Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2019, №1 (48)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27630

Browse

Now showing 1 - 20 of 24

An optimal two-stage allocation of material flows in a transport-logistic system with continuously distributed resource
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Us, S. A.; Koriashkina, L. S.; Stanina, O. D.; Ус, С. A.; Коряшкіна, Л. С.; Станіна, О. Д.
EN: Context. The object of the research is a two-stage process of material flows allocation in the transport-logistic system, the structural elements of which are enterprises that collect a resource, is been distributed in a certain territory (centers of the first stage), and the enterprises that consume or process this resource. A mathematical model of such process is a two-stage problem of the optimal partitioning of a continual set with the locating of subset centers under additional constraints presented in the paper. Objective. The goal of the work is to ensure the reduction of transport costs in the organization of multi-stage production, the raw material resource of which is distributed in some territory, through the development of appropriate mathematical apparatus and software. The urgency of the work is explained by one of the most pronounced tendencies in extracting and processing branches of industry and agriculture, namely, the creation of territorially-distributed multilevel companies that include dozens of large enterprises and carry out a full cycle of production from raw material harvesting with its integrated use and the product manufacturing to its transportation to end consumers. Method. Mathematical apparatus for two-stage problems of optimal partitioning of sets with additional couplings was developed using the basic concepts of the theory of continuous linear problems of optimal set partitioning, duality theory, and methods for solving linear programming problems of transport type. The research shows that the formulation of a multi-stage transport-logistic problem in a continuous variant (in the form of an infinite-dimensional optimization problem) is expedient when the number of resource suppliers is limited but very large. The application of the developed mathematical apparatus makes it possible to find the optimal solution of the two-stage allocation-distribution problem in an analytic form (the analytic expression includes parameters that are the optimal solution of the auxiliary finite-dimensional optimization problem with a nondifferentiable objective function). The proposed iterative algorithm for solving the formulated problem bases on modification of Shor’s r-algorithm and the method of potentials for solving the transport problem. Results. Developed mathematical models, methods and algorithms for solving continuous multi-stage problems for locating enterprises with a continuously distributed resource can be used to solve a wide class of continuous linear location-allocation problems. The presented methods, algorithms and software allow solving several practical problems connected, for example, with the strategic planning in the production, social and economic fields. The theoretical results obtained are been brought to the level of specific recommendations that can be used by state-owned and private enterprises in solving logistics tasks related to the organization of collection of a certain resource and its delivery to processing points, as well as further transportation of the product received to places of destination. Conclusions. The results of the computational experiments testify to the correctness of the developed algorithms operation for solving two-stage optimal set partitioning problems with additional couplings. Furthermore, it is confirmed the feasibility of formulating such problems when it is necessary to determine the location of new objects in a given territory, considering the multi-stage raw material resource distribution process. Further research is subject to the theoretical justification of the convergence of the iterative process realized in the proposed algorithm for solving continuous problems of OPS with additional