Search

Prekomjerna uporaba različitih spojeva te poticanje industrijske i poljoprivredne proizvodnje predstavljaju svakodnevne izazove za znanstvenike i inženjere. Zbog toga je posebna pažnja usmjerena prema obećavajućim naprednim oksidacijskim procesima (NOP), koji se temelje na stvaranju i korištenju reaktivnih kemijskih spojeva za razgradnju (oksidaciju i/ili redukciju) tvari koje se ne mogu ukloniti konvencionalnim oksidansima. Heterogena fotokataliza jedan je od NOP-a gdje radikali nastaju uslijed ekscitacije fotokatalizatora s fotonima s dovoljno energije za stvaranje para elektron-šupljina. Već nekoliko desetljeća titan dioksid (TiO2) je prepoznat kao učinkovit fotokatalizator, međutim njegove modifikacije dobivaju na značaju poradi povećanja fotokatalitičke aktivnosti u području vidljivog spektra. Jedna od takvih modifikacija je dodatak ugljičnih nanocjevčica (eng. carbon nanotubes, CNT). Fotokatalizatori se koriste u suspenziji ili su imobilizirani na inertnom nosaču. Premda su fotokatalizatori u suspenziji reaktivniji od imobiliziranih, uporaba imobiliziranih fotokatalizatora je isplativija. Naime, zbog veličine čestica, izdvajanje fotokatalizatora iz pročišćene vode je složen i ekonomski neisplativ proces, dok se imobilizirani fotokatalizator može upotrijebiti višekratno. Nadalje, uz odgovarajući dizajn reaktora moguće je prevladati ograničenja prijenosa mase i fotona uslijed imobilizacije. Odgovarajući dizajn fotokatalitičkog reaktora važan je poradi iskoristivosti upadnog zračenja i primjenjivosti reaktora. Među nekoliko utvrđenih optimalnih reaktorskih konfiguracija, razmotrene su dvije izvedbe: kaskadni reaktor pločastog tipa (eng. flat plate cascade reactor, FPCR) i reaktor s paraboličnim zrcalima (eng. compound parabolic collector, CPC). FPCR oponaša primjenu u prirodnom okruženju koja se može implementirati uz niske troškove. S druge strane, CPC reaktor je odabran kao „state-of-the-art” u dizajnu zbog najveće učinkovitosti zahvaćanja i usmjeravanja zračenja u sustavu reaktora. Glavni cilj ove disertacije bio je istražiti utjecaj faktora intenzifikacije na učinkovitost i primjenjivost solarne fotokatalize temeljene na razgradnji 1H-benzotriazola (1H-BT). 1H-BT je odabran kao modelno onečišćivalo u istraživanju zbog svoje široke primjene u industriji i svakodnevnom životu, a upravo zbog toga je detektiran u prirodnim vodama u koncentracijama od nano do mikrograma po litri. Dosadašnja istraživanja ukazala su na izravnu fotolizu 1H-BT-a pri UV spektru s najučinkovitijom degradacijom pri UV-C spektru zračenja. Dominantniju ulogu uklanjanja 1H-BT-a u prirodnom okolišu ima neizravna fotoliza ili reakcija s reaktivnim kratkoživućim česticama. 1H-BT je relativno dugo postojan u okolišu budući da se ne razgrađuje u vidljivom spektru zračenja. U površinskim vodama podložan je reakcijama s drugim tvarima pri čemu mogu nastati toksičniji spojevi ukoliko nema mineralizacije. Nedavna istraživanja ukazala su na važnost sudjelovanja radikala u reakcijama razgradnje 1H-BT-a. Ipak, istraživanja su također ukazala na negativan utjecaj klora u NOP-ima zbog nastajanja štetnijih produkata razgradnje po vodeni okoliš. Poradi navedenog, pozornost je usmjerena prema analizi visoke razlučivosti, osjetljivosti i točnosti detektiranja masa koju omogućuje hibridni Q-TOF LC/MS sustav analize (eng. quadrupole time of flight liquid chromatography/ mass spectrometry, kvadrupolno vrijeme leta spregnuto s tekućinskom krmatografijom i masenom spektrometrijom). Stoga, u ovoj doktorskoj disertaciji, cilj je bio istražiti kako faktori intenzifikacije, prvenstveno modifikacija fotokatalizatora, različit dizajn reaktora te upadno zračenje utječu na učinkovitost i primjenjivost solarne fotokatalize. U te svrhe postavljeni su sljedeći ciljevi: (i) razviti matematički model uzimajući u obzir upadno zračenje i brzinu apsorpcije fotona na površini fotokatalizatora (lokalnu ili globalnu) te dinamiku fluida u odabranim reaktorima kako bi se dobila stvarna brzina reakcije; (ii) odrediti mehanizme fotokatalitičke razgradnje 1H-BT-a u korelaciji s različitim pristupima intenzifikacije procesa u uvjetima neutralnog pH te (iii) predložiti optimalne parametre za primjenu fotokatalize u realnim uvjetima na temelju usporedne procjene životnog ciklusa različitih pristupa intenziviranja fotokatalize, te korištenjem sunčevog zračenja. Temeljem zadanih ciljeva, postavljene su četiri hipoteze: (H1) razgradnja 1H-BT-a s fotokatalizatorom TiO2/CNT sa simuliranom sunčevom svjetlošću učinkovitija je u usporedbi s TiO2; (H2) postojeći kinetički modeli s lokalnom volumetrijskom brzinom apsorpcije fotona mogu se modificirati i primijeniti za modeliranje razgradnje 1H-BT-a u FPCR i CPC reaktorima; (H3) fotokatalitički produkti razgradnje 1H-BT-a značajno su manje prisutni u odnosu na rezultate fotolize 1H-BT-a; i (H4) fotokataliza pri sunčevom zračenju s fotokatalizatorom aktivnim i u vidljivom dijelu spektra optimalna je za uvećanje procesa i primjenu u realnim uvjetima na temelju usporedne procjene životnog ciklusa procesa (eng. life cycle assessment, LCA). Dakle, što se tiče prve hipoteze, temeljem dobivenih eksperimentalnih podataka i smanjenja koncentracije 1H-BT-a može se zaključiti kako fotokataliza s TiO2/CNT nije učinkovitija od fotokatalize s TiO2 u oba slučaja primjene FPCR i CPC reaktora. Međutim, daljnja analiza najnovijom metodom visoke rezolucije, hibridnim Q-TOF LC/MS, omogućila je identifikaciju produkata razgradnje nastalih tijekom fotokatalize. S novim uvidom bilo je moguće primijetiti kako je modifikacija TiO2 s CNT-om pokrenula drugačiji reakcijski mehanizam u CPC reaktoru. Primjerice, uslijed raspada triazolnog prstena 1H-BT-a u sustavu se može pojaviti produkt razgradnje s istim fragmentacijskim uzorkom raspada kao 1H-BT. S druge strane, reakcijski put razgradnje 1H-BT-a u FPCR-u bio je vođen hidroksilacijom i raspadom benzenskog prstena. Veća površina imobiliziranog fotokatalizatora u FPCR-u (15,6x) u usporedbi s CPC reaktorom pokazala je da je fotokataliza površinski fenomen te je dodavanje CNT-a doprinijelo adsorpciji. S aspekta toksičnosti produkta razgradnje, adsorpcija pozitivno doprinosi budući da hidroksilirane tvari imaju nešto veći negativan utjecaj na okoliš. Stoga se može reći kako razgradnja 1H-BT-a nije nužno učinkovitija s TiO2/CNT u usporedbi s TiO2 pod simuliranim sunčevim svjetlom. Međutim, s aspekta reakcijskih mehanizama TiO2/CNT doprinosi poboljšanju fotokatalize i ekološki prihvatljivijoj fotokatalizi. Što se tiče druge hipoteze, razvijen je kinetički model s masenom bilancom te je uspješno primijenjen za razgradnju 1H-BT-a neovisno o postavkama reaktora i različitoj formulaciji fotokatalizatora. Uvođenje intrinzičkih parametara omogućilo je određivanje stvarne konstante brzine reakcije za BT (ki=3.54×10−10 s−1W−0.5m1.5) primjenjive u svim postavkama, dok je doprinos formulacije fotokatalizatora i postavki reaktora opisan odgovarajućim indeksima, Ycat=0.769 and YRD=25. Kao što je navedeno u disertaciji, 1H-BT je podložan fotolizi pod UV zračenjem, odnosno UV-C zračenju, dok to nije slučaj s UV-A i UV-B zračenjem. Međutim, pomoću fotokatalizatora i UV/vis zračenja moguće je razgraditi 1H-BT na manje štetne produkte razgradnje. Naposljetku, korištenje prirodnog zračenja poželjno je za proces razgradnje, zbog manje potrošnje energije kao i zbog većeg udjela zračenja. Stoga je određena prethodno spomenuta stvarna konstanta brzine reakcije za 1H-BT, čime je postignut prvi cilj ovog rada. Štoviše, predloženi su mehanizmi razgradnje u korelaciji s različitim procesima intenzifikacije. Naime, dok je u FPCR-u hidroksilacija dominantan reakcijski put cijepanja benzena s naglašenom adsorpcijom kada je korišten TiO2/CNT, u CPC reaktoru put razgradnje ide prema reakciji nukleofilne adicije i cijepanju triazolskog prstena. Time je postignut drugi cilj ovog rada. U konačnici, temeljem komparativne LCA, predložena je fotokataliza pod prirodnim sunčevim zračenjem kao optimalno rješenje za buduće skaliranje. Ovim radom utvrdio se utjecaj različitih intenzifikacijskih faktora na učinkovitost solarne fotokatalize. Određivanje stvarne konstante brzine reakcije omogućit će daljnja proučavanja novih fotokatalitičkih materijala i njihovu bržu implementaciju u pilot i realnim sustavima obrade otpadnih voda. Predloženi mehanizmi razgradnje 1H-BT-a omogućili su utvrđivanje toksičnog utjecaja i razmatranje uklanjanja kako 1H-BT-a tako i drugih onečišćivala i u vodenim sustavima poput podzemnih voda gdje je utvrđena pojava istih. LCA metodologija primijenjena je za proučavanje različitih fotokatalitičkih intenzifikacijskih pristupa te korištenje sunčevog zračenja u odnosu na umjetne izvore zračenja radi utvrđivanja najprihvatljivijeg s aspekta utjecaja na okoliš, što čini predloženi rad pionirskim u užem području inženjerstva okoliša. The intensive use of various compounds and the promotion of industrial and agriculture production are daily challenges for scientists and engineers. Consequently, removing micropollutants from waters has become one of humankind's priorities. Accordingly, the efforts have been directed towards promising advanced oxidation processes (AOPs) based on the generation and use of radicals, powerful chemical species for the removal (oxidation/reduction) of substances that conventional oxidants cannot remove. One of the AOPs is heterogeneous photocatalysis. Radicals are formed after photocatalyst's excitations by photons with sufficient energy for electron/hole pair generation. For several decades, titanium dioxide (TiO2) has been recognized as an efficient photocatalyst. However, modifications of TiO2 are gaining importance due to the photocatalytic intensification in the visible spectra range. One such improvement is the one with carbon nanotubes (CNT). Photocatalysts are either used in suspensions or immobilised on an inert support. Suspended photocatalysts tend to be more reactive. However, the use of an immobilised photocatalyst is more cost-effective and versatile due to the reusability issues. Namely, separating the photocatalyst from purified water is a complex and economically unprofitable process. Moreover, it is possible to overcome mass and photon transfer limitations due to immobilisation with an appropriate reactor design. Furthermore, appropriate reactor design is essential due to the usability of incident irradiation and reactor applicability. Among the few reported optimal reactor designs, two different setups were considered hereby, a flat-plate cascade reactor (FPCR) and a compound parabolic collector (CPC) reactor. The FPCR was chosen since it mimics an outdoor system application which can be implemented at a low cost. Meanwhile, the CPC reactor was selected as the state-of-the-art in design regarding its favourable properties such as the highest effectiveness of irradiation capture in the reactor system. Therefore, the main goal of this dissertation was to study the impact of the intensification factors on the efficiency and applicability of solar photocatalysis based on 1H-benzotriazole (1H-BT) degradation. The photocatalyst modification and reactor setup were selected as intensification factors. Modelled pollutant 1H-BT was chosen due to its wide application in industrial and everyday life, for which it has been detected in natural waters from nano to microgram per litre concentrations. Previous studies have proved direct photolysis of 1H-BT under UV light with the most efficient degradation in UV-C spectra. A more dominant role of 1H-BT removal in the natural environment is indirect photolysis or reaction with reactive transient species. Nevertheless, due to the insensitivity to visible light, 1H-BT is relatively long persistent in the environment. In surface waters, it is subjected to reactions with other species where more toxic compounds can be formed if there is no mineralization. Recent studies have demonstrated the importance of radicals in 1H-BT removal reactions. Yet, a negative impact was reported when chlorine was used in the AOPs due to the generation of more harmful degradation products for the aquatic environment. To avoid such a scenario, an analysis with a high mass resolution, full-scan sensitivity, and mass accuracy provided by a hybrid Q-TOF LC/MS (quadrupole time of flight, liquid chromatography coupled with mass spectrometry) system is gaining attention in the detection of degradation products. Accordingly, the following objectives were established: (i) a development of a mathematical model including irradiation terms and a rate of photon absorption over photocatalyst surface (local or global) and fluid dynamics in chosen reactors to obtain intrinsic reaction rate; (ii) determination of 1H-BT photocatalytic degradation pathways in correlation with different intensification approaches under neutral pH conditions and (iii) proposition of optimal parameters for accurate scale photocatalytic process based on comparative life cycle assessment (LCA) of various photocatalysis intensification approaches and the use of natural sunlight. Based on the dissertation objectives, four hypotheses were formulated. The first hypothesis (H1) states that 1H-BT degradation is more effective with TiO2/CNT photocatalyst under simulated solar light than TiO2. The second hypothesis (H2) states that existing kinetic models with the local volumetric rate of photon absorption can be modified for 1H-BT degradation in FPCR and CPC reactors. The third hypothesis (H3) states that photocatalytic degradation products of 1H-BT degradation are negligible compared to ones obtained by photolysis alone. And the fourth hypothesis (H4) states that photocatalysis under natural irradiation with UV/vis intensified photocatalyst is optimal for scale-up and real-scale application based on the comparative LCA. Therefore, regarding the first hypothesis and observed experimental data of 1H-BT concentration decreasing, it could be concluded that photocatalysis with TiO2/CNT is not more efficient than photocatalysis with TiO2 in both cases when FPCR and CPC reactors were applied. However, further analysis by the newest high-resolution techniques, a hybrid Q-TOF LC/MS, enabled the identification of degradation products formed during photocatalysis. With unique insight, it was possible to identify that modification of TiO2 with CNT had triggered different 1H-BT degradation mechanisms in the CPC reactor. Also, the degradation product with the same fragmentation pattern as the 1H-BT can occur in the system due to triazole ring breakage. On the other hand, the reaction pathway of 1H-BT degradation in FPCR was governed by hydroxylation and benzene ring breakage. Furthermore, the larger surface of the immobilised photocatalyst in the FPCR (15.6x) compared to the CPC reactor demonstrated that photocatalysis is a surface phenomenon. Therefore, the addition of CNT increased adsorption. Regarding the toxicity of degradation by-products, the adsorption was favourable in the FPCR since hydroxylated species pose a slightly greater negative impact on the environment. Therefore, it can be said that 1H-BT degradation is not necessarily more effective with TiO2/CNT compared to TiO2 under simulated solar light. However, from the aspects of reaction mechanisms, TiO2/CNT contributes to photocatalysis enhancement and environmentally friendlier photocatalysis. Regarding the second hypothesis, a kinetic model with mass balance was developed and successfully applied for 1H-BT degradation independently on reactor setup and different photocatalysts formulation. The introduction of intrinsic parameters enabled the determination of the intrinsic reaction rate constant for 1H-BT (ki=3.54×10−10 s−1W−0.5m1.5) applicable in all setups, while the contribution of a photocatalyst formulation and reactor setups was described with appropriate indexes, Ycat=0.769 and YRD=25, respectively. As was discussed in the dissertation, 1H-BT is subjected to photolysis under UV, namely UV-C light, while that is not the case with UV-A and UV-B light. However, with the assistance of photocatalysts, it is possible to degrade 1H-BT using UV/vis light and obtain less harmful degradation products. And lastly, natural irradiation is favourable for the degradation process due to less energy consumption and the higher proportion of irradiation. Therefore, the constant of the intrinsic reaction rate for 1H-BT was determined by which the first objective of this dissertation was achieved. Moreover, the mechanism’s degradation pathways were proposed in correlation with different intensification processes. In the FPCR setup, hydroxylation is the dominant reaction pathway of benzene cleavage with emphasized adsorption when TiO2/CNT is used. In the CPC reactor, the degradation pathway suggested nucleophilic addition reaction and triazole separation. As mentioned, the second objective of this dissertation was achieved. Finally, based on the comparative LCA, photocatalysis under natural sunlight was proposed as the optimum for scaling. Therefore, the influence of various intensification factors on solar photocatalysis application was determined. The intrinsic reaction rate constant has enabled further studies of new photocatalytic materials and their faster implementation in pilot and real-scale treatment systems. The results contributed to the 1H-BT and other pollutants treatment considerations in other aquatic systems, such as groundwaters, and the proposed degradation pathways were suggested for a better aquatic toxicity understanding. The LCA methodology was applied to study various photocatalysis intensification approaches. The most acceptable process from the environmental point of view for scale-up was proposed to be the usage of the CPC reactor under natural sunlight.

