feasibility analysis for implementing gpr scanning system in sawmills for productivity improvement

15
International Journal of Advances in Management Science, Vol. 4 No. 1, July 2015 1 21697558/15/01 00115, © 2015 DEStech Publications, Inc. doi: 10.12783/ijams.2015.0401.01 Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement Dayakar Devaru 1 , Nishit Banuri 2 , Bhaskaran Gopalakrishnan 3 , Udaya Halabe 4 , Hasan H Latif* 5 1,2,3,5 Department of Industrial Management & Systems Engineering, West Virginia University, WV, USA 4 Department of Civil & Environmental Engineering, West Virginia University, WV, USA 1 [email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected]; 4 [email protected], *5 [email protected] Abstract Nondestructive scanning technologies have been applied to detect internal defects of logs to optimize log scanning. Research has been done using many nondestructive scanning technologies with limited success for realtime implementation. The main objective of this research is to identify the issues related to implementation of the Ground Penetrating Radar (GPR) scanning system in sawmills for purposes of yield improvement. The paper discusses the logistics on integration of the scanning system into the existing sawmill environment. The durability of a scanning system in continuously operating sawmills and integrating the scanning system into existing sawmill operations were identified as major research aspects. The paper also evaluates the economic feasibility of implementing the GPR scanning system for three different size sawmill classes. Based on conservative estimates of revenue and initial costs, results indicate that the investment would be feasible for all the three sawmill sizes. Keywords Sawmills, Wooden Logs, Cants, Ground Penetrating Radar (GPR), Productivity Improvement, Quality Improvement, Feasibility Study, Sawmill Economics, Lumber value yield, Scanning, Lumber Grades, NonDestructive Testing Introduction Productivity is often defined as the ratio of output to input where output means the amount produced or the number of items produced and input consists of various resources employed such as labor, material, capital and services. For industries where the cost of raw material constitutes larger part of the cost of finished goods, higher productivity can be achieved through efficient use of raw material [Khanna 2004]. The process of lumber manufacturing has not changed over the years; a cylindrical log (raw material) goes in at one end of the mill and gets transformed into lumber. The sawmill industry includes facilities engaged producing dimension lumber, boards, timber, ties and woodchips from logs. The purpose of the research is to set boundary conditions for the design of the commercialized GPR technology for identifying defects in logs for improving manufacturing yield and to use sensitivity to analyze its economic feasibility. The objective of every organization is to maximize profits and to continuously improve productivity. The typical sequence of operations for processing logs into lumber in sawmills include sorting and stacking logs, metal detection, debarking, head saw operation, resaw operation, edging, trimming, inspection and grading, sorting and stacking lumber, shipping. Figure 1 shows the process flow diagram of a typical sawmill. Sawmills are becoming more similar to process industries where the production process runs continuously. This makes it vital for sawmills to utilize raw material as effectively as possible, thus achieving better volume and value yields. Figure 2 shows the breakdown of sawmill operating costs. Logs account for up to 75% of the total operating costs [US DOC 2005]. The income in sawmills is from high value lumber boards and from the low value byproducts such as chips, saw dust and bark. Research is needed to improve the utilization of raw materials and yield from processes. This research is trying to recognize and address all the latent concerns for executing GPR scanning system in sawmills.

Upload: ncsu

Post on 10-Nov-2023

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

International Journal of Advances in Management Science, Vol. 4 No. 1, July 2015                                          1 

2169‐7558/15/01 001‐15, © 2015 DEStech Publications, Inc. 

doi: 10.12783/ijams.2015.0401.01 

Feasibility Analysis for Implementing GPR 

Scanning System in Sawmills for Productivity 

Improvement Dayakar Devaru1, Nishit Banuri2, Bhaskaran Gopalakrishnan3, Udaya Halabe4, Hasan H Latif*5 

1,2,3,5 Department of Industrial Management & Systems Engineering, West Virginia University, WV, USA 

4Department of Civil & Environmental Engineering, West Virginia University, WV, USA 

[email protected][email protected][email protected][email protected], *[email protected] 

 Abstract 

Non‐destructive scanning technologies have been applied to detect internal defects of logs to optimize log scanning.  Research 

has been done using many non‐destructive scanning technologies with limited success for real‐time implementation. The main 

objective of  this research  is  to  identify  the  issues related  to  implementation of  the Ground Penetrating Radar  (GPR) scanning 

system in sawmills for purposes of yield improvement.  

The paper discusses the logistics on integration of the scanning system into the existing sawmill environment. The durability of 

a  scanning  system  in  continuously operating  sawmills and  integrating  the  scanning  system  into existing  sawmill operations 

were identified as major research aspects. The paper also evaluates the economic feasibility of implementing the GPR scanning 

system for three different size sawmill classes. Based on conservative estimates of revenue and initial costs, results indicate that 

the investment would be feasible for all the three sawmill sizes.  

Keywords 

Sawmills, Wooden Logs, Cants, Ground Penetrating Radar  (GPR), Productivity  Improvement, Quality  Improvement, Feasibility Study, 

Sawmill Economics, Lumber value yield, Scanning, Lumber Grades, Non‐Destructive Testing 

Introduction

Productivity  is  often defined  as  the  ratio  of  output  to  input where  output means  the  amount produced  or  the 

number of  items produced and  input consists of various resources employed such as  labor, material, capital and 

services. For industries where the cost of raw material constitutes larger part of the cost of finished goods, higher 

productivity  can  be  achieved  through  efficient  use  of  raw  material  [Khanna  2004].  The  process  of  lumber 

manufacturing has not changed over the years; a cylindrical log (raw material) goes in at one end of the mill and 

gets  transformed  into  lumber.  The  sawmill  industry  includes  facilities  engaged  producing  dimension  lumber, 

boards,  timber,  ties and woodchips  from  logs. The purpose of  the research  is  to set boundary conditions  for  the 

design of  the commercialized GPR  technology  for  identifying defects  in  logs  for  improving manufacturing yield 

and to use sensitivity to analyze its economic feasibility. The objective of every organization is to maximize profits 

and to continuously improve productivity. 

The typical sequence of operations for processing logs into lumber in sawmills include sorting and stacking logs, 

metal  detection,  debarking,  head  saw  operation,  re‐saw  operation,  edging,  trimming,  inspection  and  grading, 

sorting and stacking lumber, shipping. Figure 1 shows the process flow diagram of a typical sawmill. 

Sawmills are becoming more similar to process  industries where the production process runs continuously. This 

makes it vital for sawmills to utilize raw material as effectively as possible, thus achieving better volume and value 

yields. Figure 2 shows the breakdown of sawmill operating costs. Logs account for up to 75% of the total operating 

costs  [US DOC  2005]. The  income  in  sawmills  is  from  high  value  lumber  boards  and  from  the  low  value  by‐

products such as chips, saw dust and bark. Research  is needed  to  improve  the utilization of  raw materials and 

yield  from processes. This research  is  trying  to recognize and address all  the  latent concerns  for executing GPR 

scanning system in sawmills. 