couplings. In future, the development of software to solve such problems with the involvement of GIS-technologies is planned. UK: Актуальність. Об’єктом дослідження є двоетапний процес розподілу матеріальних потоків в транспортно-логістичній системі, структурними елементами якої є підприємства, які здійснюють збір деякого неперервно розповсюдженого на певній території ресурсу (центри першого етапу), і підприємства, що цей ресурс споживають або переробляють. Представлена математична модель такого процесу – задача оптимального розбиття континуальної множини з розміщенням центрів підмножин і додатковими зв’язками. Мета роботи – забезпечення зниження транспортних витрат при організації багатоетапного виробництва, сировинний ресурс якого розповсюджений на деякій території, за рахунок розробки відповідного математичного і програмного забезпечення. Актуальність роботи обумовлена однією з найбільш виражених тенденцій у видобувних і переробних галузях промисловості і сільського господарства, а саме – створенням територіально-розподілених багаторівневих компаній, що включають в себе десятки великих підприємств і здійснюють повний цикл виробництва від заготівлі сировини з його комплексним використанням, випуском продукції до транспортування кінцевим споживачам. Метод. Математичне забезпечення двоетапних задач розміщення-розподілу розроблено із використанням основних положень теорії неперервних лінійних задач оптимального розбиття множин з розміщенням центрів підмножин, теорії двоїстості, а також методів розв’язання задач лінійного програмування транспортного типу. Показано, що формулювання багатоетапної транспортно-логістичної задачі в неперервному варіанті (у вигляді задачі нескінченновимірної оптимізації) доцільно, коли кількість постачальників ресурсу дуже велика. Застосування розробленого математичного апарату дає можливість знайти оптимальний розв’язок двоетапної задачі розміщення-розподілу в аналітичному вигляді, хоча отриманий вираз містить параметри, які є оптимальним розв’язком допоміжної скінченновимірної оптимізаційної задачі з негладкою цільовою функцією. Запропоновано ітераційний алгоритм розв’язання сформульованої задачі, розроблений на основі r-алгоритму Н.З. Шора і методу потенціалів, що застосовується для задач лінійного програмування транспортного типу. Результати. Розроблено математичні моделі, методи та алгоритми розв’язання неперервних багатоетапних задач розміщення підприємств з неперервно-розподіленим ресурсом, на основі яких створено програмний продукт, що може бути використаний для розв’язання широкого класу неперервних лінійних задач розміщення – розподілу. Представлені методи, алгоритми та програмний продукт дозволяють вирішувати цілий ряд практичних проблем, пов’язаних, наприклад, із задачами стратегічного планування, які виникають у виробничій, соціальній та економічній сферах діяльності. Отримані теоретичні результати доведені до рівня конкретних рекомендацій, які можуть бути використані державними і приватними підприємствами при вирішенні логістичних питань, пов’язаних з організацією збору певного ресурсу і його доставкою до пунктів переробки, а також подальшого перевезення отриманого продукту до місць призначення. Висновки. Результати обчислювальних експериментів свідчать про коректність роботи запропонованого алгоритму розв’язання задачі оптимального розбиття множин (ОРМ) з додатковими зв’язками, крім того, дають можливість стверджувати про доцільність формулювання таких задач, коли потрібно визначати на заданій території місця розташування нових об’єктів з урахуванням багатоетапного процесу розподілу деякого неперервно розповсюдженого ресурсу. Подальшому дослідженню підлягають питання теоретичного обґрунтування збіжності ітераційного процесу, реалізованого в запропонованому алгоритмі розв’язання неперервних задач ОРМ з додатковими зв’язками. У перспективі також – розробка програмного забезпечення розв’язання таких задач із залученням ГІС-технологій.
Оптимизация надежности сложных неремонтопригодных систем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Косолап, А. И.; Довгополая, А. А.; Косолап, А. І.; Довгопола, А. О.; Kosolap, A. I.; Dovgopolaya, A. A.