U ovom radu je izolirano i identificirano pet mikroalgi (Nitzschia sp. S5, Nanofrustulum shiloi D1, Tetraselsmis sp. C6, Tetraselmis sp. Z3, Picochlorum sp. D3) i jedna cijanobakterija (Euhalothece sp. C1) iz Jadranskog mora, te tri mikroalge iz rijeke Gacke (Chlorella vulgaris S2, Clorococcum sp. S1 i Tetradesmus obliquus S3). Provedena je karakterizacija izoliranih vrsta s obzirom na kinetiku rasta, makromolekulski sastav, antimikrobno i antioksidacijsko djelovanje. Mikroalga Picochlorum sp. D3 istaknula se najvećom brzinom rasta, dok je najveći prirast biomase zabilježen kod mikroalge Tetraselmis sp. Z3 (0.48± 0.11 g Lˉ¹) i Tetraselmis sp. C6 (0.45 ± 0.04 g Lˉ¹). Proteini su bili najzastupljenija makromolekula u svim mikroalgama (32.83–57.94%, g gˉ¹). Lipidi morskih mikroalgi bili su bogati na višestruko nezasićenim masnim kiselinama (eikosapentaenoična, dokosaheksaenoična, alfa- linolenska), dok su karotenoidi bili najzastupljeniji pigmenti. Metanolni ekstrakti svih istraženih mikroalgi pokazali su dobru antioksidativnu aktivnost, te su snažno inhibirali rast bakterija Escherichia coli, Salmonella typhimurium i Staphylococcus aureus. Provedena je optimizacija sastava hranjive podloge i uvjeta uzgoja odabranih mikroalgi. Šaržnim uzgojem s pritokom supstrata Nitzschia sp. S5 u hranjivoj podlozi optimiranog sastava [Si]: [N-NO3]:[PO43-] =6.67:23.33:1 [mM:mM:mM] postignuta je šest puta veća koncentracija biomase u odnosu na šaržni uzgoj u izvornoj f/2 podlozi. Šaržnim uzgojem s pritokom supstrata u barbotirajućoj koloni postignuta je najveća koncentracija biomase Picochlorum sp. D3 od 1.68 g Lˉ¹. Prihranom kulture natrijevim bikarbonatom potaknuto je nakupljanje lipida u biomasi čiji je udjel udvostručen. Učinkovita samoflokulacija Picochlorum sp. D3 (>98 %) postignuta je pri pH>11, te flokulacija (>97%) primjenom 1100 mg Lˉ¹ željezovog klorida pri pH=9 i 25 mg Lˉ¹ hitozana pri pH=8. Uspješno je provedena i bioflokulacija s plijesni Mortierella isabelina pri optimalnim uvjetima (mikroalga: plijesan=1:50 g g-1, pH=2 i T=30°C) s učinkovitošću od 88.47%. Najveća učinkovitost adsorpcije stanica mikroalge C. vulgaris S2 na hife plijesni postignuta je s Aspergillus niger. Pogodan izvor ugljika za uzgoj slatkovodnih mikroalgi u miksotrofnim i heterotrofnim uvjetima bila je glukoza, galaktoza, melasa i octena kiselina. Uzgoj mikroalge C. vulgaris S2 uz veće molarne omjere izvora ugljika i dušika (C:N=10, 30, 50, 75 mol molˉ¹) potaknuli su nakupljanje lipida tijekom šaržnog uzgoja i uzgoja s pritokom supstrata. Heterotrofni uvjeti uzgoja pokazali su se pogodnijim za rast biomase slatkovodnih mikroalgi u odnosu na miksotrofne uvjete. Dvostupanjskim šaržnim uzgojem C. vulgaris S2 postignuta je visoka koncentracija biomase od 19.31 g Lˉ¹ i produktivnost procesa od 0.075 g Lˉ¹. Five microalgae (Nitzschia sp. S5, Nanofrustulum shiloi D1, Tetraselsmis sp. C6, Tetraselmis sp. Z3, Picochlorum sp. D3) and one cyanobacterium (Euhalothece sp. C1) from the Adriatic Sea as well as three microalgae from the Gacka River (Chlorella vulgaris S2, Clorococcum sp. S1 and Tetradesmus obliquus S3) were isolated and identified. Microalgae were characterized regarding growth kinetics, macromolecular composition, and antimicrobial and antioxidant activity. Microalga Picochlorum sp. D3 showed the highest growth rate, while the highest biomass concentrations were achieved with microalgae Tetraselmis sp. Z3 (0.48± 0.11 g Lˉ¹) and Tetraselmis sp. C6 (0.45± 0.04 g Lˉ¹). Proteins were the most abundant macromolecule in all characterized microalgae (32.83–57.94%, g gˉ¹). Marine microalgae lipids were rich in polyunsaturated fatty acids (eicosapentaenoic, docosahexaenoic, alpha-linolenic), while carotenoids were the most abundant pigments. Methanolic extracts of all investigated microalgae showed good antioxidant activity and strongly inhibited the growth of Escherichia coli, Salmonella typhimurium and Staphylococcus aureus. The nutrient concentration in the growth medium and the growth conditions were optimized for selected microalgae. In fed-batch cultivation of Nitzschia sp. S5 in the optimized growth medium with a nutrient molar ratio of [Si]: [N-NO3]:[PO43-] of 6.67:23.33:1 [mM:mM:mM] biomass concentration was six times higher compared to batch cultivation using an original f/2 medium. The highest biomass concentration of Picochlorum sp D3 was achieved in fed-batch cultivation in a bubble column (1.68 g Lˉ¹). Supplementing the culture with sodium bicarbonate stimulated lipid accumulation resulting in doubled lipid content. Effective self-flocculation (>98 %) of Picochlorum sp. D3 was achieved at pH>11, and flocculation (>97%) using 1100 mg L-1 ferric chloride at pH=9 and 25 mg Lˉ¹chitosan at pH=8. Bioflocculation with the fungi Mortierella isabelina was successfully performed under optimized conditions (microalgae: fungus=1:50 g gˉ¹, pH=2 and T=30°C) with an efficiency of 88.47%. The highest adsorption efficiency of microalgae C. vulgaris S2 cells was achieved with Aspergillus niger. Suitable carbon sources for cultivating freshwater microalgae under mixotrophic and heterotrophic conditions weres glucose, galactose, molasses, and acetic acid. Cultivation of the microalgae C. vulgaris S2 with higher molar ratios of carbon and nitrogen (C:N=10, 30, 50, 75 mol molˉ¹) promoted the lipid accumulation during batch and fed-batch cultivation. Heterotrophic cultivation conditions were more suitable for the biomass growth of freshwater microalgae than mixotrophic conditions. The two-stage batch cultivation of C. vulgaris S2 resulted in a high biomass concentration of 19.31 g Lˉ¹ and productivity of 0.075 g Lˉ¹.

Kontinuiranim povećanjem broja stanovnika dolazi i do povećanja proizvodnje otpada. Isto tako, uz gospodarski rast i, povezano s time, poboljšavanja životnog standarda, također, dolazi do povećanja proizvodnje otpada. Stoga, ne čudi da sve veće količine otpada koje svake godine nastaju uzrokuju opravdanu zabrinutost zbog ekonomske održivosti i ekološke prihvatljivosti trenutnog načina gospodarenja otpadom. Glavni problem s kojim se suočava stručna i znanstvena javnost je kako predvidjeti količinu otpada koja će nastati u bliskoj budućnosti. Planiranje optimalne regionalne ili nacionalne strategije gospodarenja otpadom usko je povezano s količinom otpada koja će nastati. Za rješavanje navedenih problema pokazuje se potreba za kreiranjem pouzdanog modela za predviđanje količine nastalog otpada. Na temelju dosadašnjih istraživanja, umjetne neuronske mreže pokazuju bolje rezultate kod predviđanja nastanka otpada u usporedbi s drugim matematičkim modelima, stoga u ovom istraživanju koristit će se upravo umjetne neuronske mreže kao alat za razvoj matematičkog modela za predviđanje količina nastalog biorazgradivoga komunalnog otpada na europskoj i nacionalnoj razini. U ovom istraživanju poseban naglasak stavljen je na razvoj modela za predviđanje nastanka biorazgradivoga komunalnog otpada. Proučavanje biorazgradivoga komunalnog otpada od posebnog je interesa jer se upravo kod ove vrste otpada vidi veliki potencijal za njegovo relativno jednostavno i jeftino iskorištavanje, i to u vidu sirovine za dobivanje komposta pogodnog za daljnje korištenje u poljoprivredi ili u vidu ulazne sirovine u bioplinskim postrojenjima. Za kreiranje umjetne neuronske mreže u ovom doktorskom radu ulazne podatke činio je set sociodemografskih, ekonomskih i industrijskih podataka 17 država članica Europske unije za razdoblje od 25 godina. Kreiranim modelom u ovom doktorskom radu željele su se predvidjeti količine promatranih vrsta otpada koje će nastati na području 17 država Europske unije u razdoblju od 2020. do 2025. godine. Uz samo kreiranje mreže za predviđanje količina komponenti biorazgradivog otpada, cilj je istražiti i utjecaj sociodemografskih i ekonomskih pokazatelja na količine biorazgradivoga komunalnog otpada. Prema razvijenom modelu od 2020. do 2025. godine očekuje se da će u 17 država Europske unije nastati 411.351.769 tona miješanoga komunalnog otpada (u sklopu kojeg će nastati i 81.776.732 tona biootpada), 90.280.031 tona papira i kartona, 35.926.182 tona otpadnog drva i 3.511.589 tona tekstilnog otpada. Rezultati ovog istraživanja pokazuju kako na sve četiri promatrane vrste komunalnog otpada pozitivno utječu parametri kao što su broj stanovnika, bruto domaći proizvod po tržišnim cijenama, srednji ekvivalent neto prihoda, turizam, izvoz nafte i naftnih derivata i neto vanjski dug. S druge strane, životni vijek, realni BDP po stanovniku, ukupne obveze financijskog sektora i uvoz roba i usluga negativno utječu na sve četiri vrste otpada. Zaključno se može reći da iako je Europska unija heterogena zajednica i bez obzira na poteškoće u pronalasku što ažurnijih podataka o otpadu, kreiran model pokazao je zadovoljavajuća svojstva i mogućnosti u predviđanju količina miješanoga komunalnog otpada, otpadnog papira, drva i tekstila. Rezultati istraživanja mogu poslužiti kao pomoć pri uspostavi ekonomičnijeg i ekološki prihvatljivijeg načina gospodarenja biorazgradivim otpadom. The increasing amounts of waste generated each year raise legitimate concerns about the economic viability and environmental sustainability of the current way of waste management. The main problem facing professionals and academics is predicting the amounts of waste that will be generated in the near future. Planning an optimal regional or national waste management strategy is closely linked to the amount of waste that will be generated. To solve these problems, a reliable model for predicting the amount of waste needs to be developed. Such a tool should make it possible to select the most appropriate waste management technique. Based on previous research, artificial neural networks show better results in predicting waste generation compared to other mathematical models. Therefore, in this research, artificial neural networks are used as a tool to develop models for predicting the amount of biodegradable municipal waste at European and national level. This doctoral thesis is divided into 5 basic thematic units. It begins with an introduction in which the reader is briefly introduced to the main topics such as waste and artificial neural networks. It also defines the research area and the main objectives and hypotheses. For example, the introduction clearly explains that there are two main objectives of the research. The first objective is to develop a mathematical model for predicting the amounts quantities of components of biodegradable waste using artificial neural networks with the aim of applying it at European and national level. The second objective is to predict the impact of socio-demographic, economic and industrial indicators on the amount of biodegradable waste using artificial neural networks. The introduction is followed by a review of previous literature. In this chapter, the concepts of municipal waste, biodegradable waste and artificial neural networks are explained in more detail. Research conducted by other authors to date is also presented and explained in detail. They refer to the parameters that influence waste generation, as well as research that has dealt with the creation of mathematical models and their success in predicting waste generation. An additional significance of this research lies in the scale of the research. To date, artificial neural networks have been used to make predictions on a smaller local or regional scale. This usually covers the area of a particular city, state or group of closely related states. The aim of this research is to investigate the accuracy of a model with large-scale data (17 countries of the European Union). In the Materials and Methods chapter, the methodological approach and the way of creating a mathematical model are explained. To develop the model, demographic data (population, life expectancy, educational attainment), economic progress data (gross domestic product at market prices, gross domestic product per capita, total financial sector liabilities, net external debt, nominal effective exchange rate, direct investment in the reporting economy, house price index, data on the number of (non-)employed persons (total number of employed persons, unemployment rate, youth unemployment rate), tourism data (arrivals in tourist accommodation facilities, number of nights spent in tourist accommodation facilities), trade data (imports of goods and services, exports of goods and services, exports of oil and petroleum products) and waste data (annual municipal waste generation in thousands of tonnes, municipal waste generation per capita, municipal waste recycling rate, waste disposal) were collected. All data were collected for a period of 25 years for 17 countries of the European Union: Belgium, the Czech Republic, Denmark, Estonia, France, Croatia, Ireland, Italy, Latvia, Lithuania, Luxembourg, Hungary, Malta, the Netherlands, Slovenia, Spain and Sweden. In this research, the Multi-Layer Perceptron (MLP) model was used, which consists of a total of three layers: input, hidden layer and output. Before starting to compute the model, the database of collected data was divided into data for learning (60% of the data), for verification (20%) and for testing the neural network (20 %). Numerical verification of the obtained artificial neural network model was tested using the coefficient of determination (r2), reduced chi-squared (χ2), mean bias error (MBE), root mean square error (RMSE), mean percentage error (MPE), sum of squares error (SSE) and average absolute relative deviation (AARD). The constructed neural network model showed promising generalisation properties for the collected database and could be used to accurately predict waste generation: 20 networks, the maximum values of r2 (during the training cycle, r2 for the output variables (mixed municipal waste, municipal waste paper and cardboard, wood and textiles) were: 0.999, 0.998, 0.997 and 0.998). The results obtained show that artificial neural networks are indeed a reliable tool to create a mathematical model to predict the amount of biodegradable municipal waste at European and national level. The actual accuracy of the results of this research in terms of waste generation in the 17 countries observed will be verified when the data on waste generation for the year 2020 becomes available. In addition to creating a network to predict the quantities of biodegradable waste components, the influence of socio-demographic, economic and industrial indicators on the quantities of municipal biodegradable waste generated was also observed. Of the 28 input data, 10 input factors have a positive influence on all 4 observed waste types, while 4 input factors have a negative influence on all 4 observed waste types. Other observed factors (such as foreign direct investment, annual unemployment rate data, exports of goods and services and education) did not yield results from which a single conclusion could be drawn. From the above, it is clear that the accuracy of predicting the amount of biodegradable waste using artificial neural networks really depends on the choice of socio-demographic, economic and industrial indicators. For further studies to be carried out, it is proposed to use parameters such as population, gross domestic product at market prices, mean net income equivalent, tourism, exports of oil and petroleum products and net foreign debt, as these parameters positively influence all four types of municipal waste observed. On the other hand, life expectancy, real GDP per capita, total financial sector liabilities and imports of goods and services have a negative impact on all four types of waste. The results of this study are in line with the studies conducted so far, according to which the generation of municipal waste is mainly influenced by GDP, tourism, population and wages. Depending on changes in these factors, the amount of waste generated also changes. The model created can help the waste management system behave like a "living organism". In this flexible way, the waste management system could change in parallel with social and economic changes. This would make municipal waste management more efficient and economical, with less impact on the environment.

Za procjenu cjelovitosti konstrukcije neophodno je poznavanje opterećenja njenih komponenata i parametara pukotine. Kako se nosivost konstrukcije smanjuje tijekom njenog radnog vijeka, prisutnost pukotina može narušiti cjelovitost konstrukcije. Za praćenje rasta pukotine i stanja konstrukcije tijekom njenog radnog vijeka u radu je predložen postupak inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja konstrukcije s pukotinom. Primjenom optičke metode korelacije digitalne slike (DIC) za praćenje deformacija na vanjskim plohama komponente, metode faznog polja (eng. phase-field method) i proširene metode konačnih elemenata (eng. eXtended Finite Element Method – X-FEM) razvijen je i validiran postupak inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja konstrukcija s pukotinama koji omogućuje praćenje stanja konstrukcije tijekom njenog cjelokupnog radnog vijeka, što uključuje proces nastanka pukotine te njenog stabilnog rasta do kritične duljine. Postupak je primjenjiv na linearno-elastično ponašanje materijala i konstrukcije uslijed monotonog opterećenja, kao i cikličkog opterećenja s konstantnim amplitudama. Cilj je bio definirati optimalni broj, razmještaj i orijentaciju tenzometarskih mjernih traka na konstrukcijskoj komponenti koji će za različite veličine i orijentacije pukotina omogućiti što točnije određivanje opterećenja. Analizirane su pukotine različitih dimenzija na različitim ispitnim uzorcima, najprije za slučaj određivanja monotonih opterećenja uz pretpostavku linearno-elastičnog ponašanja materijala, zatim za složen rast pukotina na uzorcima s proporcionalnim i neproporcionalnim načinom opterećivanja i na kraju na ciklički opterećenom uzorku. Verifikacija postupka inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja iz mjerenih deformacija na konstrukciji s pukotinom provedena je na realnoj konstrukcijskoj komponenti, osovinskom rukavcu vjetroagregata, gdje su optimalni broj, razmještaj i orijentacija tenzometarskih traka uspoređena s postavljenim tenzometarskim trakama na osovinskom rukavcu za vrijeme razvoja prototipa vjetroagreata. U odnosu na postojeće pristupe novi postupak za identifikaciju monotonog i cikličkog opterećenja konstrukcije s pukotinama omogućuje točnije definiranje broja, položaja i orijentacije tenzometarskih mjernih traka na realnoj konstrukciji što je od presudne važnosti za unapređenje postojećih monitoring sustava i zaštitu cjelovitosti konstrukcije. Osim toga, točnije definiranje sigurnih režima rada konstrukcije je ulazni podatak za učinkoviti sustav upravljanja, što isto tako može dovesti do produljena radnog vijeka konstrukcije. To assess the integrity of the structure, it is necessary to know the load of its components and crack parameters. The presence of cracks can further reduce integrity of structure, as the load capacity of the structure decreases during its service life. In order to be able to monitor the condition of the structure and crack path, an inverse method procedure has been proposed to identify unknow load on structure with a crack. Using the optical Digital Image Correlation (DIC) method to monitor deformations on the outer surfaces of a structural component, the phase-field modelling and eXtended Finite Element Method (X-FEM), an inverse modeling procedure is developed and validated to identify unknown loads of the structure with cracks. This will enable the monitoring of the condition of the structure throughout its entire service life, including the process of crack initiation and its stable growth to a critical length. This procedure is applicable to the brittle behaviour of the structural material due to monotonic loading as well as cyclic loading with constant amplitudes. The aim was to define the optimal number, positions and orientation of strain gauges on the structural component, which will enable the most accurate determination of the load for different sizes and orientations of cracks. To verify inverse approach, cracks with different dimensions were analysed on different test specimens, first for certain monotonic loads with assumption of the brittle material behaviour, than complex cracks on specimens with proportional and nonproportional loading mode and finally on the sample with variable cyclic load. Verification of the inverse modelling procedure for identification of unknown loads from measured deformations on the structure-containing crack like defect was performed on a real structural component, wind turbine axle pin, where the optimal number, position and orientation of strain gauges were compared with the strain gauges placed on the wind turbine axle pin prototype. The new procedure for identifying the monotonic and cyclic load of the structure with cracks allows more accurate definition of the number, position and orientation of strain gauges on a real structure, which is crucial for improving existing monitoring systems and protecting the integrity of the structure. In addition, a more precise definition of safe modes of operation of the structure according to identified loads is the input for an efficient control system, which can also lead to extended structural life.