2    

 

 

Du

at 

It  i

bo

tha

ha

sho

No

log

To

tec

au

an

eng

199

for

        DAYAKA

uring this res

sawmills in 

is very diffic

ards. The ca

at converts lo

s been resea

owed signifi

on‐destructiv

g  break  dow

mography  (

chnology wa

tomating the

d  process  th

gineering ap

95]. Though 

r  locating su

AR DEVARU, N

search, it was

West Virgin

cult and time

ant  is a piece

ogs into a sq

rch to enhan

cant increase

ve scanning t

wn.   Researc

(CT),  X‐ray,

as most wide

e lumber pro

he  data  accu

pplications fo

the past rese

ubsurface def

NISHIT BANU

FI

FIG. 2

s noted that 

ia. In real tim

e‐consuming

e of wood, p

quare or recta

nce this critic

e in lumber v

technologies

h  has  been 

,  Ultrasonic 

ely investigat

ocessing in s

urately  in  re

or Non‐destr

earch in the 

fects such as

URI, BHASKA

G. 1PROCESS F

2BREAKDOWN

production r

me, sawing d

g for the saw

produced by 

angular cros

cal sawmill o

value yield.  

have been a

done  in ma

and  Nucle

ted scanning

aw mills, the

al  time. Gro

ructive testin

area of GPR

s knots, and 

ARAN GOPAL

FLOW IN A TY

N OF SAWMILL

rate of high 

decisions are

wmill operat

a canter tha

ss‐section or 

operation by

  

applied to de

any  non‐dest

ear  Magnetic

g technology

e system sho

ound  Penetra

ng of bridges

R scanning fo

decay rapid

LAKRISHNAN

PICAL SAWMI

L OPERATING C

grade lumbe

e taken in sec

or to anticip

at requires fu

into a two‐si

y internal log

etect internal

tructive  scan

c  Resonance

y and gave b

ould be able 

ating Radar 

s and pavem

or wood mat

dly and accur

N, UDAYA HA

ILL 

 

COSTS 

er is 30% of t

conds to fulf

pate and spli

urther breakd

ided cant for

g scanning, a

log defects i

nning  techno

e.  Among  a

etter resolut

to collect lar

(GPR) whic

ments was use

terials is limi

rately [Agarw

ALABE, HASA

the total lum

fill the produ

it the cant  in

down. Cante

r further pro

and if implem

in order to ar

ologies  such

all  these  tec

tion of the d

rge amount 

ch  is widely

ed to scan th

ited, it has sh

rwal 2005, H

AN H LATIF

mber producti

uction deman

nto better va

er  is a mach

ocessing.  Th

mented, resu

rrive at a bet

h  as Comput

chnologies, 

efect areas. F

of data rapid

y  used  for  ci

he logs [Hala

hown potent

alabe 2009 a

ion 

nd. 

lue 

ine 

ere 

ults 

tter 

ted 

CT 

For 

dly 

ivil 

abe 

tial 

and 

Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement                           3  

 

Pyakurel 2009].  

Sarigul et al. [2006] presented a paper describing the importance of detecting internal hardwood defects in order to 

improve  the  lumber  grade. CT  images were  analyzed  to  locate  several  internal defects  on different  hardwood 

species. The paper also considers defect dependent post‐processing methods, based on mathematical morphology. 

Schad  et  al.  [1996]  investigated  three  non‐destructive  techniques  such  as  Sound  wave  transmission,  x‐ray 

computed  tomography,  and  impulse  radar  for  locating  internal  wood  defects.  The  paper  discusses  the 

implementation of each of these techniques and difficulties in interpreting radar scanned data. All three techniques 

were able  to detect  the presence of knots but were not able  to detect small areas which are of decay.   Of  these 

techniques, Computed Tomography provided highest resolution for voids, knots and high moisture contents. 

Muller [2002] performed tests on timber girders of diameter varying between 0.35m to 0.40m from an existing and 

demolished  bridge  using  various  non‐destructive  techniques  such  as  GPR,  gamma  ray  transmission,  and 

ultrasound  techniques. Of these  techniques, GPR was  found  to be  the most reliable method for  locating  internal 

defects. Kabir and Araman [2002] successfully conducted ultrasonic scanning experiments for detecting defects in 

wood pallet parts using rolling transducers. The paper describes the importance of characterization of defects for 

grading pallet parts. Decay has  the greatest effect on  the amplitude of  the ultrasound signals. Bhandarkar et al. 

[1998] presented a paper describing the design and implementation of computer vision based system for lumber 

production  planning.  This  paper  discusses  about  identification  and  classification  of  internal  log  defects  from 

analyzing  computer  axial  tomography  images.  The mathematical  algorithm was  capable  of  providing  cutting 

pattern  that  improved  yield  and  grade  of  resulting  lumber  significantly.  Bhandarkar  et  al.  [2002]  described  a 

prototype computer vision system for identification and localization of defects. The tests performed on CT images 

of hardwood logs from White Ash, Hard Maple, Red Oak, and Black Walnut showed 23‐63% gain in value yield 

recovery when compared to sawing strategy that did not use internal log defect information. In a related research, 

Bhandarkar  et  al.  [2008]  described  the  design  and  implementation  of  an  automated  system  for  planning  and 

optimization  of  lumber  production  using Machine  Vision  and  Computed  Tomography.  Optimal  log  sawing 

algorithms were  designed  and  implemented  for  live  sawing,  grade  sawing  and  cant  sawing.  The  algorithms 

showed  significant  increase  in  value  yield  recovery  but  the  execution  times  were  not  suitable  for  real  time 

implementation.   

Agrawal  [2005] of Department of Civil and Environmental Engineering at West Virginia University successfully 

performed tests on wooden logs using Ground Penetrating Radar (GPR), to detect the internal defects such as rots, 

knots, and metals in logs. Subsurface Interface Radar (SIR)‐20 GPR system manufactured by Geophysical Survey 

Systems, Inc. (GSSI) and a ground coupled dipole antenna with central frequency of 900 MHz was used for data 

acquisition. The scanned data was processed using RADAN 5.0® software. The study was successful in detecting 

the defects with  a depth  resolution of within  4  cm  and  a  length  resolution of within  2  cm. Pyakurel  [2009] of 

Department of Civil and Environmental Engineering at West Virginia University successfully performed tests on 

wooden  logs  and  cants  using  GPR  and  explored  different  interpretation methods  (2‐D  and  3‐D  imaging)  to 

identify defects accurately. Automated Scanning System was developed  to automate  the movement of scanning 

system with respect to canted logs and study the effects of motor vibrations on GPR scanned data. Devaru [2006, 

2008] of Department of Industrial and Management Systems Engineering at West Virginia University developed a 

MATLAB® algorithm to process the GPR scanned data. The study was successful in detecting the defects such as 

rot,  knots  and  embedded metals  and was  also  able  to  represent  the  defect  location  in  X‐Y  (distance–depth) 

coordinates.  Jadeja  [2007]  of Department  of  Industrial  and Management  Systems Engineering  at West Virginia 

University used defect detection  algorithm  from previous  study  [Devaru  2006]  to develop  a process plan  that 

generated a cutting sequence for sawing cant at re‐saw machine. The generated process plan was represented as 

series of numbers  that  corresponded  to  the different  faces of  the  cant. This process plan  algorithm  showed  an 

increase of 13 to 21 % in lumber value yield compared to conventional sawing sequence. 

Schmoldt et al. [2000] in their paper discussed about the six design and operational constraints for industrial CT 

scanners to become a viable reality. Schmoldt et al. discussed about important constraints such as scanning speed, 

scanner  duty  cycle,  harsh  environment  and  effective  application  software which  needed  to  be  satisfied  before 

being implemented in sawmill environment. They also discussed the value gain realized from prototype testing of 

CT scanner at medium sized facility in Austria. 