RU: Актуальность. В работе рассматриваются задачи оптимизации надежности сложных неремонтопригодных систем. Такие системы состоят из множества взаимосвязанных элементов. Оптимизация надежности таких систем является сложной вычислительной проблемой и требует разработки новых методов. Цель. Построение математических моделей сложных неремонтопригодных систем и разработка эффективных методов оптимизации их надежности. Метод. Мы используем метод точной квадратичной регуляризации для решения задач оптимизации надежности сложных систем. Точная квадратичная регуляризация позволяет преобразовать многоэкстремальные задачи оптимизации надежности сложных систем к задаче максимизации нормы вектора на выпуклом множестве. Мы используем эффективный прямо-двойственный метод внутренней точки и метод дихотомии для решения преобразованной задачи. Метод точной квадратичной регуляризации позволил значительно расширить классы решаемых оптимизационных задач надежности сложных систем. Это подтверждается сравнительными численными экспериментами. Результаты. Сравнительные численные эксперименты показывают, что метод точной квадратичной регуляризации является более эффективный, чем существующие методы для решения данного класса задач. Этот метод позволяет расширить классы задач оптимизации надежности сложных систем для которых он позволяет находить оптимальные решения. Выводы. Предложен эффективный метод для оптимизации сложных неремонтопригодных систем, который показал лучшие численные результаты. UK: Актуальність. В роботі розглядаються задачі оптимізації надійності складних неремонтопридатних систем. Такі системи складаються з безлічі взаємозалежних елементів. Оптимізація надійності таких систем є складною обчислювальною проблемою і вимагає розробки нових методів. Мета. Побудова математичних моделей складних неремонтопридатних систем і розробка ефективних методів оптимізації їх надійності. Метод. Ми використовуємо метод точної квадратичної регуляризації для розв’язування задач оптимізації надійності складних систем. Точна квадратична регуляризація дозволяє перетворити багатоекстремальні задачі оптимізації надійності складних систем до задачі максимізації норми вектора на опуклій множині. Ми використовуємо ефективний прямо-двоїстий метод внутрішньої точки і метод дихотомії для розв’язування перетвореної задачі. Метод точної квадратичної регуляризації дозволив значно розширити класи розв’язуваних оптимізаційних задач надійності складних систем. Це підтверджується порівняльними чисельними експериментами. Результати. Порівняльні чисельні експерименти показують, що метод точної квадратичної регуляризації є більш ефективний, ніж існуючі методи для розв’язування даного класу задач. Цей метод дозволяє розширити класи задач оптимізації надійності складних систем, для яких він дозволяє знаходити оптимальні рішення. Висновки. Запропоновано ефективний метод для оптимізації складних неремонтопридатних систем, який показав кращі чисельні результати. складна система EN: Context. In this paper we consider problems of optimizing the reliability of complex non-repairable systems. Such systems consist of a set of interrelated elements. Optimizing the reliability of such systems is a complex computational problem and requires the development of new methods. Objective. Construction of mathematical models of complex non-repetitive systems and development of effective methods for optimization their reliability. Method. We use the method of exact quadratic regularization to solve problems of optimizing the reliability of complex systems. Precise quadratic regularization allows us to transform multiextremal problems of optimizing the reliability of complex systems to the problem of maximizing the norm of a vector on a convex set. We use the effective primal-dual interior point method and the dichotomy method to solve the transformed problem. The method of exact quadratic regularization made it possible to significantly expand the classes of solvable optimization problems for the reliability of complex systems. This is confirmed by comparative numerical experiments. Results. Comparative numerical experiments show that the method of exact quadratic regularization is more efficient than existing methods for solving this class of problems. This method allows you to extend classes of problems optimizing the reliability of complex systems for which it allows you to find optimal solutions. Conclusions. We proposed an effective method for optimizing complex non-repetitive systems, this method showed the best numerical results.
Робастное управление приводом лазера системы технического зрения
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Гурко, А. Г.; Гурко, О. Г.; Gurko, A. G.