Hydrographic survey or seabed mapping plays an important role in achieving better maritime safety, especially in coastal waters. Due to advances in survey technologies, it becomes important to choose well-suited technology for a specific area. Moreover, various technologies have various ranges of equipment and manufacturers, as well as characteristics. Therefore, in this thesis, a proposed method of a hydrographic survey, i.e., identifying the appropriate technology, has been developed. The method is based on a reduced elimination matrix, decision tree supervised learning, and multicriteria decision methods. The available technologies were: SBES (research vessel), SBES+SSS (research vessel), MBES (research vessel), MBES (research vessel)+SBES (small boat), LIDAR (UAV), SDB (satellite sensors) and they are applied as a case study of Kaštela Bay. The optimal technology for Kaštela Bay study case was MBES (research vessel) and MBES (research vessel) + SBES (small boat) with a score of 0.97. Then with a score of 0.82 follows the SDB technology. Other available alternatives have a significantly lower score. It is a small evident difference between the three alternatives SBES (research vessel), SBES+SSS (research vessel), and LIDAR, which have a WSM score in the range from 0.58 – 0.65. Rad ne sadrži sažetak na drugom jeziku.

Ovim istraživanjem razrađen je novi pristup izrade jednostavnih cijevnih polimernih milireaktora i polimernih milireaktora sa statičkim miješalicama pomoću tehnologija aditivne proizvodnje u svrhu olakšavanja istraživanja intenzifikacije procesa. Izrađeni su reaktori različitih dimenzija kanala, a u uspješno izrađene milireaktore dodane su pregrade, odnosno statičke miješalice. Princip proizvodnje dodavanjem materijala u slojevima omogućuje oblikovanje složenih geometrijskih struktura unutar kanala. Statičke miješalice stvaraju veće međufazne površine između reaktanata pa je ispitana i primjenjivost milireaktora na reakcije u višefaznim, nemješljivim sustavima. Za modelnu reakciju odabrana je transesterifikacija suncokretova ulja u metilne estere masnih kiselina (FAME). Konverzija, a time i uspješnost prijenosa tvari i energije praćena je infracrvenom spektroskopijom (FTIR), plinskom kromatografijom (GC) i nuklearnom magnetskom rezonancijom (1H NMR). Dobiveni rezultati prestavljaju doprinos upotrebi milireaktora i milireaktora sa statičkim miješalicama kao i reaktorima s oscilirajućim tokom fluida kao zamjenu za već dobro poznate mikroreaktore u kojima je proizvodni volumen manji, a pad tlaka veći nego u milireaktorima. Analizirane su vrste strujanja te su ispitani prijenos tvari i bezdimenzijske značajke u svim uspješno konstruiranim reaktorskim sustavima. Rezultati ukazuju na činjenice da dulja vremena zadržavanja u milireaktorima daju veće konverzije, kao i više temperature i uži kanali. Kod reaktora s oscilirajućim tokom fluida zbog drugačijeg mehanizma miješanja dolazi do još veće intenzifikacije s obzirom na milireaktore s pregradama. U posljednjem dijelu istraživanja posvećena je pažnja fizikalno-kemijskim svojstvima materijala korištenih za 3D-ispis kako bi se primjena takvih reaktorskih sustava mogla ostvariti i u drugim kemijskim sintezama. U tu svrhu, komercijalno dostupnim polimernim materijalima ispitana su toplinska svojstva, slobodna površinska energija i otpornost na bubrenje u raznim kapljevinama s kojima bi proizvedeni milireaktori mogli doći u kontakt. This research will elaborate a new approach to the production of simple tubular polymeric millireactors and polymer millireactors with static mixers using additive production technologies in order to facilitate the study of process intensification. Millireactors of different channel dimensions have been manufactured, and static mixers added to the successfully manufactured millireactors. The manufacturing principle – addition of material in layers – allows the formation of complex geometric structures within the channel. Static mixers create larger interphase surfaces between reactants, so the applicability of millireactors to multiphase, immiscible systems will also be tested. For the model reaction, transesterification of sunflower oil into FAME is selected. Fast conversion of FAME which is causative consequence of the efficient mass and energy transfer will be monitored by nuclear magnetic resonance (1H NMR), gas chromatography (GC), and infrared spectroscopy (FTIR). The obtained results represent a contribution to the use of milireactors and milireactors with static mixers, as well as reactors with oscillating fluid flow, as a replacement for well-known microreactors in which the production volume is smaller and the pressure drop is larger than in milireactors. Flow patterns, mass transfer and dimensionless numbers were analyzied in all successfully constructed reactor systems. The results point to the fact that longer retention times in millireactors give higher conversions, as well as higher temperatures and narrower channels have been. Due to the different mixing mechanism greater process intensification is acheived in a tube baffled reactor in comparison with milireactors with baffles. In the last part of the research, attention was paid to the physical and chemical properties of the materials used for 3D printing to determine whether such reactor systems could be applied in other chemical syntheses as well. For this purpose thermal properties of commercially available polymeric materials were examined, as well as their free surface energy and swelling resistance in various liquids which the produced millireactors could come into contact with.

Sažetak U ovom radu provedeno je sustavno istraţivanje strukture i toplinskih svojstava nanokompozita na bazi poli(etilen-oksida) (PEO) u svrhu dizajniranja nanokompozitnog polimernog elektrolita poboljšane ionske provodnosti. Pripravljeni su nanokompoziti PEO-a s razliĉitim nanopunilima (natrijev montmorilonit-NaMMT, komercijalno dostupni organski modificirani montmoriloniti Cloisite 10A, Cloisite 15A, Cloisite 20A, Cloisite 25A, Cloisite 93A i Cloisite 30B) metodom interkalacije iz taljevine. Uloga nanopunila je sniţavanje kristalnosti i povećanje udjela amorfne faze polimerne matrice u svrhu poboljšanja prijenosa kationa i ionske provodnosti, a da se pritom ne pogoršavaju ostala svojstva. Na osnovi rezultata provedene strukturne i toplinske karakterizacije izvršena je procjena najpovoljnijeg sustava nanokompozita polimera i nanopunila u koji je naknadno uveden Li + ion. Rezultati analize raspršenja X-zraka pri malom kutu (SAXS) pokazali su da kod svih ispitivanih uzoraka dolazi do interkalacije PEO-a u meĊuslojni prostor montmorilonita, ĉime je potvrĊen nastanak nanokompozitne strukture. Analiza spektara infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (FTIR) svih ispitivanih nanokompozita ukazuje na postojanje interakcija izmeĊu PEO-a i punila. Narušavanje helikoidalne konformacije PEO-a, tj. smanjenje kristalne faze dodatno potvrĊuju nastanak interkalirane strukture. Primjenom diferencijalne pretraţne kalorimetrije (DSC) ispitan je utjecaj nanopunila na toplinske prijelaze (staklište, talište, kristalište) i kristalnost PEO-a. Naizraţeniji utjecaj na sniţavanje stupnja kristalnosti PEO-a u nanokompozitima pokazao je NaMMT. Organski modificirani montmoriloniti pri niţim udjelima punila djeluju kao centri nukleacije koji posljediĉno povećavaju stupanj kristalnosti PEO-a. Analiza dinamiĉke termogravimetrije (TG) pokazala je da NaMMT poboljšava toplinsku postojanost PEO-a do odreĊenog udjela. Organski modificirani montmoriloniti pri udjelima većim od 10 mas. % znaĉajno sniţavaju temperaturu poĉetka razgradnje PEO-a. Najizraţeniji negativni utjecaj uoĉen je u nanokompozitima s Cloisite 10A gdje se temperature poĉetka razgradnje sniţavaju i do 198 °C u odnosu na one ĉistog PEO-a. Rezultati karakterizacije s aspekta odgovarajućih toplinskih i strukturnih svojstava nanokompozita ukazali su na najveći potencijal NaMMT-a kao nanopunila. UvoĊenje litijevog iona u sustav provedeno je modifikacijom NaMMT-a metodom ionske izmjene s LiCl ĉime je dobiven LiMMT. Prouĉavan je utjecaj LiMMT-a i molekulne mase PEO- a na strukturna i toplinska svojstva nanokompozita PEO/LiMMT te je ispitana meĊuovisnost dobivenih rezultata i ionske provodnosti. SAXS i FTIR analiza potvrdile su nastanak nanostrukture kod svih pripravljenih nanokompozita PEO/LiMMT. Rezultati FTIR analize ukazali su na znaĉajniju interkaciju Li + iona s polimernom matricom u nanokompozitima pripravljenim s PEO- om visoke molekulne mase u odnosu na one pripravljene s PEO-om niske molekulne mase. Primjenom DSC analize utvrĊeno je da dodatak LiMMT znaĉajno utjeĉe na sniţavanje staklišta i stupnja kristalnosti PEO-a, što je stvorilo vaţan preduvjet za ostvarivanje poboljšane ionske provodnosti. Polimerni nanokompoziti pripravljeni s PEO-om viših molekulnih masa pokazali su niţe vrijednosti stupnja kristalizacije. Rezultati dinamiĉke TG analize pokazali su da LiMMT pogoršava toplinsku postojanost PEO-a, ali i dalje zadovoljava toplinsku postojanost potrebnu za ĉvrsti polimerni elektrolit. Rezultati dinamiĉke termogravimetrije ukazuju da LiMMT utjeĉe na mehanizam toplinske razgradnje PEO-a. Primjenom elektrokemijske impedancijske spektroskopije (EIS) utvrĊena je meĊuovisnost strukture nanokompozita i molekulne mase PEO-a na potencijal poboljšanja ionske provodnosti. Dodatak LiMMT-a poboljšava ionsku provodnost svih ispitanih nanokompozita PEO/LiMMT. Ionska provodnost ovisna je o masenom udjelu LiMMT-a u pripravljenim nanokompozitima i molekulnoj masi PEO-a. Najveća vrijednost ionske provodnosti pri sobnoj temperaturi zabiljeţena je u nanokompozitu pripravljenom s PEO-om viskoznog prosjeka molekulnih masa 300 000 (PEO3) pri 40 mas. % LiMMT-a. Dobivena vrijednost ionske provodnosti iznosi 2,8·10 -6 S cm -1 što je povećanje ionske provodnosti od 949 puta u odnosu na ĉisti polimer. Za seriju nanokompozita PEO/LiMMT s najvećom ionskom provodnosti provedena je kinetiĉka analiza te su razvijeni kinetiĉki modeli procesa dinamiĉke toplinske razgradnje. Na temelju rezultata kinetiĉke analize potvrĊeno je da dodatak LiMMT-a utjeĉe na dinamiĉku toplinsku razgradnju PEO-a. Za razliku od jednostupanjskog procesa dinamiĉke toplinske razgradnje PEO-a, razgradnja nanokompozita PEO3/LiMMT-a se odvija kroz tri stupnja: difuziju, reakciju n-tog reda s autokatalizom i reakciju n-tog reda. Abstract In this work a systematic study of the structure and thermal properites of poly(ethylene oxide) (PEO) based nanocomposites was performed in order to design nanocomposite polymer electrolyte with enhanced ionic conductivity. PEO based nanocomposites with different nanofiller type (sodium montmorillonite, commercially available organoclays Cloisite 10A, Cloisite 15A, Cloisite 20A, Cloisite 25A, Cloisite 93A i Cloisite 30B) were prepared by melt intercalation method. The role of nanofiller is to reduce crystallinity and increase the extent of the amorphous phase of the polymer matrix in order to improve the transfer of cations and ionic conductivity without disruption other properties. Considering the results of structural and thermal characterization, an assessment of the most favourable nanocomposite system of polymers and nanofillers was made for subsequently introduction of Li + ion. The results of the Small angle X-ray scattering (SAXS) analysis showed that PEO was intercalated into montmorillonite layers in all tested samples, which confirmed the formation of nanocomposite structure. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis showed the existence of an interaction of PEO and nanofiller for all examined nanocomposites. Change in the crystallinity of PEO and distorted helical structure of poly(ethylene oxide) macromolecules in nanocomposites additionally confirmed the formation of intercalated structure. Differential scanning calorimetry (DSC) revealed the influence on thermal transition (glass transition temperature, melting temperature, crystallization temperature) and crystallinity of PEO. The nanofiller NaMMT showed the most pronounced effect on lowering the degree of crystallinity of PEO in nanocomposites. Organically modified montmorillonites at low filler loadings act as nucleation agents that consequently increase the degree of crystallinity of PEO. The non-isothermal thermogravimetric (TG) analysis showed that NaMMT improves PEO thermal stability up to a certain proportion. Organically modified montmorilonites in amounts higher than 10 wt. % strongly reduce the onset degradation temperature. The most pronounced influence was observed in Cloisite 10A based nanocomposites, where the onset degradation temperatures are reduced up to 198 °C compared to the neat PEO. Thermal and structural characterization of above mentioned nanocomposites indicated the greatest potential of the NaMMT as nanofiller and therefore it was selected for the introduction of Li + ion and further analysis. The introduction of lithium ion into the system was carried out by modification of NaMMT by ion exchange method with LiCl resulting in LiMMT. The influence of LiMMT on the structure and thermal properties of PEO/LiMMT nanocomposites prepared with PEO of different molecular weight and the dependence of the results obtained on ionic conductivity have been studied. SAXS and FTIR analysis confirmed the formation of nanostructures in all prepared PEO/LiMMT nanocomposites. The results of the FTIR analysis revealed a more significant interaction of Li + ions with a polymer matrix in nanocomposite prepared with PEO of the high molecular weight compared to those prepared with PEO of the low molecular weight. DSC analysis revealed that the addition of LiMMT significantly reduces the glass transition and the degree of crystallinity of PEO, which created important precondition for improving the ionic conductivity. Polymer nanocomposites prepared with PEO of the higher molecular weights showed lower values of the degrees of crystallinity. The results of non-isothermal TG analysis revealed that the addition of LiMMT reduce the thermal stability of PEO, but still satisfies the thermal stability required for solid polymer electrolyte. The results of non-isothermal TG analysis show that LiMMT affects the mechanism of non-isothermal degradation of PEO. The effect of the nanocomposite structure and the molecular weight of PEO on the potential to improve the ionic conductivity of PEO/LiMMT nanocomposites was determined by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The addition of LiMMT improves the ionic conductivity of all tested PEO/LiMMT nanocomposites. The ionic conductivity depends on the weight fraction of LiMMT in the prepared nanocomposites and the molecular weight of PEO. The highest value of ionic conductivity at room temperature was noted in a nanocomposite prepared with PEO with a molecular weight of 300,000 and 40 wt. % LiMMT. The obtained ionic conductivity was 2,8·10 -6 S cm -1 . The obtained result shows an increase in ionic conductivity for 949 times compared to ionic conductivity of pure PEO. For the PEO/LiMMT series with the highest ionic conductivity, kinetic analysis was performed and kinetic models of the non-isothermal thermal degradation were developed. Based on the results of the kinetic analysis, it was confirmed that the addition of LiMMT affects the mechanism of the non-isothermal thermal degradation of PEO. Unlike the one-step process of non-isothermal decomposition of PEO, the decomposition of PEO3/LiMMT nanocomposites takes place through three stage mechanism: diffusion, n-order reaction with autocatalysis and n-order reaction.

Cilj ovog rada je definirati funkcijske odnose između emisijske strukture flote putničkih automobila (flota vozila M1 kategorije) i emisija stakleničkih plinova. Na temelju tih odnosa izrađen je model za procjenu i upravljanje emisijama stakleničkih plinova cjelokupnog cestovnog transporta. Model se sastoji od tri podmodela: podmodela za procjenu emisija, prognostičkog podmodela i podmodela za upravljanje emisijama. Funkciju prvog podmodela, za procjenu emisija, obavlja COPERT 5. Drugi se podmodel sastoji od dva dijela: prognostičkog i scenarijskog. U prognostičkom dijelu je za prognoziranje emisijskih faktora flote M1 primijenjena regresijska analiza, a prognoziranje broja vozila u floti i prosječnog godišnjeg puta modelirano je metodom vremenskih nizova ARIMA. Difuzija novih pogonskih sustava xEV u flotu M1 modelirana je u scenarijskom dijelu drugog podmodela, primjenom funkcija difuzije. Utvrđena je vrlo čvrsta korelacija između emisija CO2 flote M1 i ukupnih emisija stakleničkih plinova cjelokupnog cestovnog transporta u EU-28. Temeljem toga procijenjene su emisije stakleničkih plinova cestovnoga transporta u Republici Hrvatskoj. Pokazano je kako se primjenom tri uvedena indikatora emisija može jednostavno pratiti kretanje godišnjih emisija cestovnog transporta prema postavljenom cilju. Na temelju povijesnih podataka za razdoblje od 2007. do 2016. godine, prognostičkim su dijelom drugoga podmodela rekonstruirane emisije u referentnoj 2005. godini. U provedenoj scenarijskoj analizi na šest različitih scenarija je pokazano kako bi trebalo usmjeravati redovito godišnje obnavljanje flote da bi se postiglo u Europskoj uniji prihvadeno obvezujude smanjenje emisija cestovnog transporta za 30 % do 2030. godine, u odnosu na referentnu 2005. godinu. Također su pokazani izazovi s kojima de se susresti Hrvatska u ispunjavanju ovoga cilja. The aim of this thesis was to define the functional relationships between the emission structure of the M1 vehicle fleet and greenhouse gas emissions. These relationships were used to develop a model for estimating and managing greenhouse gas emissions from the entire road traffic. The model consists of three sub-models: a sub-model for emission estimation, a forecast sub-model and a sub-model for emission control. The function of the first sub-model for emission estimation is performed by COPERT 5. The second sub-model has two additional sub-models: an additional forecast sub-model and an additional scenario sub-model. In the additional forecast sub-model, regression analysis was used to forecast M1 fleet emission factors, while the ARIMA time series method was used to forecast the number of vehicles in the fleet and the average annual distance travelled. The diffusion of new xEV propulsion systems in the M1 fleet was modelled in the additional scenario sub-model, using diffusion functions. A very strong correlation was observed between CO2 emissions from the M1 fleet and the total greenhouse gas emissions from the entire road traffic in the EU-28. Greenhouse gas emissions from road traffic in the Republic of Croatia were estimated on the basis of these results. It was demonstrated that the three emission indicators introduced help monitor the achievement of set target values for annual emissions from road traffic. Based on historical data for the period between 2007 and 2016, the additional forecast sub-model was used to reconstruct emissions in the 2005 reference year. The scenario analysis applied to six different scenarios indicated how the regular annual fleet renewal should be managed in order to achieve the compulsory 30% reduction in road traffic emissions in the European Union by 2030 compared to the 2005 reference year. The thesis outlines the challenges that Croatia will face in meeting this objective.