4            DAYAKAR DEVARU, NISHIT BANURI, BHASKARAN GOPALAKRISHNAN, UDAYA HALABE, HASAN H LATIF 

Occena  [1991]  stated  that  the  advent  of  non‐invasive  technological  developments  without  integrating  the 

information involved would result in data overload for the human saw mill operator. This paper discusses about 

the  issues  related  to  computer  integration  for  various  technologies  such  as  scanning,  edging,  trimming  and 

grading available to hardwood sawmills. Occena described a model for computer integrated hardwood sawmill to 

resolve  issues  related  to  the  integration  of  hardware  and  software  such  as  scanning,  edging,  trimming  and 

grading. Bowe et al. [2000] found that nearly 73% of the hardwood sawmills did not have any type of scanning and 

optimization technology. They stated the reason for reluctance to adopt new technology might be the low available 

capital in the sawmill industry. In a related research, Bowe and Smith [2006] analyzed the data collected through 

personal  interviews  with  two  hardwood  sawmill  groups  including  one  that  had  adopted  scanning  and 

optimization  technology  and  the  other  had  not.  They  examined  decision  factors  for  adopting  scanning  and 

optimization  technology  such  as  production  improvements,  maintenance  issues  and  barriers  in  hardwood 

sawmills. The components such as improved raw material recovery, increased production levels, increased lumber 

revenues,  improved  lumber  quality  and  improved  lumber  consistency  were  classified  into  “production 

improvements”  factor.  The  components  such  as  initial  cost,  new  mill  installation  and  existing  mill  layout 

restriction  were  classified  into  “barriers”  factor.  The  adopters  of  scanning  technology  rated  production 

improvements  as  the  most  important  decision  factor  whereas  the  non‐adopters  rated  barriers  as  the  most 

important decision factor. Schmoldt [1992] presented a paper describing the  importance of Computer Integrated 

Manufacturing  (CIM)  software  that  can  exercise  processing  decisions  with  the  information  provided  by  the 

scanning  systems.  He  stated  that  the  difficult  aspect  to  automate  sawmill  operations  would  be  the  natural 

variability and complexity of wood such as different species and defect types such as  visual surface defects (e.g. 

knots, holes, and splits), board geometry defects  (e.g. warp, crook,  thickness variation),and  internal defects  (e.g. 

honeycomb  splits). He also attributed  the high  capital  investment and poor payback on  investment as primary 

reasons for reluctance to automation improvements.  

The above literature review indicates that significant effort has been devoted to developing various nondestructive 

technologies  for  use  with  wood  based  products.  Non‐destructive  scanning  technologies  such  as  Computed 

Tomography  (CT),  X‐ray,  ultrasonic,  nuclear  magnetic  resonance,  sound  wave  transmission,  gamma  ray 

transmission and GPR were able  to detect  the defects. Among  these scanning  technologies CT was  found  to be 

most widely  investigated  technology and give better resolution of defects. The execution speeds of various data 

processing algorithms and cost involved were the major drawbacks for the CT scanning technology. The literature 

review also discusses about the concerns of hardwood sawmill industries such as high initial cost, production and 

maintenance issues to implement the scanning systems. Significant research has been done on using GPR scanning 

systems  to  identify  the  defect  location  and  to  generate  cutting  sequence  to  obtain  better  grade  lumber. GPR 

scanning system also provided better resolution of defects and was  found  to be  less expensive compared  to CT 

scanners.  There  is  the  scope  for  research  to  evaluate  the  technical  requirements  and  economic  feasibility  for 

implementing GPR scanning system in sawmills. 

GPR Scanning System 

The laboratory setup for GPR scanning was assembled by Agrawal [2005] (Figure 3a) who utilized the Subsurface 

Interface  Radar  (SIR)‐20  system  manufactured  by  Geophysical  Survey  System,  Inc.  (GSSI).  The  GPR  system 

consisted  of  a  mainframe  unit  connected  to  a  portable  laptop  computer.  The  laptop  controls  the  GPR  data 

acquisition. The mainframe unit was connected  to  the antennas  for  transmitting and  receiving  the signals. GPR 

scans were acquired using  survey wheel mode. The  survey wheel  includes an optical  encoder which  transmits 

distance information to the GPR data acquisition system using a connecting cable. The data collection parameters 

such as scans/second and   scans/meter were user‐specified  inputs  that  respectively affected how many scans of 

GPR data are  collected  in  a  second and   how many  scans are  collected based on distance  traveled. Other user 

defined  parameters  include  time  range  (ns),  samples/scan  and  bits/sample  that  affected  the  sample depth  and 

resolution of the data, and the signal quality as well. The header file that contains input values must be entered by 

the user every time before performing the scanning process. 

Ground Coupled Antennas 

The ground coupled antennas were used as  they had  the deeper penetrating ability. The antennas were mono‐

sta

in 

bei

un

po

da

F

F

atic (both tran

a bi‐static m

ing debarked

nevenness of 

ssible  to  the

mage to the 

FIG. 3A GPR S

FIG. 4A RADAN

FIG. 5A DEFE

Feasibility Anal

nsmitter and

mode where 

d) were used

bark on logs

e  scanning  su

antennas bu

SCANNING SY

N PROCESSED 

CT DETECTION

lysis for Implem

d receiver on

one antenna

d for scannin

s is not suitab

urface  for be

ut it is not fea

YSTEM [AGRAW

GPR DATA [A

N ALGORIGHT

menting GPR S

n one electron

a  transmitted

ng during th

ble for groun

etter  scan. M

asible to repla

        

WAL 2005]        

GRAWAL 2005

TM [DEVARU 2

Scanning System

nic plug‐in i

d  the  signal 

he research p

nd coupled a

Moreover  the

ace antennas

   

  FIG. 3B AUTO

 

5]                        F

2006]                   

m in Sawmills f

in a single an

and  the oth

performed by

antennas bec

e uneven  su

s frequently a

OMATED SCAN

FIG. 4B GPR DA

 FIG. 5B PROC

for Productivity

ntenna housi

her one  recei

y Agrawal [2

ause the ante

rface of  the 

as they are v

NNING SYSTEM

ATA PROCESSE

ESS PLAN ALG

ty Improvement

ing) but cou

ived  it. Circ

2005] & Dev

ennas need t

bark on  log

very expensiv

M ASSEMBLED

ED [DEVARU 2

GORITHM [JAD

t                        

ld also be us

ular  logs  (af

aru [2006]. T

to be as close

gs would  cau

ve. 

 [PYAKUREL 2

2006]                    

DEJA 2007]         

   5  

 

sed 

fter 

The 

e as 

use 

 

2009] 

 

        

 

        

6    

Au

ant

eff

saw

or 

of 

GP

To

bac

att

rel

com

sho

act

coo

Pro

Th

op

wh

seq

can

ant

“sy

tw

det

dif

seq

inc

Ne

Int

the

        DAYAKA

FIG. 5C C

utomated Sca

new  scannin

tennas with 

fects of moto

wmills, the a

the canted lo

motor vibrat

PR Data Pro

 enhance  the

ckground  re

tenuation wi

liable  as  the

mpensates  fo

own in Figur

tually  implem

ordinates (Fi

ocess Plan A

hough the loc

erator  to  int

hich used  th

quence  in  ter

nted  logs w

tennas on ad

ynthesize da

wo antennas a

termined by

fference  to a

quence (Figu

crease of 13 t

eed for Res

ternal defect

e ultimate va

AR DEVARU, N

CANT WITH M

anning Syste

ng  setup  (Fi

respect to ca

or vibration 

antennas can

og can be sta

tions on acqu

ocessing 

e  features  in

emoval  and 

th increasing

  data  near  t

or amplitude

re 4a) which

ment  it  in  s

igure 4b), MA

Algorithm 

cations of de

terpret  the d

he  coordinate

rms of face n

were  used  fo

djacent faces 

ata module” o

and find the

y  subtracting

a  standard d

ure 5d) in ter

to 21 % in lum

search

s such as kn

alue of  the  l

NISHIT BANU

MAPPED INTER

em Setup 

igure  3b) wa

ants in order

on  the  acqu

n remain stat

ationary. The

uired GPR d

n  the GPR sc

noise  filter

g depth. Bec

the  surface 

e reduction 

h needs an ex

sawmills. To

ATLAB® alg

efects by MA

defects and  c

e matrices  g

numbers. Th

r  scanning. 

of the canted

of the proces

e defect dime

g  each X  coo

delta value o

rms of face n

mber value y

nots, decays a

lumber. The 

URI, BHASKA

RNAL DEFECTS

as  developed

r to better si

uired GPR d

tionary and t

e research pe

ata quality.

can data, cer

ring  were  d

ause of atten

of  the  anten

with depth.

xpert to inter

process  and

gorithm was 

ATLAB® alg

cut  the  cant 

generated  by

his process p

The  defect 

d log to obtai

ss plan algor

ensions. The

ordinate of  th

of 3  cm  (Figu

numbers to g

yield compar

and rots in h

process of s

ARAN GOPAL

 

S             FIG. 5D

d  by  Pyaku

imulate the s

data by Auto

the canted lo

erformed by 

rtain post pr

done  using 

nuation, the 

nna.  RADAN

RADAN® p

rpret the def

d  analyze  th

developed b

gorithm were

into boards.