RU: Актуальность. Решение задачи SLAM для автономного мобильного робота требует эффективных технических средств для сканирования окружающей местности с целью ее картографирования и обнаружения препятствий. В качестве таких средств широко применяются лазерные сканирующие системы, которые используются как самостоятельно, так и в комплексе с другими средствами в составе единой системы технического зрения робота. Одной из проблем при работе систем технического зрения является способность выявлять относительно небольшие препятствия, что требует сканирования ограниченного сектора поля зрения или даже фокусировки на конкретной точке пространства. Данное исследование посвящено вопросу повышения надежности обнаружения препятствия в поле зрения робота за счет усовершенствования привода лазера системы его технического зрения. Цель работы – повышение надежности обнаружения препятствия в поле зрения системы технического зрения робота за счет робастного управления приводами системы позиционирования лазера. Метод. В работе синтезирован классический ПД-регулятор привода позиционирования лазера, удовлетворяющий предъявленным требованиям к качеству переходного процесса. Проведенная оценка робастных свойств полученной системы управления приводом показала как значительную зависимость ее динамических свойств от вариации значений параметров модели привода, так и потенциальную возможность повышения ее быстродействия. При помощи средств Robust Control Toolbox пакета MATLAB переопределены настройки регулятора, обеспечивающие робастные свойства системы управления. Выполнен анализ влияния параметрической неопределенности модели привода на динамические свойства системы. Результаты. Синтезирован робастный ПД-регулятор привода системы позиционирования луча лазера в системе технического зрения, сочетающий в себе простоту реализации классического регулятора со слабой чувствительностью к наличию неопределенностей. Выводы. Применение полученного регулятора в лазерной системе технического зрения мобильного робота повысит надежность обнаружения препятствия и, как следствие, точность построения карты ограниченного сектора поля зрения робота в условиях параметрической неопределенности модели привода. UK: Актуальність. Рішення завдання SLAM для автономного мобільного робота вимагає ефективних технічних засобів для сканування навколишньої місцевості з метою її картографування і виявлення перешкод. В якості таких засобів широко застосовуються лазерні скануючі системи, які використовуються як самостійно, так і в комплексі з іншими засобами в складі єдиної системи технічного зору робота. Однією з проблем при роботі систем технічного зору є здатність виявляти відносно невеликі перешкоди, що вимагає сканування обмеженого сектора поля зору або навіть фокусування на конкретній точці простору. Дане дослідження присвячене питанню підвищення надійності виявлення перешкоди в полі зору робота за рахунок удосконалення приводу лазера системи його технічного зору. Мета роботи – підвищення надійності виявлення перешкоди в полі зору системи технічного зору робота за рахунок робастного керування приводами системи позиціонування лазера. Метод. В роботі синтезовано класичний ПД-регулятор приводу позиціонування лазера, що задовольняє висунутим вимогам до якості перехідного процесу. Проведена оцінка робастних властивостей отриманої системи керування приводом показала як значну залежність її динамічних властивостей від варіації значень параметрів моделі приводу, так і потенційну можливість підвищення її швидкодії. За допомогою засобів Robust Control Toolbox пакету MATLAB перевизначено налаштування регулятора, що забезпечують робастні властивості системи керування. Виконано аналіз впливу параметричної невизначеності моделі приводу на динамічні властивості системи. Результати. Синтезовано робастний ПД-регулятор приводу системи позиціонування променя лазера в системі технічного зору, що поєднує в собі простоту реалізації класичного регулятора зі слабкою чутливістю до наявності невизначеностей. Висновки. Застосування отриманого регулятора в лазерній системі технічного зору мобільного робота підвищить надійність виявлення перешкод і, як наслідок, точність побудови карти обмеженого сектора поля зору робота в умовах параметричної невизначеності моделі приводу. EN: Context. The SLAM problem solving for an autonomous mobile robot requires efficient technical means for surrounding terrain scanning with the purpose of its mapping and obstacles detecting. As such means, laser scanning systems are widely used both independently and in combination with other tools as a part of a uniform technical vision system of a mobile robot. One of the problems with a technical vision systems operation is the ability to detect relatively small obstacles, which requires scanning of a limited sector within the field of view or even focusing on a specific point of space. This study is devoted to the issue of improving the reliability of obstacles detecting within the robot field of view by improving the laser actuator of the technical vision system. Objective. The objective of the work is to the reliability increasing of obstacles detection within the robot technical vision system field of view due to the robust control of the actuators of the positioning system of the laser. Method. The classical PD-controller for the laser positioning actuator, which meets the requirements for the quality of the transient process, has been synthesized. The evaluation of robust properties of the obtained control system showed both a significant dependence of the actuator dynamic properties on the variation of the values of the actuator model parameters and the potential possibility of its time response increasing. With the help of the MATLAB Robust Control Toolbox, the controller gains have been redefined to ensure the robust properties of the control system. The analysis of the influence of parametric uncertainties of the actuator model on the system dynamic properties is conducted. Results. A robust PD-controller for the laser beam positioning system actuator for the technical vision system has been synthesized. It combines the simplicity of the implementation of a classic controller with a weak sensitivity to the uncertainties presence. Conclusions. The using of the controller at the mobile robot laser technical vision system will increase the reliability of obstacle detection and, as a result, the accuracy of mapping of a limited sector within the robot field of view under the conditions of the parametric uncertainty of the actuator model.