Turbomachinery CFD simulations have become a standard in industry, although still presenting quite expensive and time consuming process. In order to alleviate this, a number of tools and methods have been developed, being an approximation or simplification of the ongoing process within turbomachinery. Some of these methods include the steady state Multiple Reference Frame approach (MRF), taking into account the rotation even though a steady state simulation is run. Another more recent method is the Harmonic Balance method, a quasi-steady state method due to a number of time instants being solved via coupled steady state equations. Finally, the approach with least approximations is the transient simulation where a large number of successive time steps are solved, thus obtaining the detailed insight into flow development, wakes propagation, etc. In order for time-accurate simulation to present valid results, a periodic steady state has to be reached: simulating a single period is not enough. It should be made sure that the simulation start instabilities do not affect the solution and that resulting flow features are no longer within the domain, therefore reaching periodic steady state is what makes transient simulation expensive. In certain cases this means simulating 5-10 periods, but if a high level of unsteadiness is present, the number of needed periods can even go up to 50. From the perspective of CPU time consumption, the transient simulation is the most expensive one, followed by Harmonic Balance and then by MRF as the shortest. The focus of this work is on the Harmonic Balance method, which is extensively used for periodic problems, mostly vibrations, acoustics and turbomachinery. Compared to conventional transient methods, the benefit of the Harmonic Balance method is the ability to capture transient flow features at significantly lower CPU time cost, while still being sufficiently accurate. This is presented by performing the comparison with transient approach and steady state MRF method, demonstrating the speed-up of at least an order of magnitude. Depending on the number of harmonics used, the size of the system of equations changes, as well as the accuracy. n number of harmonics yield a system of 2n + 1 coupled equations, where larger number of harmonics will take more time to converge, while offering greater accuracy as higher order effects do not get neglected. As the method is based on the Fourier series expansion, the frequency of the motion should be known in advance, suggesting that problems with imposed periodic motion are the most suitable for Harmonic Balance. In this work, the Harmonic Balance method is implemented in the Finite Volume framework within the open source software OpenFOAM, using a segregated pressure-based algorithm. Turbomachinery start-up and shut-down present a challenging problem for CFD investigation. Furthermore, change of operating points requires special attention as well. Depending on the type of the machine considered, the change of regime can take from several periods up to several dozen periods, making the simulations of such process highly expensive. The change of regime is a transient process during which the flow can change significantly and mass flow through the machine changes according to the newly reached regime. Rotor angular velocity can change as well in this process, making steady state simulations unusable. The modified version of the Harmonic Balance method is deployed here as a quasi-steady method in order to reduce the simulation time and capture the behavior during regime change. Non–periodic process such as start-up or shutdown is made periodic by considering both start-up and shut-down as a complete process. The period then consists of two complementary regime changes, with 2n + 1 coupled simulations throughout the period of start-up and shut-down. Due to two distinctive time-scales of rotor period (inner) and complete startup/ shut-down period (outer), a nested Harmonic Balance structure is deployed. Therefore, the 2n + 1 Harmonic Balance simulations for 2n + 1 time instants are interconnected with additional Harmonic Balance source term for the outer coupling. The validation of the time-spectral Harmonic Balance method is performed on industrially relevant test case of ERCOFTAC centrifugal pump by performing the comparison with other conventional methods (time-accurate, MRF) and with experimental data. Furthermore, the comparison of computational resources is performed in terms of CPU time, showing the Harmonic Balance method approximately 30 times faster than time-accurate simulation. The nested Harmonic Balance is validated using Francis-99 test case for shut-down and start-up processes. Comparison is performed against experimental data for power variation and pressure probes during complete period with good agreement achieved in a fraction of time otherwise needed by the time-accurate simulation. Uvod: Periodični problemi su cesta pojava u znanstvenim i industrijskim istraživanjima, a javljaju se kod analize raznih rotirajučih strojeva, problema valne prirode, raznih tokova s induciranim periodičnim rubnim uvjetima ili periodičnim kretanjem tijela (osciliranje krila, ventili, itd.). Iako su već postale standard u industriji, simulacije turbostrojeva i dalje predstavljaju izrazito skup i vremenski zahtjevan zadatak. Kako bi se to izbjeglo razvijene su razne metode i alati koji predstavljaju aproksimaciju ili pojednostavljenje procesa koji se odvija u turbostroju. Neke od tih metoda su Multiple Reference Frame (MRF) koja uzima u obzir rotaciju domene iako se radi o stacionarnoj simulaciji. Druga, novija metoda je metoda harmonijske ravnoteže, kvazi-stacionarna metoda budući da rješava više spregnutih vremenskih trenutaka koristeci stacionarne, ali međusobno spregnute jednadžbe. Naposljetku, pristup koji nudi najveću razinu točnosti po pitanju vremenske rezolucije je tranzijentna simulacija, pri čemu se rješava niz uzastopnih vremenskih trenutaka i dobiva detaljan uvid u razvoj toka, propagaciju valova, itd. Međutim, kako bi tranzijentna simulacija bila valjana kod periodičnih problema, potrebno je doći do rezultata koji je periodično-stacionaran. Drugim riječima, nije dovoljno simulirati samo jedan period već je potrebno osigurati da su nestabilnosti uzrokovane rubnim uvjetima s početka simulacije u potpunosti napustile domenu i da početni uvjeti ne utječu na rezultat. Tranzijentna simulacija je stoga iznimno skupa budući da treba doći do periodično-stacionarnog stanja. U pojedinim slučajevima to znaci 5-10 perioda, no za kompleksnije probleme može biti potrebno simulirati i do 50 perioda. Iz perspektive utroška proračunskog vremena potrebnog za simulaciju, tranzijentna simulacija je najskuplja, nakon čega slijedi metoda harmonijske ravnoteže te MRF. Fokus ovog rada je na metodi harmonijske ravnoteže koja se koristi za periodične probleme, ponajviše vibracije, akustiku i turbostrojeve. Pristup istraživanju: Metoda harmonijske ravnoteže je kvazi-stacionarna metoda, što znaci da obuhvaća karakteristike i stacionarnog i tranzijentnog pristupa. U odnosu na konvencionalne stacionarne metode, prednost metode harmonijske ravnoteže je mogućnost dobivanja prijelaznih karakteristika toka, uz dodatni utrošak vremena simulacije. Korištenjem stacionarnih metoda kod simulacija turbostrojeva dobiva se rješenje samo za jedan položaj rotora, zbog čega izostaju prijelazne pojave i vrtlozi te takav pristup nije naročito značajan ako su lokalne nestabilnosti od značaja. S druge strane, u odnosu na tranzijentnu metodu, metoda harmonijske ravnoteže omogućuje značajno smanjenje vremena simulacije uz zadržanu točnost metode. Umjesto rješavanja jedne tranzijentne jednadžbe, primjenom metode harmonijske ravnoteže dobiva se sustav spregnutih stacionarnih jednadžbi čije rješavanje daje polje strujanja unutar cijelog reprezentativnog perioda. Glavne faze istraživanja su: a) Razvoj osnovnog modela metode harmonijske ravnoteže. b) Specijalizacija metode harmonijske ravnoteže za upotrebu kod turbostrojeva. Razvoj modela s više frekvencija. c) Validacija i verifikacija metode. d) Proširenje metode za simulacije promjene radne točke. e) Primjena metode za simulacije rada turbostroja van optimalne radne točke i analiza nestabilnosti. Metoda harmonijske ravnoteže je metoda razvijena za simulacije periodičnih strujanja, a u ovom istraživanju je specijalizirana za primjenu na turbostrojevima. Metoda rješava niz kvazi-stacionarnih međusobno spregnutih Navier-Stokesovih jednadžbi, te se kao rezultat dobiva polje strujanja unutar cijelog reprezentativnog perioda turbostroja. Za uspješnu implementaciju metode, prije diskretizacije jednadžbi metodom kontrolnih volumena potrebno je pretvoriti tranzijentne Navier-Stokesove jednadžbe u kvazi-stacionarne Navier-Stokesove jednadžbe u formi metode harmonijske ravnoteže. Tom procedurom umjesto jedne tranzijentne jednadžbe dobivamo sustav kvazi-stacionarnih jednadžbi. Veličina sustava ovisi o broju odabranih harmonika n, pri čemu je broj jednadžbi u sustavu 2n+1. Nakon uspješne implementacije metode u okružju metode kontrolnih volumena, idući korak je razvoj dodatnih funkcionalnosti metode kako bi bila potpuno primjenjiva kod turbostrojeva. Budući da metoda harmonijske ravnoteže u svom osnovnom obliku uzima u obzir samo jednu frekvenciju, izveden je model metode koji je u mogućnosti koristiti dvije frekvencije (frekvencija rotora i frekvencija statora), a zatim je u obzir uzeta i dodatna frekvencija nestabilnosti koja se razvija kao posljedica ne-optimalnog toka. Metoda harmonijske ravnoteže i svi pripadajući alati implementirani su u programskom paketu OpenFOAM, napisanom u C++ programskom jeziku. Dvojna metoda harmonijske ravnoteže: Višefrekvencijskim pristupom dolazi se do različitih frekvencijskih domena za rotor i stator, što također zahtjeva poseban tretman. Kako bi se omogućilo korištenje zasebnih frekvencija u različitim domenama, a bez smetnji poduzorkovanja (aliasing errors), potrebno je uskladiti vremenske trenutke između domena. Budući da kod turbostrojeva dominantne frekvencije ovise o karakteristikama turbostroja: broju lopatica rotora i statora, brzini vrtnje, broju stupnjeva, itd., moguće je unaprijed odabrati dominantne frekvencije. Točnost metode harmonijske ravnoteže ovisi o broju odabranih harmonika, n, pri čemu je nepoželjno koristiti veliki broj harmonika samo kako bi uzeli u obzir i određenu dominantnu frekvenciju koja je višekratnik osnovne frekvencije. Pokretanje i zaustavljanje turbostrojeva predstavljaju izazov za CFD zajednicu, kao i procesi promjene radne točke. Ovisno o vrsti stroja, promjena režima rada može trajati od nekoliko perioda rotora do nekoliko desetaka perioda, pri čemu bi simulacije takvih procesa bile iznimno skupe. Nadalje, promjena režima rada turbostroja je prijelazan proces tijekom kojeg se tok unutar turbostroja može značajno promijeniti, kao i maseni protok kroz stroj, ovisno o novom režimu rada. Također se može mijenjati i brzina vrtnje rotora kod određenih turbostrojeva, zbog čega stacionarne simulacije postaju gotovo neupotrebljive. Modificirana verzija metode harmonijske ravnoteže je upotrebljena u ovom radu, kao kvazi-stacionarna metoda kako bi smanjila proračunsko vrijeme, ali i obuhvatila pojave u turbostroju prilikom promjene režima. Aperiodičan proces kao što je pokretanje ili zaustavljanje turbostroja prikaže se kao periodičan proces tako što se razmatraju istovremeno i zaustavljanje i pokretanje turbostroja kao jedan cjeloviti proces. Ukupni period se u tom slučaju sastoji od dvije komplementarne promjene režima, sa 2n + 1 spregnutih simulacija kroz ukupni period zaustavljanja i pokretanja. Uzmu li se u obzir dvije različite vremenske skale perioda rotora i ukupnog novog perioda, potrebno je primijeniti metodu harmonijske ravnoteže s dvojnom strukturom, cija forma je predstavljena u ovom radu. Dvojna struktura sastoji se od 2n + 1 simulacije metodom harmonijske ravnoteže za 2n + 1 vremenskih trenutaka, pri čemu su simulacije međusobno spregnute dodatnim izvornim članom zaslužnim za "vanjsku" spregu, što znaci da jednadžbe imaju dva izvorna člana proizašla iz metode harmonijske ravnoteže. Validacija predložene metode: Validacija i verifikacija provedena je koristeći osnovne testne slučajeve iz područja turbostrojeva. Usporedba optimalne radne točke izvršina je u odnosu na konvencionalni tranzijentni rješavac i stacionarnu MRF metodu, no provedena je i usporedba s eksperimentalnim podacima. Analiza jedne radne točke izvršena je koristeći centrifugalnu pumpu ERCOFTAC, pri čemu su uspoređene fluktuacije tlaka kroz turbostroj te parametri rada turbostroja (snaga, efikasnost) s eksperimentalnim mjerenjima. Nadalje, usporedba metode harmonijske ravnoteže s konvencionalnim tranzijentnim i stacionarnim metodama pokazala je da se metodom harmonijske ravnoteže može doći do značajnog rezultata po pitanju točnosti u samo dio proračunskog vremena potrebnog tranzijentnoj simulaciji. Usporedbom proračunskog vremena na istom računalu u jednakim uvjetima pokazano je da simulacija metodom harmonijske ravnoteže traje 30 puta krace od tranzijentne simulacije. Validacija metode harmonijske ravnoteže za primjenu kod pokretanja i zaustavljanja turbostrojeva provedena je na industrijski značajnom primjeru vodne turbine tipa Francis. Izvedena je simulacija cjelovitog perioda koji se sastoji od zaustavljanja turbine s optimalne radne točke te ponovnog pokretanja na optimalnu radnu točku, a dobiveni rezultati uspoređeni su s dostupnim eksperimentalnim mjerenjima. Usporedba je izvedena prateći snagu turbine kroz cijeli period, te fluktuacije tlaka u dvije mjerne točke neposredno nakon izlaza iz rotora. Primjenom metode harmonijske ravnoteže postignuta je visoka razina točnosti uz značajnu uštedu proračunskog vremena u odnosu na konvencionalne metode simulacije. Zaključak: Temeljem provedenog istraživanja i predstavljenih rezultata, može se zaključiti da su postavljeni ciljevi istraživanja uspješno zadovoljeni i hipoteze istraživanja potvrđene. Iako je jasno da su učestale promjene radnih točaka kod turbostrojeva neizbježne, pojave koje se pritom javljaju skraćuju radni vijek stroja i ne mogu biti zanemarene. U svrhu istraživanja i razvoja turbostrojeva, računalna dinamika fluida predstavlja bitan alat u konstrukcijskom procesu, iako je kao alat za redovitu upotrebu još uvijek previše skup i spor, uz duge vremenske zahtjeve za dolazak do rezultata. U ovom radu je stoga predstavljena i validirana pojednostavljena metoda za analizu toka kod promjene radnog režima, koja bi mogla biti značajan korak prema praktičnom alatu u konstrukcijskoj fazi. U sklopu budućih istraživanja trebalo bi proširiti metodu na preostale tipove problema i turbostrojeva, budući da niz procesa i pojava nisu uzeti u razmatranje u okviru ovog rada: efekt stlačivosti, razne ne-osnosimetrične pojave poput izlaznog vrtloga kod Francis turbine, zatim turbostrojevi s mnogo stupnjeva, itd. Sve navedene pojave predstavljaju značajan utjecaj na tok u turbostroju, radni vijek i unutarnje pojave, te bi trebale biti razmotrene u okviru zasebnog istraživanja.