y defect dete

plan algorith

detection  al

in coordinat

rithm was de

e defect clust

the matrix  fr

ure  5c).Then

get the maxim

red to conven

hardwood lo

selling  lumb

LAKRISHNAN

D CROSS SECTI

rel  [2009]  to

scanning ope

omated Scan

og can move

Pyakurel sh

rocessing ste

RADAN®  s

information

N®  software

processed da

fects; and mo

he data  and 

by Devaru [2

e in X‐Y coo

.  Jadeja  [200

ection  algorit

hm was desig

lgorithm wa

e matrices (d

eveloped to p

ters were ma

rom  its  imm

n  the process

mum yield. T

ntional sawin

ogs are of ma

er according

N, UDAYA HA

ION OF CANT 

o  automate  t

eration in a r

nning System

e with respec

howed that th

ps such as r

software.  Ra

at greater d

e  allows  dep

ata will be  in

oreover it wo

to present  t

006] in his re

rdinates, it w

7] developed

thm  [Devaru

gned based o

as  used  to  p

defects locati

process the c

apped  into a

ediate prede

s plan  algori

This process 

ng sequence 

ajor concern 

g  to grades  i

ALABE, HASA

SHOWING SA

the moveme

real sawmill

m.  In  real  tim

ct to antenna

here wouldn

range gain, z

adar  signals

depths was n

pth  depende

n  the  form o

would be time

the defects  l

esearch (Figu

would take t

d an algorith

u  2006]  to  g

on re‐saw o

process  the 

ion in X‐Y co

coordinate m

a 3 dimensio

ecessor and 

ithm genera

 plan algorit

 [Halabe et. a

as they actu

is  intensifyin

AN H LATIF

WING SEQUEN

ent  of  the G

l and study t

me  scanning

as on convey

n’t be any eff

zero correctio

s  are  prone 

not as clear a

ent  gain wh

of an  image

e‐consuming

location  in X

ure 5a). 

time for re‐s

hm  (Figure 5

give  the  cutti

peration as  t

data  from  tw

oordinates). T

matrix data fro

onal model a

comparing  t

ted  the  cutti

thm showed 

al. 2011]. 

ually determ

ng  the need 

NCE 

GPR 

the 

g  in 

yor, 

fect 

on, 

to 

and 

hich 

(as 

g to 

X‐Y 

aw 

5b) 

ing 

the 

wo 

The 

om 

and 

the 

ing 

an 

ine 

for 

Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement                           7  

 

sawmills  to  introduce new  sawing  techniques  so  that  they will get best possible grades  from  the  logs. Table  1 

shows  the  average  lumber  prices  by  species,  grade  and  thickness  acquired  from  one  of  sawmills  during  this 

research. 

TABLE 1 LUMBERPRICES (USD) BYGRADE ANDTHICKNESS ($/1000 BOARDFT) 

Lumber Grade  Cherry Hard Maple Red Oak  White Oak

4/4ʺ thickness boards

FAS / FAS – 1F / Selects  $2,200  $2,000  $1,450  $1,400 

No. 1 Common  $1,380  $1,020  $960  $800 

No. 2 Common  $845  $620  $630  $550 

6/4ʺ thickness boards

FAS / FAS – 1F / Selects  $3,100  $2,950  $2,400  $2,300 

No. 1 Common  $1,850  $1,580  $1,700  $1,550 

 

The  fact  that  the  raw material  costs  up  to  75%  of  the  total  operating  costs  in  sawmills makes  it  an  economic 

necessity  to  implement some  type of NDT  to  improve  lumber value yield. Based on a survey conducted  [Smith 

2004] in couple of mills  in West Virginia and Pennsylvania which were two major hardwood  lumber producers, 

the production rate of high grade lumber (FAS/Selects) was less than 50%.   This is due to the fact that the wood 

processors  are  not  able  to  identify  the  location  of  defects  before  actually  sawing. And  as  the  steps  in  sawing 

process are  irreversible,  the  loss  involved  in producing  low grade  lumber  is also  irrevocable. As a consequence 

many  mills  are  operating  less  than  optimal  profits.  According  to  various  surveys  conducted  to  determine 

hardwood  research  technology  priorities  [Milauskas  2005],  one  of  the  primary  priorities was  introduction  of 

automated defect detection and grading systems in sawmills.  

Significant research has already been performed to address the scanning, processing, and analysis of the data and 

generating the process plan for break‐down of cants. All this research was performed in a lab environment but the 

critical issue was to integrate this scanning system technology into existing sawmill environment. Concerning such 

as  data  acquisition,  processing  speeds,  locating  the  scanner  into  existing  sawmill  layout  and  operations,  and 

impact on production parameters have to be addressed before implementing the scanning system. 

To implement the GPR scanning system in sawmills, it is important to do feasibility studies. This research focuses 

on determining and analyzing the potential issues for implementing GPR scanning system in sawmills. Technical 

issues are often seen as primary focus of a feasibility study, but it is also important to analyze whether the project 

is economically viable. This analysis will help to determine whether it is feasible or not to develop GPR scanning 

system prototype and implement it in sawmills. 

Feasibility Analysis

The GPR scanning system  in sawmills must be able to operate up to 3 shifts, 5 days per week continuously. For 

bridge deck and concrete evaluations, GPR was used only  for certain periods of  time, but sawmills would saw 

hundreds and  thousands of cants every day and  they should be scanned  in nearly a continuously manner. The 

environmental noise which may be  from nearby power  lines,  interference  from  any  electromagnetic devices or 

conductive materials such as conveyor system may contribute  to errors  in recorded scan data. Though  the GPR 

scanning  systems which are used  for surveying have  the ability  to collect data continuously,  the  reliability and 

durability of  the  system  in harsh  sawmill  environment would be  a major  concern. Further,  the design of non‐

conductive conveyor system at the GPR scanning location would add to the cost and complexity of the scanning 

system installed at sawmills.  

The defect detection  algorithm does not  specify  the  type of defect, but  identify  the  type of defect  is  important 

because  lumber  grades  depend  on  the  type  and  length  of  the  defect.  Further  research  needs  to  be  done  to 

differentiate the defect types based on the signal intensities by scanning logs of various species in each of the three 

different  log  grades  (FAS,  Select,  and  Common).  A  better  cutting  sequence  could  be  obtained  by  improved 

estimation of third dimension of the defect which would require scanning cant from four faces [Jadeja 2007]. The 

GPR  data  processing  software  could  be  developed  by  integrating  enhanced defect  detection  and  process  plan 

algorithms. GPR scan data  is processed by applying  the following major steps  to generate cutting sequence  that 

8            DAYAKAR DEVARU, NISHIT BANURI, BHASKARAN GOPALAKRISHNAN, UDAYA HALABE, HASAN H LATIF 

yield higher value lumber. 

Converting radar data and processing individual antenna scan data by applying steps such as linear gain, 

zero correction, signal clipping and filtering by using the defect detection algorithm.  

Detection of internal defects in individual processed antenna scan data by applying threshold value concept 

used by Devaru [2006]. Generating two‐dimensional coordinates for  identified defects by using the defect 

detection algorithm.  

Integrating  the  coordinate  matrix  data  obtained  from  processing  scan  data  of  individual  antennas  to 

determine  the  defect  dimensions.  Boxing  the  defects  using  synthesize  data  module  of  process  plan 

algorithm.    

Generating sawing sequence in terms of face numbers and thickness by integrating “compare face module”, 

“grading module” developed by Jadeja [2007] with the cost module. A “cost module” should be used which 

has the cost details of the lumber based on species, grade, and dimensions. This would allow the program 

to generate the sequence based on the lumber value and not just only on the grade. 

For  real  time  implementation  of  a  GPR  scanning  system,  the  processing  time  of  algorithms  would  play  an 

important  role.  Therefore,  the  algorithm  should  have  the  capability  to  process  the  radar  data  from multiple 

antennas simultaneously. This could be achieved by using Parallel Computing Toolbox™ in MATLAB® software. 

