluation. One case study uses the sketch for an electronic home control system, which is a typical embedded system. The other case study is based on a robot war game simulator, which is a typical framework system. Evaluation is mostly based on fitness graphs and (subjective) evaluation of produced class diagrams. In addition to the basic approach, variations and extensions regarding crossover and fitness function have been made. While the standard algorithm uses a random crossover, asexual reproduction and complementary crossover are also studied. Asexual crossover corresponds to real-life design situations, where two architectures are rarely combined. Complementary crossover, in turn, attempts to purposefully combine good parts of two architectures. The fitness function is extended with the option to include modifiability scenarios, which enables more targeted design decisions as critical parts of the architecture can be evaluated individually. In order to achieve a wider range of solutions that answer to competing quality demands, a multi-objective approach using Pareto optimality is given as an alternative for the single weighted fitness function. The multi-objective approach evaluates modifiability and efficiency, and gives as output the class diagrams of the whole Pareto front of the last generation. Thus, extremes for both quality attributes as well as solutions in the middle ground can be compared. An experimental study is also conducted where independent experts evaluate produced solutions for the electronic home control. Results show that genetic software architecture synthesis is indeed feasible, and the quality of solutions at this stage is roughly at the level of third year software engineering students