Suvremeni automatski mjenjači s planetarnim prijenosnicima uključuju velik broj stupnjeva prijenosa (i do 10), s ciljem smanjenja potrošnje goriva i emisija štetnih plinova, te poboljšanja voznih performansi. U prisustvu složene strukture mjenjača s mnogostrukim kombinacijama i profilima uključivanja spojki, potrebno je postići optimalne karakteristike upravljanja mjenjačem. U radu se prvo prikazuje modeliranje dinamike pogona vozila, s naglaskom na razvoj metoda automatskog modeliranja i automatskog reduciranja reda modela automatskog mjenjača. Automatsko generiranje modela automatskog mjenjača punog reda provodi se izravno iz veznog dijagrama mjenjača, te se taj model koristi za automatsko generiranje modela mjenjača reduciranog reda za proizvoljno, korisnički-definirano stanje spojki. U nastavku rada provodi se numeričko optimiranje upravljačkih varijabli promjene stupnja prijenosa automatskog mjenjača primjenom pseudospektralne kolokacijske metode. Temeljni cilj ove aktivnosti je dobivanje uvida u optimalno ponašanje automatskog mjenjača, posebice kod složenijih promjena stupnja prijenosa s dvostrukim prijelazom, kod kojih se istovremeno koriste četiri spojke. Zatim se predlažu praktični, po odsječcima linearni profili upravljačkih varijabli, koji se definiraju temeljem uvida dobivenih primjenom općeg pristupa optimiranja upravljačkih varijabli. Optimalne vrijednosti parametara loma tako definiranih upravljačkih profila (tj. upravljačkih strategija) određuju se primjenom više-kriterijskog optimiranja, pri čemu se rezultati optimiranja koriste za vrednovanje predloženih upravljačkih strategija uz preporuke za primjenu. S ciljem dobivanja optimalnog rješenja u prisustvu statistički poznatih varijacija temeljnih parametara odziva spojki s aktuatorom, u radu se provodi i stohastičko robusno optimiranje parametara profila upravljačkih varijabli. Konačno, dobiveni rezultati koriste se za sintezu realnog sustava upravljanja u interakciji s komandama vozača i za razne uvjete vožnje. Korištenje razvijenih metoda za modeliranje i optimiranje demonstrira se na primjeru naprednog 10-brzinskog automatskog mjenjača. A trend of increasing the number of forward gears of step-gear automatic transmissions (ATs) has emerged recently due to the legislative and market pressure for CO2 reduction and improved fuel economy. For the increased number of AT gears (up to ten, nowadays), the number of shift types and shift events grows significantly. For instance, in new generation ATs, multi-step gear shifts may be executed frequently in order to improve the driving performance. They include double-transition shifts, which require close coordination between multiple (typically four) clutch control inputs. The increasing shift complexity makes the development of AT control system more demanding, which calls for the development of new shift control optimisation tools and requires more exhaustive control system simulation and optimisation studies. Those studies are based on AT dynamics models, which can be of full order (covering the full spectrum of simulation and optimisation tasks) or reduced order (related to specific gears or shifts, and accounting for locked clutches). The reduced-order models are simpler and computationally more efficient, but their number exponentially grows with the number of AT gears, thus, burdening the modelling effort. Therefore, the development of methods that allow for automated generation of computationally efficient mathematical models is of particular interest. The thesis firstly presents modelling of vehicle powertrain system, where the emphasis is on automated AT modelling and automated AT model-order reduction. Next, numerical optimisation of AT control trajectory is conducted for the purpose of gaining insights into the optimal behaviour of AT for various single-transition and double-transition shifts. Finally, different viable definitions of control variable profiles (i.e. different open-loop control strategies) are proposed and multi-objective optimization of parameters of these profiles is carried out. The obtained optimisation results are employed for assessing the proposed control strategies, as well as for designing a more realistic control system that interacts with driver commands and accounts for various driving conditions. The main aim of the thesis is to propose procedures for automated modelling and automated model-order reduction of an advanced AT with a large number of gears, and based on these models, to propose the design of an optimal shift control system that ensures high shift quality and including robustness in the presence of variations of transmission actuation parameters. The thesis is organised in nine chapters, whose content is summarised in what follows. Chapter 1: Introduction. Outlines the motivation for conducted research, presents a literature overview, and gives the main hypothesis and an overview of the thesis. Chapter 2: Modelling of powertrain dynamics. Outlines a control-oriented powertrain model to be used in the simulation and optimisation studies in the next chapters. The powertrain model is divided into several submodels representing its main components (engine, torque converter, driveline and vehicle), including the key submodel that describes dynamics of a 10-speed AT. An analytical full-order state-space model of a 10-speed AT is derived by using a full-order bond graph model of the considered AT. Powertrain simulation models created in MATLAB/Simulink and 20-sim software environments are also presented. Chapter 3: Automated modelling and automated model-order reduction for automatic transmission. First, a method for automated generation of a full-order numerical AT model from an AT bond graph model is proposed. The proposed numerical method is implemented within the 20-sim and MATLAB software environments, where 20-sim is used to draw the bond graph and export it to (or simulate it by) a MATLAB script. Next, an automated model-order reduction method is proposed for an arbitrary, user-specified clutch state. The method is based on determining the locked-clutch torque variables and their substitution into the full-order statespace model input vector, as well as finding a linear relation between the reduced-order and full-order model state variables. The obtained reduced-order AT models are simpler and computationally more efficient, and are therefore widely used in the remaining part of the thesis for the purpose of computer simulations and optimisations, as well as for analyses of shift dynamics and control system design. Chapter 4: Method for optimisation of AT shift control trajectories. Proposes a method for optimisation of AT shift control trajectories, which aims at gaining insights into the optimal shift control performance and shift control trajectory shaping. After formulating the AT shift control optimisation problem, a pseudospectral collocation method is introduced to optimise AT clutch and engine control trajectories for comfortable and energy-efficient shifts. Since the optimisation method requires a smooth formulation of plant model, the emphasized clutch model non-linearity around the zero slip speed has been found to be a major difficulty to be resolved through proper modelling of the optimisation problem. Therefore, different approaches of describing the friction behaviour have been considered and assessed in a wider framework of this work, starting from simple explicit static models, through explicit dynamics models, toward torque-source-based implicit approaches subject to the clutch passivity constraint. The proposed optimisation method is verified and the clutch models assessed based on the example of 10-speed AT for different single-transition shift control scenarios. The characteristic AT dynamics effects are analysed by using a systematic and illustrative graphical approach based on the bond graph methodology and an equivalent dual-clutch model. Chapter 5: Optimisation of AT control trajectories for double-transition shifts. The AT control trajectory optimisation method presented in the previous chapter is utilized in this chapter for the purpose of double-transition shift control optimisation including engine torque control. With the aim to gain insights into optimal control action and coordination, six different DTS control strategies are proposed and assessed. These strategies are incorporated into the optimisation problem formulation through additional, shift phase-related constraints that the optimisation algorithm needs to satisfy. The proposed optimal strategies are assessed for an example of characteristic double-transition downshifts. Based on the summarized optimisation results obtained for different levels of clutch energy loss penalisation, it is found that the strategy characterized with quick release of the off-going clutches can provide an optimal compromise between shift comfort performance and energy loss reduction. The main features of optimised double-transition power-on downshift dynamics are analysed by using the reduced-order bond graph model. Chapter 6: Parameter optimisation of control profiles for single-transition shifts. This chapter proposes a method for multi-objective parameter optimisation and assessment of piecewiselinear time profiles of AT control trajectories, which are easy to interpret, implement and calibrate. The optimisation is aimed to find parameters defining the piecewise linear shift control profiles, which provide a good trade-off between the shift comfort and performance. The optimisation problem is solved by using the multi-objective genetic algorithm MOGA-II. As an extension of the parameter optimisation approach, a method for robust parameter optimisation is proposed, which aims at ensuring high shift quality and robustness in the presence of transmission actuation parameter variations. The objective is to find shift control profile parameters that simultaneously minimize mean values of vehicle jerk and shift duration indices as well as their standard deviations for improved robustness against change of transmission parameters. The overall optimisation approach is demonstrated on an example of a single-transition power-on upshift, and the obtained optimisation results are analysed and compared with control trajectory optimisation results. Chapter 7: Parameter optimisation of control profiles for double-transition shifts. The method for multi-objective parameter optimisation of piecewise linear control profiles is applied in this chapter to the case of more demanding double-transition power-on downshift. First, different definitions of piecewise linear control profiles (i.e. control strategies) are proposed for performing such downshifts. Next, control profile parameter optimisations are run for different shift scenarios, i.e. for various double-transition downshifts and different shift control strategies. Finally, the control strategies are assessed based on several performance indices extracted from parameter optimisation results. The assessment results, including qualitative and quantitative comparisons with the control trajectory optimisation results, show that the control strategy for which the off-going clutches are quickly released gives the best overall performance. Chapter 8: Scalable optimal shift control law. In this chapter, a systematic approach for proper scaling of shift control profiles obtained in chapters 6 and 7 is proposed, which aims at providing good shift quality in a wide range of shift conditions (e.g. for different transmission input torque and speed values at which the shift is initiated). In addition to such an adjustment of open-loop control profiles to driver commands, the shift control system is extended with closed-loop control actions for ensuring high shift quality and robustness in the presence of realistic powertrain uncertainties. The overall shift control system is thoroughly examined through computer simulations. Chapter 9: Conclusion. Outlines the main findings and the following major contributions of the doctoral thesis: (i) a method for automated modelling of an advanced automatic transmission with a large number of gears and an automated model order reduction method for an arbitrary, user-specified clutch state; (ii) optimisation of double-transition shift control trajectories related to clutch torque capacities and engine torque, and analysis of the obtained results with the aim of defining optimal gear shift characteristics; and (iii) profiling piecewise linear control trajectories for double-transition shifts, formulation of scalable control law in coordination with driver commands, and optimisation of piecewise-linear profiles including achieving robustness with respect to variation of transmission actuation parameters.

Modeliranje podataka predstavlja proces stvaranja modela podataka kojim se simboliˇcki opisuju hijerarhijski odnosi izmed¯u stvari i dogad¯aja u nekom sustavu ili procesu. Ontologije kao napredniji naˇcin modeliranja podataka na raspolaganju imaju ve´ci broj jeziˇcnih konstrukata u odnosu na uobiˇcajene naˇcine modeliranja. Uz navedeno, ontologije na raspolaganju imaju i zaklju ˇcivaˇc koji na temelju znaˇcenja daje logiˇcke zakljuˇcke koji utjeˇcu na hijerarhijsku strukturu i raspored objekata (instanci) klasa. S druge strane, evidencijsko zakljuˇcivanje predstavlja najnoviju metodu višekriterijskog odluˇcivanja temeljenu na Dempster-Shafer teoriji koja se odnosi na donošenje odred¯enih odluka s prisutnim, a cˇesto i konfliktnim, kriterijima. Kako bi se evidencijsko zakljucˇivanje moglo primijeniti nad OWL ontologijama potrebno je napraviti odred¯ene prilagodbe s obzirom da se OWL ontologija strukturno razlikuje od zahtjeva za primjenu evidencijskog zakljuˇcivanja. U ovoj disertaciji predstavljen je model prilagodbe najˇceš´ce korištene OWL ontologije u taksonomsku strukturu temeljen na HermiT zakljuˇcivaˇcu. Predloženi model dijeli se na tri glavna dijela. Prvi dio odnosi se na primjenu HermiT zakljuˇcivaˇca nad ulaznom ontologijom, a kao rezultat dobija se hijerarhijska struktura koja predstavlja ontologiju pri ˇcemu se u obzir uzimaju svi korišteni aksiomi OWL ontologije. Drugi dio odnosi se na primjenu algoritma za prilagodbu ontologije u taksonomsku strukturu gdje dobivena taksonomija zadovoljava pravila op´ceg stabla, odnosno, nad takvom taksonomijom mogu´ce je primjeniti evidencijsko zakljuˇcivanje. Tre´ci dio odnosi se na pripremu za proces primjene evidencijskog zakljuˇcivanja. Najbitniji dio modela prilagodbe je predloženi algoritam prilagodbe koji na temelju skupa pravila i podpravila rješava specifiˇcne situacije koje se mogu na´ci u ontološkoj strukturi u svrhu dobivanja taksonomske strukture. Kako bi se provjerila ispravnost prilagod¯ene strukture, predložena je metoda evaluacije koja se temelji na provjeri definirana tri svojstva, a to su svojstvo klasa, svojstvo veza i svojstvo povezanosti. Primjena predloženog modela prilagodbe, algoritma i metode evaluacije prikazana je na skupu ulaznih ontologija iz dostupnih repozitorija. Dobiveni rezultati prikazuju vremena izvršavanja zasebno za HermiT zakljuˇcivaˇc i predloženi algoritam prilagodbe, te vrijednosti definirana tri svojstva evaluacije prilagodbe. Iz rezultata je vidljivo kako bi se takav naˇcin prilagodbe mogao iskoristiti na ve´c postoje´cim modelima prikazanih u OWL ontologiji, a koji opisuju neki objekt ocjenjivanja u svrhu primjene evidencijskog zakljuˇcivanja Data modelling represents the process of creating data model which symbolically describes hierarchical relationships between things and events within a system or process. Ontologies as more advanced data modelling approach have greater number of available language constructs compared to usual data modelling methods. Also, ontologies use reasoner which generates logical conclusions based on meaning that affect hierarchical structure and instance membership. On the other hand, evidential reasoning represents the latest multiple criteria decision method based on Dempster-Shafer theory related to the decision making process with present, but often conflicted, criteria. In order to apply evidential reasoning over OWL ontologies it is necessary to apply some adjustments considering that OWL ontology is structurally different from demands that impose evidential reasoning. This dissertation presents adjustment model for commonly used OWL ontology into taxonomic structure based on HermiT reasoner. The proposed model is divided into three main parts. The first part is related to application of HermiT reasoner over input ontology resulting in hierarchical structure that represents original ontology regarding all used OWL ontology axioms. The second part is related to the application of ontology adjustment algorithm into taxonomic structure where resulting taxonomy satisfies general tree rules, i.e. evidential reasoning can be applied over such taxonomy. The third part is related to preparation for evidential reasoning application. The most significant part of the adjustment model is proposed adjustment algorithm that addresses specific situations existing in ontology structure based on set of rules and sub rules in order to get taxonomic structure. The evaluation method based on satisfying of three predefined properties (class property, relation property and connectivity property) in order to verify the adjusted structure correctness is proposed. The application of proposed adjustment model, adjustment algorithm and evaluation method is performed over the input set of ontologies from available online repositories. The results show executing times separately for HermiT reasoner and proposed adjustment algorithm and also the values of three predefined evaluation properties. The results show that proposed adjustment method can be used over existing data models represented in OWL ontology that describe some object of evaluation in order to apply evidential reasoning.