The algorithm should take the data from sensors about the length, width and height of the cant to generate defect 

location coordinates. Further research needs to be done to verify if the data acquisition toolbox can send the data 

from  GPR  antennas  directly  into  the  algorithm.  Figure  6shows  the  overview  of  the  data  acquisition  system 

components. 

 

FIG.6 OVERVIEW OF DATA ACQUISITION SYSTEM COMPONENTS 

The cants produced at the head saw will be conveyed to a buffer region before entering re‐saw conveyor loop. The 

buffer region holds around 7 to 8 cants before they enter re‐saw conveyor system. These cants stay in the buffer 

region while the cants which are already on the conveyor system are processed into boards. The re‐saw operator 

flips the cants to the desired side every time when they arrive for re‐sawing. Therefore, the appropriate  location 

for  the GPR scanning  system would be  the place before  the cant enters  the  re‐saw conveyor  system  (Figure 7). 

After scanning and processing, the process plan (or cutting sequence) would be generated for the cant, but it may 

become difficult  to  track  the  cant  and  indicate  the process plan  to  the  re‐saw operator.  It  is proposed  to have 

equipment  to  tag  the  cant with  barcode  on  one  end  and mark  it with  face  numbers  on  the  other  end  at  this 

location. 

Advantages of having scanning system at this location: 

Scanning process could be completed during the time that cants wait in the buffer region and would have 

less impact on production output. 

Sensor Signal 

Conditioning

Acquisition 

Hardware 

Computer  

Drivers 

Physical Phenomena

MATLAB Data Acquisition System 

On

the

sys

C+

bar

an

to 

ter

a w

au

saw

ha

As

F

The  sca

moving

cant.  Th

acquisit

ne of the maj

e re‐saw and

stem which 

++  and  could

rcode could 

d the other o

mark the fac

rms of face n

way similar t

tomatic cant

wing operati

s to interfere

s a part of thi

A cant o

It takes 

saw con

For a ca

Ca

Feasibility Anal

anning  proce

g the automa

his  would  a

tion process.

FIG. 7 TYPICA

jor concerns 

d indicating t

tags each ca

d  store  the  c

be tagged to

option is to u

ce numbers o

numbers. Figu

to the one sh

t  flipping me

ion can be do

e every time t

is research, ti

of 10 feet tak

approximat

nveyor loop. 

ant of size 8’

Cant Flippe

ant from head s

Buffer 

Region 

Cant 

lysis for Implem

ess  could  be

ated setup w

also  elimina

 

AL RE‐SAW LA

for real time

the process p

ant with a ba

cutting  seque

o the cant in

use laser cod

on one end o

ure 8 shows 

own in Figur

echanism ba

one easily wi

to locate the 

ime study w

kes around 4 

ely 60 second

’’ x 8’’ x 10’,

er

Boarsaw 

Scanning Op

GPR Scanni

menting GPR S

e  done  as  if 

with multiple

ate  synchron

AYOUT WITH A

FIG. 8 CAN

e implement

plan informa

arcode. The b

ence  informa

n two ways: o

ders for print

f the cant wh

the sample c

re 8since the

ased on  the p

ithout much 

correct side 

was performed

seconds for 

ds for the can

, and board 

Board 

Ca

perator Cabin

 ng System Loca

Scanning System

it  is  done  a

e antennas (a

nizing  the  sc

APPROPRIATE 

NT WITH FACE

tation of GPR

ation to the o

barcode can

ation  for  the

one is to use

ting the barc

hile scanning

cant with fac

e cant should

process plan

h interference

of the cant f

d on re‐saw 

one cut.    

nt to return b

thickness of 

Board +

Re

ard Separator

ant Return

ation

m in Sawmills f

at  a  laborato

as the one de

canning  syst

LOCATION FO

E NUMBERS 

R scanning s

operator. So, 

n be generate

e  cant with 

e automated 

code on cant

g as the proc

ce numbers. 

d have at leas

n  stored  in  th

e of re‐saw op

or re‐sawing

operation at

back to re‐sa

1 inch, it w

+ Cant

e‐saw Operator 

Cabin 

Re‐saw

Barco

for Productivity

ory  setting  k

eveloped by

tem  or  conv

OR GPR SCANN

 

system would

it is necessa

ed using soft

generated b

barcode pri

directly. A s

ess plan (or c

The face num

st one face nu

he barcode c

perator. Oth

g based on pr

sawmill. Th

w head whe

ould take ar

Ba

ode and Process

Cant Flippin

ty Improvement

keeping  the 

y Pyakurel [2

veyor  speed

NING SYSTEM

d be identify

ary to design

tware such a

barcode  in  a 

inting and la

system shou

cutting sequ

mbers shoul

umber left til

can be deve

herwise, the r

rocess plan.  

he findings ar

en there are 7

round 512 se

arcode Reader 

s Plan Tagger 

ng Mechanism

t                        

cant  fixed  a

2009]) along 

d  for  GPR  d

 

ying the cant

n and develop

as Visual Bas

database. T

abeling syste

uld be design

uence) will be

d be marked

ll the last cut

loped,  then 

re‐saw opera

 

re:  

7 cants in the

econds to saw

   9  

 

and 

the 

data 

t at 

p a 

sic, 

This 

ems 

ned 

e in 

d in 

t. If 

re‐

ator 

e re‐

w 8 

10            DAYAKAR DEVARU, NISHIT BANURI, BHASKARAN GOPALAKRISHNAN, UDAYA HALABE, HASAN H LATIF 

boards through re‐saw. Assuming the dimensions of all the 7 cants are same, it takes around 10 minutes to 

complete the sawing process for a cycle. 

During this time, another set of 7 to 8 cants would be waiting in the buffer region to enter re‐saw conveyor loop. 

The GPR scanning and data processing of 7 to 8 cants should be completed within these 10 minutes or between 75 

to 85 seconds for one cant to have no impact on the production output. The total time taken by the existing SIR‐20 

GPR scanning system and the execution time of the algorithms is approximately around 175 seconds for each cant. 

The distribution of 175 seconds for scanning a log and processing the data as per the tasks performed are shown 

below. 

1. Data Entry  = 15 seconds 

2. Scanning = 20 seconds 

3. Data Conversion = 50 seconds (25 seconds x 2 scanned data files) 

4. Defect Detection Algorithm = 60 seconds (30 seconds x 2 data files) 

5. Process Plan Algorithm = 30 seconds  

Assuming data entry and scanning are done  in main  frame computer and data conversion, defect detection and 

process plan algorithm are run in individual personal computers, the cycle time will be around 60 seconds since 

the defect detection algorithm takes the maximum time out of all the tasks. Programs can be written to transfer the 

data  from  one  computer  to  another  and  process  it  automatically.  Programs  can  also  be written  to  do  parallel 

processing  of  last  3  tasks  in  the  same  computer,  but  the  computer might  get  overloaded due  to  parallel  data 

processing. While  this  cycle  time  of  processing  programs  is  going  on,  log  scanning  can  be  done with  the  log 

sawing time and save some time. Also, currently data conversion and defect detection algorithms are processing 

two files each and if this can be done in parallel, then cycle time can be further reduced. The GPR scanning speed 

can further be increased by using new SIR‐30 control system.  

Sensitivity Analysis

In  this  study,  the  feasibility  of  implementing  GPR  scanning  system  is  evaluated  for  three  different  sawmill 

capacities. Sawmill capacity of 4.5 Million Board Feet (MMBF) of lumber per year was the lowest among all the re‐

saw operation. Therefore, sawmills producing lumber of 5, 10 and 20 MMBF/yr are considered for this analysis.  

In this research, GPR scanning system and process plan (cutting sequence) were based on scanning cants. Hence, 

sawmill revenues generated through re‐saw operation is considered for analysis. For sawmills producing 5, 10 and 

20  MMBF  of  lumber  per  year,  approximately  3 MMBF/yr  (60%),  5  MMBF/yr  (50%)  and  8  MMBF/yr  (40%) 

respectively were produced through re‐saw operation. The gross annual income through lumber produced at re‐

saw can be estimated by using the following equation. 