Modernization of Luenberger observer for control system of hermetic compressor electric drive
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Bukaros, A. Y.; Onyshchenko, O. A.; Montik, P. N.; Malyshev, V. L.; Bukaros, V. N.; Букарос, А. Ю.; Онищенко, О. А.; Монтік, П. М.; Малишев, В. Л.; Букарос, В. М.
EN: The analysis of existing systems of sensorless control of hermetic compressor electric drives is carried out. The main requirements for control systems of automated electric drives of small refrigerating units’ hermetic compressors are determined. The topology of the adaptive Luenberger observer, which allows real-time estimation of the current value of the rotational speed and load torque on the shaft of the hermetic compressor electric motor, is proposed. Objective. The object of the study is the coordinates observer as a part of control system of the hermetic compressor electric drive. The purpose of the work is to develop a mathematical model of the coordinates observer as a part of control system of the hermetic compressor electric drive. Method. Based on the linearized model of a three-phase induction motor, the Luenberger observer is synthesized by the modal method with the distribution of the roots of the characteristic polynomial according to the standard linear Bessel form. Results. The characteristic polynomial of the observer is obtained and the coefficients of the Luenberger matrix and the mean geometric root of the characteristic polynomial are calculated. To ensure the necessary accuracy the structure of the observer on the basis of the complete mathematical model of a three-phase induction motor executed in the fixed coordinate system is proposed. In the Matlab/Simulink simulation environment an imitation model of the Luenberger observer, which includes a complete mathematical model of the hermetic compressor electric motor in the fixed coordinate system, is constructed. By means of simulation modeling the work of the projected Luenberger observer is studied using the example of the modernized three-phase induction motor of the domestic refrigerator’s hermetic compressor. Conclusions. The efficiency of the proposed method for identifying the rotational speed and the load torque of the compressor motor by the adaptive observer based on the calculation of the motor’s electromagnetic moment from the measured data of the phase voltage and current sensors is confirmed. The error of the researching observer does not exceed 0.5% at the rotation speed and 10% at the load torque. The obtained structure of the adaptive Luenberger observer makes it possible to build closed control systems for the electric drive of a small refrigerating unit’s hermetic compressor. UK: Актуальність. Проведений аналіз існуючих систем бездатчикового керування електроприводами герметичних компресорів. Визначені основні вимоги, що застосовуються до систем керування автоматизованих електроприводів герметичних компресорів малих холодильних установок. Запропонована топологія адаптивного спостерігача Люенбергера, що дозволяє в реальному часі проводити оцінку поточного значення частоти обертання і моменту на валу електродвигуна герметичного компресора. Мета. Об’єктом дослідження є спостерігач координат в складі системи керування електроприводом герметичного компресора. Мета роботи – розробка математичної моделі спостерігача координат в складі системи керування електроприводом герметичного компресора. Метод. На основі лінеаризованої моделі трифазного асинхронного двигуна синтезований спостерігач Люенбергера модальним методом з розподілом коренів характеристичного полінома за стандартною лінійною формою Бесселя. Результати. Отриманий характеристичний поліном спостерігача і розраховані коефіцієнти матриці Люенбергера і середньогеометричний корінь характеристичного полінома. Для забезпечення необхідної точності запропонована структура спостерігача на основі повної математичної моделі трифазного асинхронного двигуна, виконаної в нерухомій системі координат. У середовищі моделювання Matlab/Simulimk побудована імітаційна модель спостерігача Люенбергера, що включає повну математичну модель електродвигуна герметичного компресора в нерухомій системі координат. Засобами імітаційного моделювання досліджена робота спроектованого спостерігача Люенбергера на прикладі модернізованого трифазного асинхронного двигуна герметичного компресора побутового холодильника. Висновки. Підтверджена ефективність запропонованого способу ідентифікації частоти обертання і моменту опору електродвигуна компресора адаптивним спостерігачем на основі обчислення електромагнітного моменту двигуна по виміряним даним датчиків фазних напруг і струмів. Похибка досліджуваного спостерігача не перевищує 0,5% по частоті обертання і 10% по моменту опору. Отримана структура адаптивного спостерігача Люенбергера дозволяє будувати замкнуті системи керування автоматизованим електроприводом герметичного компресора малої холодильної установки.