Developing new technologies is one of the most important goals of contemporary scientific and industrial research. Understanding how a technology domain evolves and its current state is invaluable in an ecosystem seeing the speed of technology evolution increasing at rapid pace. An overview of existing literature showed that while there is a significant volume of research focusing on using patents to study technology change, most of this research, in a technology evolution context, focuses on studying technology trajectories and convergence, with limited research combining insights from research based on other resources (i.e. paper citations) and applied to patent networks. Moreover, the review of literature shows that the majority of patent analysis methods focus on exploring technology development trajectories by examining the direct citations of patents. While this approach provides insight into the generational flow of knowledge, it provides little insight into how existing patents might combine and co-contribute to a future patent in the form of co-citations. Finally, a review of literature showed that the vast majority of patent-based methods for life cycle analysis as well as prediction base themselves on models derivate of the basic S – Curve model, providing little understanding of the underlying dynamics of patent attributes and their correlation to the life cycle phases. Quantitative methods not based on the S-Curve model mostly do not use patent data as a primary data source and give limited insight into the future knowledge flows. This thesis aims to present a novel way of exploring the life cycle stages of a technology domain by conducting a dynamic growth analysis of a patent citation network, with patents being used as proxies for technological invention and patent citations representing the flow of knowledge. Additionally, new insights into the dynamics of the flow of knowledge within a technology domain are made by applying several link prediction algorithms to patent co-citation networks with the goal of identifying the link prediction algorithms most successful in describing the underlying intuition of co-citation network growth. Moreover, the dynamics of co-citation creation are explored by determining which part of a technology domains life cycle influences the link prediction algorithms precision the most and when the predicted links occur. Two technology domains are explored; the car headlights technology domain representing a mature technology and the neuromorphic hardware technology domain representing an emerging technology. The choice of two technologies different in nature is deliberate; this way, the evolution of two different types of technologies can be explored and compared, helping to identify the particularities of each technologies evolution. The presented methodology for exploring the evolution of a technology domain consists of creating a dataset containing patents representing the studied technology domain and conducting a pair of technology life cycle (TLC) analyses. The first life cycle analysis is performed using an established method based on the cumulative number of patent applications over time, while the second is performed using a novel method based on analysing the dynamic growth of a patent citation network. An algorithm is introduced to convert the patent citation network into a patent co-citation network. Several link prediction algorithms are applied to the created co-citation networks to explore the underlying intuition governing co-citation network growth. The study results show that a correlation exists between the stages of a technology domains life cycle and changes in the dynamics of patent citation network growth. The transition of the mature technology domains life cycle stage from growth to maturation correlates with a noticeable change in patent citation growth dynamics. Additionally, examining the emerging technology domain, it is found that a correlation exists between the time when an exponential increase in the number of inventions starts and a change in the dynamic of patent citation network growth. The Preferential Attachment link prediction algorithm is shown to be the most successful in predicting missing links in a mature technology. The results indicate that the patent co-citation occurring at the end of the growth TLC stage and the start of the maturation TLC stage contribute the most to the algorithm's precision. Moreover, it is demonstrated that most of the predicted missing links occur in a time frame closely following the application of the link-prediction algorithm. The results of studying the emerging technology domain show that link prediction algorithms have a significantly lower success in predicting missing links. The Adamic/Adar, Resource Allocation Index and Jaccard Coefficient show a moderate to low success in predicting missing links while the Preferential Attachment shows no precision. This thesis provides a contribution in both a theoretical and practical context. In a theoretical context, the theoretical background of previous studies is expanded with new insights in patent citation networks growth as well as the dynamics of patent co-citation network growth. In a practical context, it is demonstrated that companies involved in planning for the short term should consider the knowledge contained in the patents relevant to their respective fields, reinforcing the notion that proper knowledge management is an invaluable tool to companies aspiring to innovate or produce innovative products. Razvoj novih tehnologija je jedan od glavnih ciljeva današnje znanosti i industrijskog razvoja. Kako bi stekle dominantan i povoljan položaj na tržištu, tvrtke koje posluju u kompetitivnom globalnom okruženju pokušavaju unaprijediti svoje razvojne procese, razviti nove proizvode ili ponuditi nove usluge na tržištu temeljeno na unaprijeđenim ili novim tehnologijama. Sukladno tome, suvremena istraživanja trendova nadolazećih tehnologija i njihovog razvoja temeljenog na tehničkim inovacijama predstavljaju sve značajniji dio istraživačkih i praktičnih napora u akademiji i industriji. Određivanje smjera razvoja tehnologije se može koristiti u industriji za potporu strateškom i dugoročnom planiranju razvoja proizvoda, procesa i usluga. Svrha određivanje smjera razvoja tehnologije je strukturirano razumijevanje i opisivanje odnosa između tehničkih inovacija, njihove implementacije u fizičke sustave i usluge, te razvoja tržišta kroz vrijeme. Iako je većina postojećih pristupa koji se za to koriste u praksi kvalitativna, istraživači pokušavaju razviti kvantitativne metode za podršku određivanju smjera razvoja budućih tehnologija. Trenutno ne postoji metoda koja omogućuje uspješno kombiniranje kvalitativnih i kvantitativnih pristupa na prikladan način. Organizacije koje posluju u visoko kompetitivnim okruženjima imaju potrebu za pravovremenim saznanjima o nadolazećim tehnologijama kako bi mogle pravovremeno planirati unapređenje proizvodnih i poslovnih procesa, te uvođenje novih proizvoda ili usluga na tržište. Istraživanja o uvjetima i načinim nastanka novih tehnologija, te proučavanje dinamike njihovog razvoja, značajna su u teoretskom kao i u praktičnom smislu. Svrha predviđanja smjerova razvoja tehnologije je minimizirati ili ukloniti iznenađenja saznanjima o svim mogućim ishodima tehničkog razvoja. Spoznajom da su se tradicionalni modeli predviđanja razvoja tehnologije, primjerice Moorov zakon ili Kryderov zakon, pokazali nepreciznim, javlja se potreba za novim modelima koji bi omogućili unapređenje uvida u smjerove razvoja tehnologije. Kod proučavanja razvoja tehnologije ključan je pojam „evolucija“ tehnologije koji podrazumijeva unapređenje performansi tehnologije kroz vrijeme. Literatura opisuje dva modela evolucije tehnologije: kontinuirani i diskontinuirani. Istraživači koji zagovaraju model kontinuirane i inkrementalne evolucije tehnologije tvrde da se taj proces odvija putem rekombinacije i sinteze osnovnih elemenata postojeće tehnologije, te tvrde kako je unapređenje performansi tehnologije u tim aktivnostima rezultat promjene u shvaćanju, vrijednostima, kulturi, organizacijskoj strukturi, resursima i ključnim kompetencijama ljudi koji rade u razvoju kao i društva u cjelini. Za te istraživače je inovacija društveni proces koji se zasniva na akumulaciji malih unapređenja, a ne na značajnom doprinosu genijalnih pojedinaca. Istraživači koji zagovaraju model diskontinuirane evolucije tehnologije, tvrde da se tehnologija unapređuje kroz razdoblja inkrementalnog unapređenja koja su isprekidana s diskontinuiranim pomacima. Oni tvrde kako proizvodi i usluge koji se temelje na potpuno novim tehničkim inovacijama kreiraju značajan napredak te postaju dominantna tehnologija što za posljedicu ima diskontinuirani pomak. Metodologija Metodologija istraživanja temelji se na općoj metodologiji istraživanja u znanosti o konstruiranju te se sastoji od 4 temeljna koraka: preliminarno istraživanje (razjašnjenje problema, definiranje ciljeva istraživanja i hipoteza), deskriptivno istraživanje I (definiranje teoretske podloge i pregled modela), preskriptivno istraživanje (izrada teoretskog okvira, kreiranje empirijske studije) i deskriptivno istraživanje II (empirijske studije te diskusija rezultata). Preliminarno istraživanje obuhvaća pregled postojeće stručne i znanstvene literature u području istraživanja. Na temelju pregleda područja, uspostavljen je inicijalni opis postojeće situacije, kao i opis željenih rezultata, s ciljem definiranja osnovnih pretpostavki istraživanja. Uvidom u postojeću literaturu napravljen je pregled teoretskih osnova korištenja patenata kao posrednika za tehnološke izume, teoretskih pristupa opisivanja evolucije tehnologije te teoretskih pristupa predviđanja razvoja tehnologije. Nadalje, uvidom u postojeću literaturu napravljen je pregled modela za opisivanje i predikciju razvoja tehnologije pri čemu je naglasak stavljen na modele koji kao svoj temelj imaju patentne prijave. Ishod ovog koraka je definiranje rupa u području te formuliranje istraživačkih pitanja, čime je usmjeren daljnji tijek istraživanja. Na temelju rezultata pregleda literature definirana je teoretska podloga istraživanja, koja sintetizira ranije prezentirane teoretske pristupe u jedan zajednički okvir unutar kojega će se vršiti istraživanje. Pojašnjen je odabir pojedinih teoretskih pristupa kao i njihov odnos s istraživačkim pitanjima i hipotezom. Empirijsko istraživanje sastoji se od dvije studije, pri čemu prva istražuje tehnologiju u zreloj fazi svog životnog ciklusa, a druga istražuje tehnologiju na početku svog životnog ciklusa. Obje studije su strukturirane na isti način, te se sastoje od empirijskog i eksperimentalnog dijela. Empirijski dio obje studije fokusiran je na analizu životnog ciklusa tehnologije, koristeći postojeću metodu temeljenu na kumulativnom broju patentnih prijava te koristeći novu metodu temeljenu na dinamičkoj analizi rasta mreže. Eksperimentalni dio obje studije fokusiran je na primjenu algoritma za predviđanje stvaranje veza na mreži kocitata patenata te istraživanje dinamike stvaranja kocitata. Verifikacija modela napravljena je kroz diskusiju rezultata, pri čemu se daje odgovor na ranije definirana istraživačka pitanja te hipoteze istraživanja. Teoretska osnova Preliminarnim pregledom literature fokus istraživanja usmjeren je na metode za modeliranje i predviđanje evolucije tehnologije temeljene na patentima. Izložena je teoretska podloga za korištenje patenata kao posrednika za tehnološke izume, pozivajući se na postojeću praksu koja patente promatra kao pouzdane formalizirane zapise izuma. Naglasak je stavljen na metode za kreiranje skupova patenata koji precizno opisuju tehnološku domenu. Nadalje, naglasak je stavljen na razumijevanje svojstava patenata te identifikacije meta podatka unutar patenta koji će se koristiti kao temelj za ovo istraživanje. Predstavljen je koncept toka znanja unutar tehnološke domene te njegova povezanost s evolucijskim etapama tehnološke domene. Istraživanje se temelji na teoriji koja dijeli životni ciklus tehnologije na četiri etape pri čemu se kumulativna vrijednost određenih karakteristika tehnologije može opisati S-krivuljom. Konačno, predstavljena je mreža kocitata patenata kao temelj za predviđanje toka znanja unutar tehnološke domene. Pretpostavka je da predviđanjem nastanka novih veza unutar mreže kocitata možemo predvidjeti utjecaj starijih izuma na nove. Spajanjem teorija iz ova tri područja stvorena je teoretska osnova istraživanja, sintetizirana kroz tri pretpostavke. Ova teoretska osnova podupire analizu i interpretaciju rezultata te pomaže u donošenju širih generalizacija. Empirijske studije Izvršene su dvije studije s ciljem odgovaranja na istraživačka pitanja i verifikacije hipoteze. Obje studije slijede istu strukturu te se sastoje od sljedećih koraka. Prvi korak studije sastoji se od kreiranja skupa patenata koji opisuju tehnološku domenu, pri čemu je korištena prilagođena inačica postojeće i potvrđene metodologije. Samo empirijsko istraživanje sastoji se od dvije pod-studije. Prva pod-studija je empirijske naravi te se sastoji od provođena analize životnog ciklusa tehnološke domene. Napravljene su dvije analize životnog ciklusa tehnologije gdje je prva analiza napravljena koristeći utvrđenu metodu temeljenu na kumulativnom broju patentnih prijava dok je druga analiza napravljena metodom predstavljenom u ovom istraživanju, a koja se temelji na dinamičkoj analizi rasta mreže citata patenata. Druga pod-studija je eksperimentalne naravi, te se sastoji od primjene algoritama za predviđanje nastajanja veza unutar mreže na mrežu koja predstavlja kocitate patenata unutar tehnološke domene. Nadalje, proučava se dinamika stvaranja kocitata unutar tehnološke domene s naglaskom na otkrivanje koji patenti najviše utječu na stvaranje novih kocitata te kada se predviđeni kocitati stvaraju. Koristeći navedenu strukturu studije, analizirane su dvije tehnološke domene. Prva tehnološka domena sastoji se od patenata koji opisuju svjetla na automobilima. Ova tehnološka domena predstavlja primjer tehnologije u zadnjoj fazi svog životnog ciklusa. Druga tehnološka domena sastoji se od patenata koji opisuju neuromorfno sklopovlje. Ova tehnološka domena predstavlja tehnologiju na početku svog životnog ciklusa. Primjenom metodologije na tehnologije u različitim fazama njihovog životnog ciklusa ispituje se može li se metodologija generalizirati na sve tehnološke domene, ili samo tehnološke domene koje dijele određene karakteristike. Rezultati empirijski studija Rezultati prve studije, koja proučava tehnološku domenu u zadnjoj fazi svog životnog ciklusa, pokazuju da se dinamički rast mreže citata sastoji od dvije diskretne faze. U prvoj fazi krivulja koja opisuje rast prati generalno pozitivni trend nakon čega kreće faza negativnog trenda, pri čemu pozitivan trend krivulje označava period gdje se stvara više novih patenata od citata dok negativan trend označava period gdje se stvara više citata od novih patenata. Točka prelaska iz pozitivnog u negativni trend približno odgovara početku sazrijevanja životnog ciklusa tehnologije koja je određena analizom temeljenoj na kumulativnom borju patentnih prijava. Ovim je rezultatima pokazana korelacije između dinamike faza životnog ciklusa tehnologije i dinamike rasta mreže citata. Rezultati empirijske pod-studije pokazuju da prva polovina životnog ciklusa tehnologije, koja se sastoji od faza uvođenja i rasta, prati trend gdje se stvara više novih patenata nego citata. U kontekstu evolucije tehnologije, ovo pokazuje da ove faze životnog ciklusa tehnologije generiraju pretežito originalne i inovativne izume. Druga polovica životnog ciklusa tehnologije, koja se sastoji od faze zrelosti i opadanja, stvara manje inovativne izume koje se većinom temelje na prijašnjim izumima. Druga pod-studija prve studije pokazala je da mreža kocitata patenata raste sljedeći intuiciju preferencijalne vezanosti, odnosno da vjerojatnost da neki patent bude kocitiran raste s brojem kocitata koje ima. Nadalje, pokazano je da novi izumi većinom citiraju mlađe patente, odnosno da većine toka znanja proizlazi iz mlađih patenata. Konačno, pokazano je da većina predviđenih kocitata nastane u bližoj budućnosti. Rezultati druge studije, koja proučava tehnološku domenu na početku svoga životnog ciklusa, pokazuju da graf dinamičkog rasta mreže citata kreće s fazom negativnog trenda nakon čega kreće faza pozitivnog trenda. Točka prelaska iz negativnog u pozitivni trend približno odgovara trenutku kada broj prijavljenih patenata unutar tehnološke domene počinje eksponencijalno rasti, što je vidljivo iz analize životnog ciklusa na temelju kumulativnog broja prijavljenih patenata. Druga pod-studija druge studije nije pokazala je da mreža kocitata patenata koji opisuju tehnološku domenu u prvoj fazi svog životnog ciklusa ne prati nikakvu intuiciju rasta. Od četiri razmatrana algoritma za predviđanje veza unutar mreže, niti jedan nije uspješno opisao intuiciju rasta mreža. Štoviše, algoritam preferencijalne vezanosti pokazao je najmanju preciznost, Vrednovanje istraživanja Vrednovanje metode provedeno je raspravom kojom se adresiraju istraživačka pitanja i ciljevi istraživanja te hipoteza. Pri raspravi se također koriste saznanja iz dostupne literature. Rezultati obje studije vezani za prvo istraživačko pitanje ukazuju da postoji korelacija između dinamike stvaranja citata patenata i faze životnog ciklusa promatrane tehnološke domene. Ova korelacija se primarno manifestira kao promjena u omjeru broja novo stvorenih patenata i novo stvorenih citata. Ova promjena je jasno uočljiva na vizualizaciji rezultata analize dinamičkog rasta mreže citata patenata. U slučaju zrele tehnologije, vrijeme tranzicije iz faze rasta u fazu zrelosti podudara se s promjenom u rezultatu dinamičke analize rasta gdje pozitivne trend rasta prelazi u negativni trend. Kod tehnologije na početku svog životnog ciklusa, nagli porast kumulativnog broja prijavljenih patenata podudara se s promjenom u rezultatu dinamičke analize rasta gdje trend rasta prelazi iz negativnog u pozitivni. Rezultati vezani za drugo, treće i četvrto istraživačko pitanje doprinose razumijevanju dinamike stvaranje kocitata patenata unutar tehnološke domene. Rezultati prve empirijske studije pokazuju da dinamika rasta mreže kocitata patenata, kreirane od patenata koji predstavljaju zrelu tehnologiju, prati sličnu dinamiku kao i kocitati istraživačkih radova, točnije dinamiku preferencijalne vezanosti. Ovi rezultati ukazuju da tok znanja slijedi sličnu dinamiku širenja u oba nositelja znanja. Na temelju vrednovanja istraživanja naglašeni su sljedeći doprinosi, kako u teoretskom tako i u praktičnom kontekstu. Prvi teoretski doprinos sastoji se od uvođenja novog načina za istraživanje faze životnog ciklusa tehnološke domene. Točnije, predstavljen je novi način određivanja faze životnog ciklusa tehnologije na temelju analize dinamičkog rasta mreže citata patenata. Drugi teoretski doprinos sastoji se od pružanja uvida u to kako se elementi znanja šire unutar tehnološke domene. Razumijevanjem obrazaca difuzije znanja, dobiva se uvid u ishodišnu intuiciju toka elemenata znanja. Posljedično, ova se spoznaja može iskoristiti za predviđanje difuzije znanja u budućnosti. Nadalje, dodatno istraživanje dinamike toka elemenata znanja mogu pružiti uvod u to koje tehnologije iz životnog ciklusa tehnološke domene najviše utječu na buduće izume, kao i vrijeme pojave tih budući izuma. U praktičnom kontekstu, ovi su rezultati primjenjivi na mikro i marko razini. Na mikro razini, metode iz ovog istraživanja mogu biti korištene u ideacijskoj fazi razvoj proizvoda. Primjene algoritma za predviđanja veza na mrežu kocitata patenata može korisniku pružiti uvid u dotad neistražene kombinacije patenata. Ovaj pristup se nadovezuje na postojeća istraživanja koja promatraju proces invencije kao kombinatorički proces. Na makro razini, metode iz istraživanja se mogu koristit na razvoju strategije razvoja tehnološkog portfolija.

Povećanjem brige o okolišu i težnjom za smanjenjem troškova transporta problem usmjeravanja vozila (VRP) postaje sve važnija stavka u razvijenim društvima. Navedeni problem je kombinacija nekoliko klasičnih optimizacijskih problema (problem trgovačkog putnika, problem pakiranja). U radu je istraženo nekoliko inovativnih metoda koje bi se mogle primijeniti na širokom spektru problema iz stvarnog svijeta (prikupljanje otpada, dostava ...). Osnovne poteškoće na koje se nailazi su vrijeme potrebno za pronalaženje prihvatljivih rješenja i iznimno velik prostor pretraživanja rješenja. Kako bi se ostvarilo bolje rezultate od postojećih potrebno je bolje usmjeravanje prilikom pretraživanja kako se ne bi trošilo vrijeme na istraživanje nekvalitetnih rješenja. Koristeći genetičko programiranje i pohlepne funkcije moguće je brzo stvoriti početno rješenje cjelobrojnog problema usmjeravanje vozila s ciljem posluživanja određenih lokacija određenim skupom vozila, te brzo poboljšanje tako dobivenih početnih rješenja. Naknadno poboljšanje početnih rješenja moguće je opisanim paralelnim algoritmima za usmjeravanje vozila. Nakon što su dobiveni rezultati za problem usmjeravanja vozila, uočeno je da te iste rezultate ponekad nije moguće primijeniti u stvarnom svijetu. Novonastali problem riješen je stvaranjem jedinstvenog inteligentnog autonomnog prometnog sustava koji ima mogućnosti pratiti stanje prometa, otkriti moguće probleme, promijeniti stanje prometa korištenjem automatiziranog planiranja u cilju ostvarivanja bolje protočnosti prometa. Korištenjem predloženog sustava pokazano je efikasnije upravljanje prometnim sustavima. Increasingly complex variants of the vehicle routing problem with time windows (VRPTW) are coming into focus, alleviated with advances in the computing power. VRPTW is a combination of the classical travelling salesman and bin packing problems, with many real world applications in various fields – from physical resource manipulation planning to virtual resource management in the ever more popular cloud computing domain. The basis for many VRPTW approaches is a heuristic which builds a candidate solution that is subsequently improved by a search or optimization procedure. The choice of the appropriate heuristic may have a great impact on the quality of the obtained results. In this work genetic programming is used to evolve a suitable heuristic to build initial solutions for different objectives and classes of VRPTW instances. Additionally 2-phase parallel algorithm has been proposed to improve initial results obtained by genetic programming. Proposed solution is based on the divide and conquer paradigm, decomposing problem instances into smaller, mutually independent sub-problems which can be solved using traditional algorithms and integrated into a global solution of reasonably good quality. The results show great potential, since this method is applicable to different problem classes and user-defined performance objectives. It has been noticed that sometimes results for vehicle routing problem could not be used in real world applications, due to dynamic behaviour of transport systems (incidents or traffic congestion). Improving traffic control has been studied in this work. Solving traffic congestions represents a high priority issue in many big cities. Traditional traffic control systems are mainly based on pre-programmed, reactive and local techniques. This work presents an autonomic system that uses automated planning techniques instead. These techniques are easily configurable and modified, and can reason about the future implications of actions that change the default traffic lights behaviour. The proposed implemented system includes some autonomic properties, since it monitors the current traffic state, detects whether the system is degrading its performance, sets up new sets of goals to be achieved by the planner, triggers the planner that generates plans with control actions, and executes the selected courses of actions. The obtained results in several artificial and real world data-based simulation scenarios show that the proposed system can efficiently solve traffic congestion.

Istraživanjem se proučila mogućnost predviđanja odstupanja u ponašanju složenih tehničkih sustava u odnosu na ponašanje sustava s predviđenim radnim parametrima. Neočekivano (neizvjesno) ponašanje sustava u promjenljivoj radnoj okolini modelirana je: modelom arhitekture tehničkog sustava i modelom ponašanja tehničkog sustava. Model arhitekture sustava temelji se na matrici komponenata DSM (engl. Design Structure Matrix), matričnom zapisu komponenata sustava. Ponašanje sustava modelirano je prediktivnom metodom upravljanja. Obostrano preslikavanje podataka između modela omogućava modeliranje ponašanja sustava u neizvjesnim situacijama. Pomoću, u okviru istraživanja, razvijenog algoritma i postojećih računalnih alata, verificirani su rezultati istraživanja, na realnim primjerima složenih tehničkih sustava. The research explore the possibility of predicting deviation in the behaviour of complex technical systems in relation to the system behaviour with predicted operating parameters. Unexpected (uncertain) behaviour of a system in a variable operating environment was modelled with: a technical system structure model and a technical system behaviour model. The system structure model is based on a DSM (Design Structure Matrix), matrix record of system components. System behaviour was modelled using a predictive control method. Bilateral data mapping between models enable system behaviour modelling in uncertain situations. Using an algorithm developed within the research and existing computing tools, research results were verified using real examples of complex technical systems.