Annual Income  = 1 1 1

p q r

S T G GS T G

PL PL PL P TL

 

Where, 

PLS = Percent of lumber species ‘S’ 

PLT  = Percent of lumber thickness ‘T’ of species ‘S’ 

PLG = Percent of lumber grade ‘G’ of lumber thickness ‘T’ of species ‘S’ 

PG = Price of lumber grade ‘G’ of lumber thickness ‘T’ of species ‘S’ 

TL =Total Lumber produced at re‐saw 

A sensitivity analysis was performed to study the potential impact of uncertainty in the initial assumptions. The 

sensitivity of Net Present Value  (NPV)was  evaluated with  respect  to  the  changes  in key  factors  such  as  initial 

investments,  lumber  value  yield,  revenue,  operating  costs  and  scanner  downtime  for  different  sawmill 

configurations.  This  was  done  by  varying  values  of  one  assumption  at  a  time  while  holding  all  the  other 

Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement                           11  

 

assumptions  constant.  Table  2  shows  the  initial  assumptions made  for  different  sawmill  configurations.  The 

important assumption of implementation of GPR scanning system in sawmill will have 0% impact on production 

output and will increase the lumber value yield by 10%. The initial investment for scanning system was estimated 

as $300,000  for 5 MMBF size  sawmill using estimated values  for GSSI SIR‐30 control unit with  four 1,600 MHz 

antennas  as  $60,000  [GSSI  2011],  installation of non‐conductive  conveyor  system,  scanning  set up,  tagging  and 

tracking system and any additional modifications as $150,000, data processing software as $50,000and $40,000 for 

any  other  additional  equipment  and  training.  For  the  sawmills  producing  10  and  20 MMBF  lumber,  it  was 

assumed that they would need additional SIR control unit and antennas as the reliability of these systems  is not 

known  in continuous operation sawmills. Hence, for these larger sized sawmills, initial cost was estimated to be 

$400,000.  

Fixed costs  include management and administrative costs, maintenance expenses and  insurance costs and  these 

costs  are  categorized  as  overhead  expenses  and  it  accounted  for  only  4%  of  total  operating  costs  in  a  typical 

sawmill  in  2005  [US DOC  2005].  For  this  analysis,  it was  estimated  that  overhead  expenses were  10%  of  the 

installed GPR scanning equipment cost in sawmill producing 5 MMBF of lumber per year and 15% for sawmills 

producing more  than  5 MMBF/yr.  Variable  costs  include  the  labor  cost  for  GPR  scanning  operator  and  the 

electrical costs for operating equipment related to the scanning process. The average hourly wage for production 

worker was $15.74 in 2008 [US DOL 2010]. The scanning operator is considered to be skilled labor and the hourly 

wage is assumed to be $30 including fringe benefits. The labor cost is estimated to be around $60,000 (8‐hr shift for 

scanning operator for 250 working days a year) for a sawmill producing 5 MMBF of lumber per year. The electrical 

costs are estimated  to be no more  than $1,500 per month, which  translates  to $18,000 per annum. The operating 

cost of barcode  tagging  and process plan marking on  the  cant was  estimated  to be  $2,500. Therefore,  the  total 

operating costs are estimated to be around $110,500 for sawmill producing 5 MMBF of lumber per year. Similarly, 

the variable operating costs for sawmills producing more than 5 MMBF of lumber (operating more than 1 shift) are 

calculated and shown in Table 2. 

TABLE 2 ASSUMPTIONSMADE FORDIFFERENTSAWMILLSIZES 

Sawmill Size 

(MMBF/yr) 

Re‐saw Output 

(MMBF/yr) 

Revenue through Re‐saw

($)* 

Initial Investment

($)* 

Operating Costs 

($)* 

Increase in Annual 

Income ($/yr)* 

5  3  2,652,450  300,000  110,500  265,245  

10  5  4,420,750  400,000  208,500  442,075  

20  8  7,073,200  400,000  251,500  707,320   

Results and Discussion

Based on the assumptions and estimations made in this analysis about lumber species and grades, lumber price, 

initial costs, operating costs, increase in lumber value yield and impact on production output, there seems to be a 

direct relationship between sawmill size (re‐saw output) and economic performance of the GPR scanning system 

(Figure 9). Net present worth of  largest  sawmill  turns positive before  the other  sawmills as expected. Here  the 

discounted  rate  is  estimated  as  15%  to  determine  the  present  value  of  each  annual  increase.  The  taxes  are 

calculated by reducing taxable income by 40% (effective tax rate). 

Figure 10  shows  the  sensitivity of NPV  results  to variation  in  revenue. The  revenue generated depends on  the 

species, volume  and  the  thickness of  the  lumber processed  and  the  lumber grade distribution. The  investment 

would be profitable even with 20% decrease in the revenues for all the three sawmill configurations. For sawmill 

producing 8 MMBF per year at re‐saw, the investment would be profitable even with decrease as high as 45% in 

revenues.  

Figure 11 shows the sensitivity of NPV results to increase in lumber value yield. The GPR scanning system would 

be feasible for sawmills producing 8 MMBF at re‐saw even with value yield increase of less than 6%. In contrast, 

the increase in value yield should be at least 8% for sawmills producing 3 MMBF and 5 MMBF of lumber per year 

at re‐saw. The economic potential of the investment increases at different rates for different sawmill configurations 

for value yield above threshold values. Increase in cash flows would be substantially more for larger sawmills with 

increase in value yield. This also indicates that the decrease in value yield has the most significant negative impact 

on NPV for sawmills producing 5 MMBF or less at re‐saw.   

12  

Fig

do

of 

Th

MM

Fig

20%

pro

op

Fig

do

$15

Am

im

          DAYAKA

FIG. 9 D

FIG. 11 NP

FIG

gure 12 show

es not have s

GPR scannin

he investmen

MBF at re‐sa

gure 13 show

% downtime

oducing 8 M

erating days

gure 14 show

es not have s

50,000 for 3 M

mong  all  th

mplementation

AR DEVARU,

DISCOUNTED A

PV VS INCREAS

G. 13 NPV VS SC

ws the sensit

significant im

ng system ap

nt should be 

aw respective

ws the sensiti

e (i.e., 50 ope

MMBF per ye

s).  

ws the sensiti

significant im

MMBF and $

he  factors,  d

n of GPR sca

, NISHIT BAN

AFTER TAX CA

SEIN LUMBER 

CANNER DOW

tivity of NPV

mpact on saw

ppears to be 

less than $4

ely to be prof

ivity of NPV

erating days

ar at re‐saw,

ivity of NPV

mpact for saw

$300,000 for 5

decrease  in 

anning system

NURI, BHASKA

ASH FLOWS 

VALUE YIELD

WNTIME 

V results to c

wmill produc

feasible for 

50,000 and $

fitable at 10%

V results to s

) for sawmil

, the investm

V results to in

wmill proces

5 MMBF of lu

lumber  va

m in sawmil

ARAN GOPA

 

 

 

changes in in

cing 8 MMBF

large sawm

$700,000 app

% increase in

canner down

lls with re‐sa

ment would b

ncrease in op

ssing 8 MMB

umber proce

alue  yield  h

lls. The initia

ALAKRISHNA

FIG.10 N

FIG. 12

FIG. 14 NPV

nitial investm

F of lumber 

ills even wit

proximately f

n value yield.

ntime. The in

aw output o

be feasible ev

perating costs

BF at re‐saw. 

essed at re‐sa

has  significa

al investment

AN, UDAYA H

NPV VS VARIA

2 NPV VS INITI

VS INCREASE

ment. The in

per year at re

th the initial 

for sawmills

  

nvestment w

f 3 and 5 MM

ven with dow

s. Even incre

The operatin

aw for the inv

ant  impact 

t also affects

HALABE, HAS

ATION IN REVE

IAL INVESTME

E IN OPERATIN

ncrease in ini

re‐saw. The im

investment 

s producing 

would be fea

MBF per yea

wntime as hi

ease of130% 

ng costs shou

vestment to 

on  the  fea

s the econom

SAN H LATIF

ENUE 

ENT 

NG COSTS 

itial investme

mplementati

of $1.4 millio

3 MMBF and

sible even w

ar. For sawm

igh as 40% (1

operating co

uld be less th

be feasible.  

asibility  of  t

mic performan

 

 

 

ent 

ion 

on. 

d 5 

with 

mill 

100 

osts 

han 

the 

nce 

Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement                           13  

 

of  the scanning system for sawmills producing 3 MMBF and 5 MMBF of  lumber per year at re‐saw. The results 

indicate that sawmills produce 8 MMBF or more at re‐saw would have least amount of risk and highest possible 

return on investment (ROI) from installation of GPR scanning system. 