Vode koje sadrže povišene koncentracije fluorida predstavljaju javnozdravstveni problem i prijetnja su za okoliš. Adsorpcija je jedna od najčešće korištenih metoda za uklanjanje fluorida iz vode. Stoga su u ovom radu ispitana adsorpcijska svojstva četiri komercijalna aktivna ugljena te njihovih modificiranih oblika dobivenih oksidacijom s HNO3 i H2O2. Ispitivanje adsorpcijskih svojstava svih adsorbensa obuhvaćalo je utjecaj početne koncentracije fluorida (2 – 40 mg/L), pH vrijednosti (4 – 9), vremena adsorpcije (15 – 360 minuta), koncentracije adsorbensa (2 – 20 g/L) i temperature (25 – 45 ºC). Rezultati istraživanja pokazali su smanjenje udjela adsorbiranih fluorida povećanjem njihove početne koncentracije dok je povećanje temperature pozitivno djelovalo na povećanje udjela uklonjenih fluorida. Najveća količina adsorbiranih fluorida ostvarena je pri pH vrijednostima od 4 do 6. S ciljem određivanja mehanizma adsorpcije primijenjene su Langmuirova, Freundlichova, Temkinova i Dubinin-Radushkevicheva izoterma pri čemu su eksperimentalni podaci pokazali najbolje slaganje s Freundlichovim modelom pri svim temperaturama dok je kinetičkim modelom pseudo-drugog reda najbolje opisana brzina adsorpcije. Povećanje temperature adsorpcije pozitivno je utjecalo na adsorpcijska svojstva aktivnih ugljena pri svim ispitanim parametrima. Iz dobivenih rezultata istraživanja može se zaključiti kako su ispitani komercijalni aktivni ugljeni, a posebice njihovi oksidirani oblici, pogodni za uklanjanje povišenih koncentracija fluorida iz vode. The water containing high fluoride ions could do harm to human and environment and the adsorption process is widely used method for the removal of fluoride. In this study, the applicability of four commercial activated carbons as adsorbents for the removal of excess fluoride from water was investigated. Activated carbons were also modified by liquid-phase oxidation using HNO3 and H2O2. Adsorption experiments were carried out at various initial fluoride concentration (2 – 40 mg/L), pH (4 – 9), time interval (15 – 360 minutes), adsorbent dose (2 – 20 g/L) and temperature (25 – 45ºC). The amount of fluoride adsorbed decreased with increasing initial fluoride concentration but increased with temperature increasing. The optimal pH for the adsorption was from 4 to 6. Adsorption isotherms have been modeled using Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich isotherms and adsorption followed Freundlich isotherm model. From the results of various kinetic models, pseudo-second-order fit well with the fluoride adsorption kinetic conducted at different temperature. Study of temperature effect on fluoride adsorption confirmed the endothermic behavior of the process. As a result of this study, it was concluded that activated carbons and their oxidized forms are efficient adsorbent for the removal of fluoride. The ability of oxidized activated carbon to remove fluoride ions was greater than with non-oxidizing.

Postupci rasporedivanja programa na sklopovlje vazan su mehanizam ucinkovitog koristenja novih sklopovskih tehnologija u podrucju racunarstva visokih performansi (HPC). Postoje mnoge vrste takvih postupaka, no najrasireniji i najbolji su postupci rangiranja jedinica programa te (meta)heuristicki postupci vecinom zasnovani na vodenom lokalnom pretrazivanju. Medutim, prate ih nestrukturiranost i nemogucnost da u punoj mjeri koriste raznorodnu prirodu sklopovlja, posebice komunikacijske mreze medu obradbenim jedinicama. Problem stvara i rastuca potreba za pracenjem visestrukih pokazatelja kvalitete (vrijeme izvrsavanja, energija, troskovi itd.), kao i manjak podrske za davanjem vaznosti pojedinim pokazateljima kvalitete. U ovom radu predstavljamo LOSECO modularni programski okvir za optimalno dodjeljivanje programa na raznorodne raspodijeljene racunalne sustave. U sklopu tog okvira predstavljamo i skup modela s posebnim naglaskom na modelu programa u obliku mijesanoga aciklickoga grafa koji omogucuje istovremeni prikaz vremenskog slijeda medu jedinicama programa i njihove sinkrone komunikacije te okvir za univerzalni model rasporedivanja pomocu vise korisnicki nagla senih kriterija (pokazatelja kvalitete). Uz to smo razvili i unaprijedeni postupak rasporedivanja u dva koraka, RaPPaMaG, koji koristi navedene modele kako bi omogucio particioniranje programa na vremenski neovisne faze izvrsavanja, a zatim i optimalno rasporedivanje dobivenih particija. Pokazali smo da postupak RaPPaMaG, osim na programe u obliku mijesanoga grafa, mozemo primijeniti i na postojece programe iz repozitorija Pegasus te alata za njihovo stvaranje TGFF. S druge strane razvili smo jos jedan unaprijedeni postupak rasporedivanja, RaNDKiP, zasnovan na rangiranju jedinica programa, koji omogucuje iskoristavanje raznorodnosti mreze medu obradbenim jedinicama kako bi unaprijedio dobiveni raspored u odnosu na postojece postupke HEFT i LDCP. Osim skracivanja vremena izvrsavanja programa, postupak RaNDKiP omogucuje smanjivanje utroska energije labavljenjem nekriticnih vremenskih isjecaka u rasporedu tzv. postupkom LVI. Postupak LVI omogucuje smanjenje utroska energije od 14% do 20% u prosjecnom slucaju ovisno o tipu prethodno upotrijebljenog postupka rasporedivanja. In high performance computing (HPC) scheduling methods are one of the most important mechanisms that ensure the ecient use of the emergent hardware technologies. Amongst dierent types of scheduling, list scheduling methods and various guided local search-based (meta)heuristics are considered as the best, and therefore they are widely used. However, these methods lack structured approach as well as the ability to fully exploit the heterogeneous nature of the existing hardware, mostly the heterogeneity of its network. Another problem is the growing number of dierent quality attributes, such as execution time, energy consumption, costs, etc., their simultaneous use, and their prioritization. In this thesis we introduce LOSECO framework, a modular structure of the comprehensive scheduling system. Within this framework we present a set of models, with one of them being the novel mixed acyclic graph software model that allows simultaneous description of the time dependency between software units and their synchronous communication and the other being the multiple-criteria scheduling model which allows the use of the multiple user prioritized criteria (quality attributes). Furthermore, we have developed RaPPaMaG, an improved scheduling method that comprises two steps: partitioning, which exploits new structure of the software model in order to split the program into the time independent execution phases, and the allocation step which allows their optimal allocation. We have shown that RaPPaMaG can be applied to the mixed acyclic graph software model, as well as the directed acyclic graph representation of the existing workloads from Pegasus and ones generated by TGFF. Additionally, we have developed a second improved, list-based, scheduling method called RaNDKiP, which exploits network heterogeneity, enabling shorter schedule lengths in heterogeneous systems when compared to the ones obtained by existing HEFT and LDCP. In addition to reducing the schedule length, RaNDKiP also enables lowering of the power consumption by slacking the non-critical time slots via LVI procedure. Our experimental analysis has shown that in the average case LVI reduces energy consumption by 14% to 20%, depending on the previously used scheduling method.

U ovoj disertaciji predložena su dva nova postupka za razvrstavanje nesigurnih objekata. Prvi postupak omogućuje razvrstavanje prostornih podataka zasnovano na simetralnoj podjeli prostora, te usporedbi i odbacivanju grozdova. Postupak znatno smanjuje broj računanja očekivanih udaljenosti i ubrzava proces odbacivanja grozdova u odnosu na postojeće postupke. Drugi postupak dijeli područja skupa objekata određivanjem prostornih odnosa objekata s ciljem povećanja mogućnosti paralelne obrade. Postupkom je omogućeno paralelno izvođenje procesa razvrstavanja. Postupak ne zahtijeva dodatna ulaganja u opremu, jer se može izvoditi na računalu s više jezgri. Razvijeni postupci iskorišteni su za stvaranje modela predviđanja ponašanja uslužnog sustava razvrstavanjem postojećih podataka o objektima uslužnog sustava. Pomoću modela mogu se predvidjeti zahtjevi za uslužnim sustavom i djelovati prema zahtjevima. Postiže se smanjenje troškova uslužnog sustava i povećava broj zadataka koje uslužni sustav može obaviti. Two original procedures for clustering spatially uncertain data are proposed in this dissertation. The first procedure enables the clustering of spatial data based on bisector division of space, using comparison and cluster pruning. It significantly reduces the number of the expected distances calculations and speeds up the process of clusters pruning in comparison to existing procedures. Second procedure divides the data set area using spatial relations among objects to increase the possibility of parallel processing. The procedure enables parallel execution of the clustering process. The procedure does not require additional investments in equipment, because of use a computer with multiple cores. Presented procedures are used for creating a model for prediction of behaviour service-oriented system, using clustering of existing data about objects of service-oriented system. This model can predict the requirements for service-oriented system and prepare according to the requirements. Costs are reduced and increased the number of tasks that can be done by service-oriented system.

U ovom radu prikazana je konačnoelementna analiza stabilnosti tankostjenih kompozitnih grednih konstrukcija. Korišten je gredni konačni element pod pretpostavkom velikih pomaka, ali malih deformacija. Izvedena je linearna i nelinearna analiza stabilnosti. Kod linearne analize korišteno je nelinearno polje pomaka koje uzima u obzir efekte velikih rotacija, a kod nelinearne analize implementirana je korotacijska formulacija koja je linearna na nivou elementa, a geometrijska nelinearnost se uvodi transformacijom iz lokalnog u globalni koordinatni sistem. Lokalni koordinatni sistem prati gredni konačni element i dopušta pojednostavljene konstitutivne jednadžbe na nivou lokalnog elementa. Korištena je klasična laminatna teorija za kompozite ojačane vlaknima. Model je primjenjiv na različite poprečne presjeke, rasporede slaganja slojeva laminata i rubne uvjete. Korištena je pretpostavka da je kutna deformacija srednje plohe jednaka nula i da se poprečni presjek ne deformira u svojoj ravnini. Analitički model također opisuje linearno viskoelastično ponašanje vlaknima ojačanih plastičnih kompozitnih laminiranih greda. Razvijen je računalni program koji je verificiran na testnim primjerima. This work presents a finite element algorithm for buckling analysis of thin-walled laminated composite beam-type structures. One-dimensional finite element is employed under the assumptions of large displacements, but small strains. Stability analysis has been performed in an eigenvalue manner with non-linear displacement field of cross-section which includes the large rotation effects and in load-deflection manner using co-rotational formulation. The co-rotational description, used in this work, is linear on element level and all geometrically non-linear effects are introduced through the transformation from the local to the global coordinate system. The local coordinate system follows the element chord during the deformation and allows the use of simplified strain-displacement relations on the local element level. Classical lamination theory for thin fibre-reinforced laminates is employed in this work. The model is applicable to any arbitrary laminate stacking sequence, shape of the cross section and boundary conditions. The shear strain of middle surface is assumed to be zero and the cross-section is not distorted in its own plane. Analytical model also predict the linear viscoelastic behavior of thin-walled laminated fiber-reinforced plastic composite beams. Computer program has been developed and verified on test examples.

The aim of this thesis is to provide a support to the beginning of the conceptual development phase by offering designers the possibility to computationally synthesise technical processes in order to obtain operand transformation variants in the respect to known technological principles. To accomplish the aim the following objectives had to be met: a theoretical objective which considered the development of a method for generation of operand transformation variants; and an empirical objective as the implementation of the method as a computational tool built to a stage that allows verification of the research results. First, it was necessary to understand the phenomenon of problem solving and cognitive aspects of synthesis as a part of the problem solving activity. Then, the state-of-the-art review on the Computational Design Synthesis (CDS) [2] was conducted the purpose of which was the determination of theoretical and methodological background of the current research projects and the comparison and the systematization of those in order to focus this research. The efforts where turned to the exploration of the existent mathematical concepts which could be used for the modelling of technical processes and related synthesis method. Based on the findings from the field of CDS it was concluded to conceive the method as a knowledgebased with the solution emerging as a result of successive application of production rules in which the knowledge about technical processes and working principles is formalised. The theoretical objective concluded with the main scientific contribution of this thesis: (1) the creation of multigraph based formal model of technical process, (2) the definition of graphgrammar based formal model of technical process synthesis, (3) addition of stochastic search to technical process synthesis by applying grammatical evolution [3]. Within the empirical objective a computational tool was realised on the foundations of the developed method. During the research it was found that knowledge about technical processes still does not exists in the accessible open taxonomies or ontologies as per se, which required to propose (4) knowledge formalisation suggestions when defining the graph grammar of technical processes. Teorija tehničkih sustava objašnjava tehničku evoluciju, konstruiranje i razvoj proizvoda kao odgovor na potrebe društva koje se mogu ostvariti tehničkim procesima. Takvo teleološko shvaćanje nalaže kao početni korak u razvoju koncepta novog proizvoda utvrđivanje tehničkog procesa kao procesa unutar kojega se sudjelovanjem tehničkoga proizvoda ostvaruju efekti potrebni za svrhovitu transformaciju operanada sukladno radnim principima na kojima se tehnički proces temelji. Cilj istraživanja u okviru izrade doktorskog rada jest kreiranje računalne podrške upravo za taj početni korak konceptualne faze razvoja proizvoda. Generiranje varijanti transformacije operanada računalnom mogu stvoriti osnovu koja će poslužiti za temeljitije razmatranje mogućnosti za realizaciju tehničkoga proizvoda. Sukladno znanstveno-istraživačkoj metodologiji prisutnoj unutar područja znanosti o konstruiranju, istraživanje u okviru ovoga rada provedeno je unutar dvije faze: teoretska faza koja obuhvaća definiranje metode za generiranje varijanti transformacije operanda temeljem poznatih radnih principa, i praktična faza koja obuhvaća razvitak računalnog alata na osnovu definirane metode do razine koja će omogućiti potvrđivanje rezultata istraživanja. Teoretska faza istraživanja zaključena je sa glavnim znanstvenim doprinosima ove disertacije: (1) definiran je formalni model tehničkog procesa, (2) definiran je formalni model sinteze tehničkih procesa temeljen na graf-gramatikama, (3) uvedena je mogućnost pretraživanja varijanti transformacije koristeći se algoritmom gramatičke evolucije [3]. Praktična faza ovoga istraživanja rezultirala je računalnom implementacijom definirane metode za generiranje varijanti transformacije operanada u okruženju za tu svrhu osmišljenog i razvijenoga računalnoga alata. Tijekom istraživanja utvrđeno je da generalizirano i sistematizirano znanje o tehničkim procesima i radnim principima unutar područja još uvijek nije dostupno u obliku dovoljno detaljne taksonomije ili ontologije za razinu koju zahtijeva definirana metoda. Iz tog razloga predložene su smjernice za graf-gramatičku formalizaciju znanja o tehničkim procesima i radnim principima (4).

U radu su analizirani različiti modeli procesa mljevenja u mlinovima za ugljen razvijeni u svrhu povećanja fleksibilnosti pogona termoenergetskog bloka. Matematički modeli temelje se na masenim i energetskim bilancama pojednostavljenim u svrhu primjene u regulacijskom sustavu bloka, a njihov doprinos poboljšanju kvalitete pogona u pravilu se dokazuje simulacijom. Analizom odabranih pogonskih situacija u TE Plomin II razmotrena je mogućnost izvođenja matematičkih modela i njihove primjena na različitim razinama regulacijskog sustava. Rezultati analize doprinose boljem razumijevanju očekivanih izmjena strukture i parametara regulacijskog sustava mlina. Various models of coal grinding process in coal mils developed in order to increase flexibility of thermal power plant have been analysed and compared. Contribution of implementation of mathematical models, based on mass and energy balances and simplified in order to be implemented in plant control system, has been regularly illustrated by simulation. Possibility of mathematical model derivation and application at different levels of plant control systems have been performed using typical operating cases in thermal power plant Plomin II. Analysis’ results contribute to better understanding of expected parameters and structural changes of coal mill control system.

Cilj ovoga rada je istraživanje utjecaja oštećenja kotrljajnih kugličnih ležajeva na pojavu uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere. Prikazana su oštećenja u kotrljajnim kugličnim ležajevima koja uzrokuju stvaranje djelotvornih uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere. Proširene su spoznaje o identificiranju početka pojave uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere u kotrljajnim kugličnim ležajevima, u cilju zaštite od eksplozije u industrijskim postrojenjima. Istraživanjem su produbljena saznanja određena današnjim normativnim dokumentima iz protueksplozijske zaštite, vezana za zahtjeve kotrljajnih kugličnih ležajeva. Prvi dio istraživanja obuhvatio je teorijsko razmatranje značajki eksplozivnih smjesa, razvrstavanje na temperature paljenja kod plinova i para, s osvrtom i na prašine. Prikazani su način i svrha klasifikacije prostora s naslova ispuštanja zapaljivih tvari u tehnološkoj opremi, uz ocjenu eksplozijske ugroženosti te određivanje zona opasnosti. Objašnjeni su uzročnici paljenja eksplozivne atmosfere djelovanjem vrućih površina te je prikazana velika učestalost mehaničkih uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere. Za eksperimentalni dio istraživanja izrađen je ispitni sustav s kotrljajnim kugličnim ležajevima zbog identificiranja razvoja površina kritično visoke temperature kao uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere. Ispitni sustav pokretan je elektromotorom s nazivnim brojem okretaja, a u dijelu istraživanja broj okretaja je mijenjan pomoću frekvencijskog pretvarača. Ispitni sustav sastoji od kotrljajnog kugličnog ležaja SKF 6206 na kojemu se provodi ispitivanje, rotacijske mase te ispravnog ležaja. Na kotrljajnim kugličnim ležajevima SKF 6206 izvedena su pojedinačna oštećenja na kavezu te vanjskom i unutarnjem prstenu. Kako bi se postigla što veća točnost u izradi oštećenja, ona su izvedena pomoću erozimata te su podijeljena u tri skupine po 20 komada, ovisno o lokaciji oštećenja unutar kotrljajnog kugličnog ležaja (kavez, vanjski i unutarnji prsten). Na oštećenim kotrljajnim kugličnim ležajevima SKF 6206, na tri su mjesta postavljani temperaturna osjetila (termoparovi) za mjerenje temperature na vanjskom prstenu. Za mjerenje i prikupljanje podataka temperature koristio se uređaj „Fluke – Hydra”. Pomoću ispitnog sustava provedena su mjerenja koja su poslužila boljem razumijevanju nastanka uzročnika paljenja u kotrljajnom kugličnom ležaju. Statističkom analizom dobivenih podataka provedena je raspodjela utjecajnih parametara (temperatura i vrijeme) u funkciji istraživanog oštećenja. Statističkom analizom također se prikazao utjecaj pojedinih oštećenja na vrijeme otkaza (zaribavanja) ležaja SKF 6206. Razdoblja temperaturnih krivulja koja se statistički analiziraju odvijaju se pri početku rada, pri stacionarnom radu te razdoblju otkazivanja ležaja. Istraživanjem su prvenstveno obuhvaćeni učinci oštećenja kotrljajnih ležajeva na početak pojave kritično visoke temperature, kao najboljeg pokazatelja uzročnika paljenja eksplozivne atmosfere. Na temelju podataka dobivenih tijekom praćenja temperature na oštećenom kotrljajnom kugličnom ležaju, provedena je analiza prema postavljenim kontrolnim granicama paljenja plinova, para i prašina kao mjerom prije razvoja uzročnika paljenja. Na temelju rezultata iz eksperimentalnog dijela istraživanja, određene su eksponencijalne funkcije krivulja porasta temperature u razdoblju otkazivanja kotrljajnih kugličnih ležajeva. Prediktivnom analizom eksponencijalnih funkcija temperature dobivena su vremena paljenja plinova i para određena temperaturnim razredima, kao i paljenja oblaka i sloja prašine brašna i ugljena. Opisana je mjera zaštite od pojave uzročnika paljenja u kotrljajnim kugličnim ležajevima. Mjera zaštite očituje se u primjeni bežičnog sklopa s osjetilom ugrađenog u kotrljajnom kugličnom ležaju koji se nalaze u strojnoj i električnoj rotacijskoj opremi u industrijskim postrojenjima s prostorima ugroženim eksplozivnom atmosferom.

U ovom je radu razmotren problem procjene stanja dinamičkih sustava s neodređenostima s posebnim naglaskom na dvije vrste neodređenosti: modelske i stohastičke. Dan je pregled najvažnijih postupaka procjene stanja sustava s neodređenostima. Predložen je postupak procjene stanja sustava s modelskim neodređenostima zasnovan na neuronskim mrežama koji je primjenjiv na široku klasu nelinearnih sustava. Za predloženi je procjenitelj stanja dokazana stabilnost i konvergencija procjene korištenjem Lyapunovljeve analize stabilnosti. Također su napravljena dodatna strukturna pojednostavljena procjenitelja stanja za dva posebna slučaja. Kvaliteta predloženog procjenitelja stanja sustava simulacijski je provjerena na primjeru procjene sile trenja između automobilskog kotača i podloge. Nadalje, u radu je predložen i višekriterijski postupak adaptacije broja čestica čestičnog filtra kojim se znatno smanjuju numerički i memorijski zahtjevi postupka procjene. Pored adaptacije broja čestica predloženi postupak omogućuje oporavak postupka procjene u slučajevima degeneracije samog postupka. Predloženi postupak adaptacije broja čestica filtra primijenjen je na rješavanje problema lokalizacije mobilnog robota. Kroz simulacijske i eksperimentalne provjere potvrđena je primjenjivost i robusnost predloženog postupka pri globalnoj lokalizaciji i rješavanju problema tzv. "otetog" robota. Prilikom izrade ovog rada korišteni su Matlab/Simulink i Player/Stage razvojna okruženja. In this thesis the problem of state estimation of nonlinear dynamic systems with uncertainties is considered. Special attention is given to the two particular types of uncertainties: model and stochastic uncertainties. Overview of the existing approaches to the state estimation of nonlinear systems with uncertainties is presented. A novel approach is proposed for the state estimation based on neural networks. This approach is applicable to the wide class of nonlinear systems. Stability and convergence of the proposed neural network based state estimator is proven via Lyapunov stability analysis. Additional structural simplifications of the proposed estimator are given for two special cases of nonlinear systems. The quality of the proposed state estimation procedure is tested on the problem of tire/road friction force estimation. A new multi-criterion procedure is proposed for adaptation of the particle filter sample size. This new approach leads to the significant reduction in the particle filter numerical and memory requirements. The proposed adaptation procedure is used in the problem of mobile robot localization. The robustness and applicability of the adaptation procedure for both global localization and "kidnapped" robot problems is confirmed via simulation and experimental tests. The developed algorithms were tested within Matlab/Simulink and Player/Stage programming environments.

Raznolikost potrošačkih potreba, povećanje konkurencije, brza izmjena tehnologije te skraćivanje vremena pojave proizvoda na tržištu dio su zahtjeva s kojima se susreću današnje tvrtke na globalnom tržištu prilikom razvoja i konstruiranja proizvoda. Jedan od načina zadovoljavanja zahtjeva potrošača i tržišta je u široj ponudi asortimana proizvoda. Nekontrolirana šira ponuda asortimana proizvoda ima za posljedicu i veće troškove. Povećanje udjela jednakih komponenata u asortimanu proizvoda omogućuje tvrtkama smanjenje troškova uz istovremeno ostvarivanje šire ponude asortimana proizvoda. Takvim pristupom tvrtke su orijentirane prema razvoju familije proizvoda. Provedeno teorijsko i primijenjeno istraživanje rezultiralo je definiranjem kriterija i postupka identifikacije i analize zajedničkih komponenata skupa proizvoda. Postupak započinje određivanjem vanjske i unutarnje raznolikosti među proizvodima. Vanjska raznolikost određuje se na temelju postojeće grupe proizvoda i opisuje raznolikost funkcija proizvoda vidljivu sa strane kupca. Unutarnja raznolikost temelji se na određenoj vanjskoj raznolikosti i predstavlja način realizacije vanjske raznolikosti. Za potrebe analize grupe proizvoda, sa ciljem određivanja stupnja istovjetnosti, definira se funkcijsko-sklopna struktura proizvoda. Za funkcije na najnižim nivoima u funkcijsko-sklopnoj strukturi računa se pojedinačni stupanj istovjetnosti prema metodi „Ukupne konstante indeksa istovjetnosti“. Na temelju dobivenih vrijednosti, razvrstavaju se funkcije koje imaju niži stupanj istovjetnosti od onih funkcija koje imaju viši stupanj istovjetnosti. Kod funkcija s nižim vrijednostima stupnja istovjetnosti potrebno je identificirati komponente koje najviše utječu na smanjenje stupnja istovjetnosti. Identifikacija komponenata vrši se pomoću metode „Indeksa istovjetnosti dijela komponente“. Identificirane komponente potrebno je dalje analizirati i rekonstruirati. Rezultat analize i rekonstrukcije takvih komponenata je nova verzija komponente kojom će se zamijeniti više postojećih verzija komponenti. Kod funkcija koje imaju viši stupanj istovjetnosti potrebno je identificirati komponente koje se višestruko koriste u varijantama proizvoda. Komponente koje povećavaju stupanj istovjetnosti potrebno je zadržati ili djelomično rekonstruirati kako bi se komponente još više ponovno koristile. Definirani kriteriji i postupak identifikacije i analize zajedničkih komponenata skupa proizvoda primijenjeni su i detaljno opisani na industrijskom primjeru strujnog mjernog transformatora tvrtke KONČAR – Mjerni transformatori. Variety in customers’ demands, increasing competition, rapidly changing technologies and shortening time to market describes driving forces for product development process. Manufacturing companies respond with different approaches on those driving forces. One of the approaches is to offer a wider range of product assortments. If the potential of component commonality is neglected, the explosion of product assortments leads to high costs in design, production, assembly etc. Therefore, companies need to design a wider range of product assortments with the less variations in design by increasing the reuse of components. With that approach companies are focusing to the development of product family. Conducted theoretical and practical research has resulted in definition of the criteria and process of identification and analysis of common components in group of products. The process begins with the analysis of internal and external variety among the group of products. External variety is defined from the existing group of products and it represents the necessary functional variety seen from the customers’, i.e. market, viewpoint. The required internal variety is defined based on the external variety, so that it represents the necessary variety seen from the company’s viewpoint. To analyse a group of products the function-assembly decomposition structure was established. For the functions at the lowest levels of each branch in the functionassembly decomposition structure the value of commonality index was calculated using the method “Total Constant Commonality Index”. Based on the calculated data the functions are classified as the functions with the lower and higher values of commonality index. The identification of components which have a stronger influence on the reduction of the commonality value has to be applied to the set of functions with the lower value of commonality index. Identification of components is applied using the method Component Part Commonality Index. Identified components have to be further analyzed and redesigned. The result of redesign process is a new version of component which will replace existing components. The identification of components which are more often reused in the group of products has to be applied to the set of functions with the higher value of commonality index. Those components have to be kept or partially redesigned in order to achieve higher reuse of components. The defined criteria and process of identification and analysis of common components in group of products are applied and detailed described on the industrial example of current transformer of company KONČAR – Instrument transformers, Inc.

U radu su opisana dva postupka nanošenja slojeva prevlake. Prvi sloj Al2O3 nanesen je postupkom plazma naštrcavanja na nehrđajući čelik (EN X22CrMoV121). Nakon njega je nanesen sloj ZrO2 postupkom sol-gel, uranjanjem. Parametri koji su se mijenjali pri sol-gel postupku su: temperatura toplinske obradbe ZrO2 sloja (400ºC, 700ºC, 1000ºC) i broj uranjanja u otopinu kod temperature 700ºC (ponavljan 4 i 8 puta), kako bi se vidio njihov utjecaj na svojstva prevlake. Na prevlakama je provedena materijalografska analiza ispitivanih ZrO2 prevlaka, te je izmjerena debljina, tvrdoća i modul elastičnosti. Ispitivana je otpornost na brazdanje prevlaka, otpornost na abraziju te definiran koeficijent trenja metodom "Ball on disc". Rezultati provedenih laboratorijskih ispitivanja pokazali su da različite temperature toplinske obradbe, kojoj se podvrgavaju uzorci prevlaka nakon geliranja i sušenja i broj slojeva ZrO2, utječu na cjelovitost prevlake kao i na mehanička svojstva prevlaka. Nanošenje prevlake ZrO2 na Al2O3 prevlaku značajno smanjuje koeficijent trenja u odnosu na uzorke bez ZrO2 prevlake. The dissertation describes a method of coating which combines two different methods of producing the layers. The first layer is Al2O3 produced by plasma spraying which was deposited on the stainless steel (EN X22CrMoV121) substrate. After that, ZrO2 layer was deposited on the Al2O3 coating by a sol-gel process using dip coating technique. During the sol-gel procedure, different annealing temperature of ZrO2 layer (400ºC, 700ºC, 1000ºC) and the numbers of dipping at temperature 700ºC (four and eight times) were performed in order to see their influence on properties of coatings. Materialographic analysis has been performed on studied ZrO2 coatings, and their thickness, hardness and Young modulus have been measured. The study includes resistance to grooving, resistance to abrasion and determining friction coefficient by "Ball on disc" method. The results of the performed laboratory studies have shown that the annealing temperature and number of layers of ZrO2 coating have influence on integrity of coating and on mechanical properties. ZrO2 coating on Al2O3 coating significantly decreased friction coefficient.

Napredak tehnologije, s primjenom u gradnji pogonskih motora i sustava upravljanja, omogućava danas velike promjene u oblikovanju pogonskih mehanizama tehničkih sustava. Neposredno povezivanje pogonskog motora i radnog člana mehanizma, bez mehaničkog prijenosnika kao posrednika, stoljetni je san vizionara u strojarstvu. U radu su istražene moguće izvedbe direktnih pogona i njihov utjecaj na opći oblik pogonskih mehanizama tehničkih sustava. Predloženim oblikovanjem visokomomentnog motora željela se pronaći univerzalna izvedba sa širim spektrom primjene u pogonskim mehanizmima. Provedena su istraživanja troškova u razvoju direktnih pogona, te su predložene smjernice za sniženja tih troškova. Raščlambom strukture direktnog pogona postavljeni su principi oblikovanja pojedinih parcijalnih funkcija i definiran njihov utjecaj na sustav pogonskog mehanizma. Sintezom tehničke funkcije, strukture i veze s okolinom utvrđena je metoda preciznog definiranja pogona za određene namjene u tehničkim sustavima. Pored istraženih i predloženih struktura pogonskih mehanizama s direktnim pogonom, u okviru rada je razvijen direktni pogon eksperimentalnog vozila, ugrađen u pogonski kotač standardnih dimenzija. Na direktnom pogonu eksperimentalnog vozila provedeni su eksperimenti s kontrolnim mjerenjima, a dobiveni rezultati potvrdili su njegovu primjenjivost i brojne visoke pogonske performanse (visoki moment vrtnje u širokom rasponu brzina, brzi odziv, zadovoljavajuću valovitost momenta vrtnje) takvih pogona u odnosu na klasične pogonske sustave. Istraživanjem značajki novog pogonskog sustava s direktnim pogonom postavljeni su kriteriji, mjerila i pravila oblikovanja tog sustava, čime je stvorena i neophodna baza znanja za kreiranje tog sustava. The advances in technology of drive motor design and related control systems result in extensive changes in the design of drive mechanisms in various technical systems. Direct interconnection of the driving motor and the working parts of the mechanism, without any mechanical transmission, has always been a dream of visionaries in the field of mechanical engineering. This thesis explores the possible implementations of direct drives and their impact on the general drive mechanism designs in technical systems. A design approach utilizing the high-torque electric motor was proposed in order to find a universal implementation concept which would be characterized by a broad spectrum of possible applications in drive mechanisms. The cost-benefit analysis of the direct drive development has been carried out, and the guidelines for cost reduction have been proposed. The structure of direct drive has been analyzed, thus forming the principles of the individual partial functions. This has defined their influence on the driving mechanism systems. The design of the technical functionality, structure and interface with the environment has been carried out. It has formed a method of precise defining of the drive for the specific objective in technical systems. Apart from the explored and proposed driving mechanism structures utilizing the direct drive, this thesis comprises the development of a direct drive for an experimental electrical vehicle. The direct drive is built in the vehicle’s front wheel with standard dimensions for automotive purposes. The drive identification experiments have been carried out, and the obtained results have confirmed its practical applicability and numerous high performance qualities (i.e. high motor torque within a relatively wide speed range, fast torque response, and low magnitude of torque ripple) of such drives compared to conventional drive systems. By examining the characteristics of the novel drive system based on the direct drive, the appropriate criteria and rules have been set up for the design of such system, thus creating an expert knowledge base for the design of future similar systems.

Poduzeća širom svijeta susreću se, zbog povećanja konkurentnosti na tržištu, s potrebom konstruiranja proizvoda prilagođenih zahtjevima individualnih naručitelja u što kraćem vremenskom periodu i uz što manje troškova. Poduzeća su pritom suočena s izazovom osiguravanja što veće varijantnosti proizvoda na tržištu, ali sa što manjom razlikom (u konstrukciji, proizvodnji, održavanju, ...) među samim varijantama. Zbog toga je razvoj varijanata proizvoda potrebno sagledati kao konfiguriranje novih proizvoda, od ranije definiranih modula. Istraživanje predstavljeno u ovom radu usmjereno je k razvoju sustava za konfiguriranje proizvoda modularne arhitekture u mrežnom okruženju. U radu su objašnjeni pojmovi familije proizvoda, platforme proizvoda i arhitekture proizvoda, te je posebno naglašena modularna arhitektura proizvoda. Opisana su područja koja proces konfiguriranja obuhvaća, a to su konfigurabilni proizvodi, konfiguracijski sustavi, konfiguracijsko znanje i zahtjevi naručitelja. Ukratko su prikazana teoretska područja vezana uz istraživanje: teorija tehničkih sustava, aksiomatska teorija konstruiranja te teorija svojstva. Prikazana je također i metodologija razvijanja modula (MDF). Glavni cilj istraživanja u ovom radu je prijedlog informacijskog modela za podršku konfiguriranju proizvoda modularne arhitekture na temelju zahtjeva naručitelja. Predloženi informacijski model opisan je u skladu sa semantikom ISO 10303 (STEP) standarda i realiziran je korištenjem aplikacijskog protokola ISO 10303-214. Osnovni dijelovi informacijskog modela definirani su kao: zahtjevi i liste zahtjeva naručitelja, familija i varijante proizvoda, moduli i vrste modula, vrijednosti modula i zahtjeva, instance modula i struktura konfiguracija. Na osnovu predloženog informacijskog modela realizirana je računalna implementacija sustava za konfiguriranje proizvoda modularne arhitekture. Računalna implementacija sustava testirana je i potvrđena na realnom primjeru asinkronog klizno-kolutnog motora s trajno spuštenim četkicama. Enterprises all over the world focus on the development of products adapted to the customer's demands in less time and with tight resources available in order to be competitive on the market. In the same time, enterprises confront the challenge of offering a wider range of product variants on the market but with less difference (in design, production, maintenance, etc.) between the variants. Therefore, the configuration of products from the previously defined modules is seen as a method of developing product variants. The subject of this thesis is the development of the configuration system for modular products. This paper deals with the following issues: product family, product platform and product architecture. The modular product architecture is being discussed into more details. Additionally, the fields comprised into the configuration process are referred to as follows: configurable product, configurable system, configuration knowledge and customer requirements. A concise outline of existing design theories underlying this research is given, too. Also presented herewith is the methodology "Modular Function Deployment". The main aim of this research is to propose an information model for configuration of modular products upon the customer's requirements. The proposed information model is developed in accordance with the semantics of the product modeling standard ISO 10303 (STEP) and is realized by using the application protocol ISO 10303-214. The basic model structures of the information model are the following: requirement model, product class model, association model, property model, instance model and structure model. The realization of a computer-aided support is based on the proposed information model and tested on a real example of three-phase high-voltage slip-ring induction motors.

Nije poznato******************************************************************************************************************************************