Conclusions

This  study  investigated  the  feasibility  of  implementing  GPR  scanning  system  in  sawmills.  The  technical 

requirements  for  GPR  scanning  system  and  the  data  processing  software  were  analyzed.  The  durability  of 

scanning  system  in  continuously  operating  sawmills,  and  integrating  scanning  system  into  existing  sawmill 

operations were  identified  as major  technical  concerns  for  implementing  GPR  scanning  system.  GSSI  SIR‐30 

control unit has the ability to collect radar data from four channels at higher speeds compared to SIR‐20 control 

unit. The scan data from four antennas would enhance the internal defect information but processing time of the 

algorithms  might  increase.  The  introduction  of  quad‐core  processors  which  has  the  8‐way  multi‐tasking 

capabilities and the parallel computing techniques in MATLAB® software would help in processing the data from 

four antennas simultaneously which would significantly reduce the execution times of processing algorithms.   

The  location  for GPR  scanning  setup  has  been  identified  to  be  the  place  just  before  the  cants  entering  re‐saw 

conveyor  loop. A method  to  track  the cants after scanning and  indicate  the process plan  to re‐saw operator has 

been proposed. The automated flipping of cant without the intervention of re‐saw operator has been investigated, 

but it is not possible with the current barcode technologies and the major concern would be cants following one 

another in quick succession at re‐saw. Time study with the proposed scanning location indicated that the scanning 

and data processing  time should be kept  to approximately  less  than 75 seconds. The  log scanning  time and  the 

processing times of algorithms developed by Devaru [2006] and Jadeja [2007] were less than 75 seconds and hence 

GPR scanning could be easily  integrated  into sawmill operation  to  improve  lumber value yield. But  identifying 

defect types (i.e., rot, knot) would be crucial to obtain a better cutting sequence as these defects effect the grades 

and value of the lumber produced.  

This study also investigated the economic feasibility of implementing GPR scanning system for three different size 

based sawmill configurations. Based on the conservative estimates of revenues and costs, the GPR scanning system 

seems  feasible  for all  the sawmill configurations. Sensitivity analysis  indicates  that  the decrease  in  lumber value 

yield has the greatest  impact on economic potential. The  initial cost  is also a major factor for small and medium 

sized sawmills. Scanning cants using GPR  technology appears to be promising and warrants  further research  to 

make it a viable reality.  

Future  work  for  this  research  would  be  to  actually  simulate  the  GPR  scanning  operation  under  sawmills 

conditions such as continuous data collection on cants to test its durability. Further research needs to be done on 

barcode readers to integrate it with flipping mechanism and re‐saw operation.  Research should be done to test the 

signal quality at different sampling rate and at higher data acquisition speeds using SIR‐30 control unit. Scanning 

should be performed on  cants of different  species and grades  to know how  it  increases  in value yield vary by 

species and log grades. 

REFERENCES

[1] Agrawal, S., “Nondestructive Evaluation of Wooden Logs Using Ground Penetrating Radar” M.S. Thesis, Department of 

Civil and Environmental Engineering, West Virginia University, Morgantown, WV, 2005. 

[2] Bhandarkar,  S.M.,  Faust,  T.D.,  Tang, M.,  “Design  and  Prototype  Development  of  a  Computer  Vision  Based  Lumber 

Production Planning System”, Image and Vision Computing 20, Elsevier Science, pp. 167‐189, 2002. 

[3] Bhandarkar, S.M., Faust, T.D., Tang, M., “A Computer Vision System for Lumber Production Planning”, 4th IEEE Workshop 

on Applications of Computer Vision (WACVʹ98), pp 134‐139, 1998. 

[4] Bhandarkar, S.M., Luo, X., Daniels, R.F., Tollner, E.W.,  “Automated Planning  and Optimization of Lumber Production 

Using Machine Vision and Computed Tomography”, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 5(4), pp 677‐

695, 2008. 

14            DAYAKAR DEVARU, NISHIT BANURI, BHASKARAN GOPALAKRISHNAN, UDAYA HALABE, HASAN H LATIF 

[5] Bowe,  S.,  Smith,  R., Araman,  P., Kline,  E.D.,  “Use  of Advanced  Sawmill  Equipment,  and Desired  Features  for Next‐

Generation Systems”, Proceedings of the Twenty‐Eighth Annual Hardwood Symposium, pp 131‐140, 2000. 

[6] Bowe, S.A., Smith, R.L., “Modeling Technology Adoption in the Hardwood Sawmill”, Wood and Fiber Science, 38(3), pp 484‐

496, 2006. 

[7] Devaru,  D.,  “Ground  Penetrating  RADAR  (GPR)  based  System  for  Nondestructive  Detection  of  Interior  Defects  in 

Wooden Logs”, M.S. Thesis, Department of  Industrial and Management Systems Engineering, West Virginia University, 

Morgantown, WV, 2006. 

[8] Devaru  D,  Halabe  UB,  Gopalakrishnan  B,  Agrawal  S  (2008)  “Ground  penetrating  radar  (GPR)  based  system  for 

nondestructive detection of interior defects in wooden logs”. Int. J. of Manufacturing Research, 2008 Vol.3, No.4, pp.425 ‐ 451 

[9] Geophysical Survey Systems, Inc. website as on 2011, http://www.geophysical.com/ 

[10] Halabe, U.B., Petro, S.H., GangaRao, H.V., “Nondestructive Evaluation Methods  for Highway Bridges Superstructures”, 

CFC 95‐215, Constructed Facilities Center, Department of Civil and Environment Engineering, West Virginia University, 

Morgantown, WV, 1995. 

[11] Halabe UB, Agrawal S, Gopalakrishnan B  (2009) “Nondestructive evaluation of wooden  logs using ground penetrating 

radar”. Nondestructive Testing and Evaluation, 24(4):329–346 

[12] Halabe UB&GopalakrishnanB &Jadeja J, “Advanced lumber manufacturing model for increasing yield in sawmills using 

GPR‐based defect detection system”, Int J AdvManufTechnol (2011) 56:649–661 

[13] Jadeja,  J.,  “A model  for  increasing yield  in  sawmills based on  the detection of  subsurface defects  in  canted  logs using 

Ground Penetrating Radar (GPR) system”, M.S. Thesis, Department of Industrial and Management Systems Engineering, 

West Virginia University, Morgantown, WV, 2007. 

[14] Kabir, M.F.,  Araman,  P.A.,  “Nondestructive  Evaluation  of  Defects  in Wooden  Pallet  Parts  by  Ultrasonic  Scanning”, 

Proceedings of 13th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood, August 19‐21, 2002.  

[15] Khanna,  O.P.,  “Industrial  Engineering  and Management”,  Chapter  2,  Production  and  Productivity,  pp  2.1‐2.11,  Revised 

Edition, Dhanpat Rai Publications (P) Ltd., 2004. 

[16] Kline, E.D., Araman, P.A., Chris, S.,  “Evaluation of  an Automated Hardwood Lumber Grading System”, Proceedings of 

ScanTech, 2001 International Conference, Seattle, Washington, USA. 

[17] Milauskas, S.J., Anderson, R.B., McNeel,  J.F., “Hardwood  industry  research priorities  in West Virginia”, Forest Products 

Journal, 55(1), pp 28‐32, 2005. 

[18] Muller, W., “Trial of Ground Penetrating Radar to Locate Defects in Timber M Bridge Girders”, Queensland Department 

of Main Roads, Brisbane, Australia, 2002. 

[19] Occena,  L.G.,  “Computer  Integrated Manufacturing  Issues  Related  to  the  Hardwood  Log  Sawmill”,  Journal  of  Forest 

Engineering, 3(1), pp 39‐45, 1991 

[20] Pyakurel, S., “2D and 3D GPR Imaging of Wood and Fiber Reinforced Polymer Composites”Ph.D. Dissertation, Department 

of Civil and Environmental Engineering, West Virginia University, Morgantown, WV, 2009 

[21] Sarigul, E., Abbott, A.L., Schmoldt, D.L., Araman, P.A., “An Interactive Machine‐Learning Approach for Defect Detection 

in Computed  Tomography  (CT)  Images  of Hardwood  Logs”,  Proceedings  of ScanTech  2005,  The  Eleventh  International 

Conference on Scanning Technology and Process Optimization in the Wood Industry, pp 15‐26, 2006 

[22] Schad, K.C., Schmoldt, D.L., Ross, R.J., “Nondestructive Methods for Detecting Defects in Softwood Logs”, Research Paper 

FPL‐RP‐546, Forest Products Laboratory, US Department of Agriculture, Madison, WI, 1996. 

[23] Schmoldt,  D.L.,  “Automation  for  Primary  Processing  of  Hardwoods”,  Statistical Methods, Mathematics  and  Computers, 

Proceedings of the Meeting of IUFRO, pp 103‐112, 1992. 

[24] Schmoldt, D.L., Scheinman, E., Rinnhofer, A., Occena, L.G., “Internal Log Scanning: Research to Reality”, Proceedings of the 

Twenty‐Eighth Annual Hardwood Symposium, pp 103‐114, 2000.  

Feasibility Analysis for Implementing GPR Scanning System in Sawmills for Productivity Improvement                           15  

 

[25] Smith, P.M., Dasmohapatra, S., Luppold, W.G., “A Profile of Pennsylvania’s Hardwood Sawmill Industry”, Forest Products 

Journal, 54(5), pp 43‐49, 2004. 

[26] US  Census  Bureau,  Department  of  Commerce,  “Statistics  for  Industry Groups  and  Industries‐2005”, M05  (AS)‐1,  Issued 

November 2006. 

[27] US Census Bureau, Department of Labor, “Productivity and Costs”, Website as on February 2010. http://www.bls.gov/lpc/  

 DayakarDevaruis  a  Ph.D  candidate  at  Industrial  and  Management  Systems  Engineering  department  ofWest  Virginia 

University. He received his Bachelor’s in Mechanical Engineering from University of Mysore in 1998 and Master’s in Industrial 

Engineering from West Virginia University in 2006. He is a ‘Certified Energy Manager’ from ‘Association of Energy Engineers’ 

and a qualified specialist of  ‘Process Heating Assessment and Survey Tool’  from US Department of Energy. He has received 

‘Outstanding Industrial Assessment Center Engineering Student’ award for the year 2014 from US Department of Energy. He 

worked on developing an Algorithm  to detect defects  in wooden  logs using ground penetrating radar  for his Master’s  thesis 

and currently working on Predicting Energy Intensity in Wood Processing Sawmills based on Analysis of Product, Process and 

System parameters  for his Ph.D dissertation. He  is also an  ‘Engineering  Intern’  from  ‘West Virginia Board of Registration  for 

Professional Engineers’. 

NishitBanuri is working as a project engineer at Casco, USA. He was a graduate student from the Department of Industrial and 

Management Systems Engineering (IMSE) at West Virginia University (WVU). During his Master’s program, he was also a part 

of the research assistant team at WVU’s Industrial Assessment Center (IAC) funded by the US DOE. Mr. Banuri obtained his 

M.S. degree in Industrial Engineering from the IMSE department at West Virginia University.   

BhaskaranGopalakrishnan is  a  Professor  of  Industrial  and  Management  Systems  Engineering  (IMSE)  at  West  Virginia 

University (WVU) and Director of the Industrial Assessment Center (IAC) funded by the US DOE. Through the IAC and as a 

private consultant, he has conducted numerous industrial and energy assessments as well as plant wide energy assessments for 

manufacturing  facilities  and  has  published  widely  in  this  field.  Dr.  Gopalakrishnan  obtained  his  B.E.  (Hons)  degree  in 

Production Engineering  from  the College of Engineering at Guindy, University of Madras,  India, M.S. degree  in Operations 

Research  from  Southern Methodist University,  and  Ph.D  degree  in  Industrial  Engineering  and  Operations  Research  from 

Virginia Tech. He  is a Certified Energy Manager  (CEM)  certified by  the Association of Energy Engineers, Atlanta, Certified 

Practitioner  in  Energy Management  Systems  (CPEnMS),  and  a  US  DOE  Qualified  AirMaster+  Specialist,  SSAT  Qualified 

Specialist,  FSAT  Qualified  Specialist,  PSAT  Qualified  Specialist,  and  a  PHAST  Qualified  Specialist.  He  is  a  registered 

Professional Engineer (PE) in the State of West Virginia. His areas of research interest are industrial energy conservation, waste 

reduction, and productivity improvement. 

Udaya B. Halabe  is a Professor of Civil and Environmental Engineering at West Virginia University, Morgantown, WV.   He 

received his B.E. degree in Civil Engineering from University of Roorkee, India in 1984, and M. Tech. degree in Civil/Structural 

Engineering  from  the  Indian  Institute  of  Technology  (IIT)  Kanpur,  India  in  1985. He  received M.S.  and  Ph.D.  degrees  in 

Civil/Structural  Engineering  from  the Massachusetts  Institute  of  Technology  (MIT)  in  1988  and  1990,  respectively. He  also 

received M.S. degree in Management from MIT in 1990. He is a Fellow of the American Society of Civil Engineers (ASCE), the 

Structural  Engineering  Institute  (SEI)  and  the  American  Society  for  Nondestructive  Testing  (ASNT),  and  member  of  the 

American Concrete  Institute  (ACI) and  the American Society  for Engineering Education  (ASEE). He has  received  the Statler 

College Outstanding  Teacher Award  for  2009‐2010  and  numerous  teaching  awards  from  the CEE Department.  In  2012,  he 

received  the  James  M.  Robbins  National  Excellence  in  Teaching  Award  presented  by  Chi  Epsilon,  the  National  Civil 

Engineering Honor  Society. He  is  a member  of  two  honorary  societies, Chi Epsilon  and  Tau Beta  Pi. Dr. Halabe  has  over 

twenty‐five  years  of  research  and  field  testing  experience  in  the  area  of  nondestructive  testing  and  evaluation  of  civil 

infrastructure. He has published over 100 technical papers and over 40 research reports in the area of nondestructive evaluation 

of timber, steel, concrete, and composite structural components. His expertise includes the use of several nondestructive testing 

techniques such as ground penetrating radar, infrared thermography, ultrasonics, and vibration based technologies. 

Hasan H. Latifis a graduate student in Industrial and Management Systems Engineering Department (IMSE) of West Virginia 

University (WVU). He is playing a significant role as a research assistant in the Industrial Assessment Center (IAC) funded by 

US DOE. His research interest includes energy efficiency, sustainable manufacturing, and operations management. He achieved 

BSc. in Industrial and Production Engineering (IPE) from Bangladesh University of Engineering and Technology (BUET) where 

he served as a lecturer also. He is a certified six sigma green belt holder from American Society of Quality (ASQ). He is affiliated 

with  Institute  of  Industrial  Engineers  (IIE),  Society  of Manufacturing  Engineer  (SME), Alpha  Pi Mu,  Project Management 

Institute (PMI), and American Society of Quality (ASQ).