Method of the intelligent system construction of automatic control of unmanned aircraft apparatus
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Bieliakov, R. O.; Radzivilov, H. D.; Fesenko, O. D.; Vasylchenko, V. V.; Tsaturian, O. G.; Shyshatskyi, A. V.; Romanenko, V. P.; Бєляков, Р. О.; Радзівілов, Г. Д.; Фесенко, О. Д.; Васильченко, В. В.; Цатурян, О. Г.; Шишацький, А. В.; Романенко, В. П.
EN: Context. Military conflicts of the late XX – early XXI centuries are characterized by the using of a large number of new weapons, which allowed the warring parties to distance themselves as far as possible from the direct collision with each other. Unmanned aircraft apparatus (UAA) have become one of the latest weapons on the battlefield, which during military conflicts were proven to be more effective than manned planes, in conducting air reconnaissance and other combat tasks, as well as strike at the enemy. One of the ways to increase the efficiency of UAA is to increase the level of technical excellence of their control systems. Creating new approaches for designing navigation systems for unmanned aerial vehicles particular, based on a free-form inertial navigation system, is an urgent task, as it will allow automatic control of the UAA flight route in the absence of corrective signals from the global satellite navigation system. Objective. The purpose of this work is to develop a methodology for managing an unmanned aerial apparatus using an intelligent automatic control system. This technique will minimize the error of a free inertial navigation system due to the using of a fuzzy neural network system. The algorithm of the proposed method of constructing the intellectual system of automatic control of UAA navigation system using the fuzzy neural network apparatus in the MatLab 7 software environment was developed. A neural network training was conducted in the Python 3.6 software environment (Jupyter-notebook), as well as testing the UAA model in the robot operational system (ROS) simulator environment for comparison with existing methods. Method. To achieve this goal, the following methods were used: intelligent systems, the theory of automatic control, pseudo-spectral method; methods based on the genetic algorithm and apparatus of the fuzzy neural network. Results. The method of constructing the intelligent system of automatic control of an unmanned aerial apparatus for minimizing the error of a free-form inertial navigation system due to the application of the neural network has been developed. The work of the intellectual system of automatic control of the UAA navigational system using the neural network in the MatLab software environment based on the proposed implementation algorithm were tested. The possibility of practical application of the obtained results and comparison with traditional methods were investigated. Conclusions. The technique of the intelligent automatic control of UAA shows an advantage in comparison with the known methods without correcting signals from the global navigation satellite system. UK: Актуальність. Воєнні конфлікти кінця ХХ – початку XXI ст. характеризуються застосуванням великої кількості нового озброєння, яке дозволило ворогуючим сторонам максимально дистанціюватися від безпосереднього зіткнення один з одним. Одним з новітніх зразків озброєння на полі бою стали безпілотні літальні апарати (БПЛА), які під час воєнних конфліктів довели свою здатність значно ефективніше, ніж пілотовані літаки, вести повітряну розвідку та виконувати інші завдання бойового забезпечення, а також для завдання ударів по противнику. Одним з шляхів підвищення ефективності БПЛА є підвищення рівня технічної досконалості їх систем керування. Створення нових підходів для проектування навігаційних систем безпілотних літальних апаратів, зокрема, на основі безплатформенної інерціальної навігаційної системи є актуальним завданням, тому що це дозволить забезпечити автоматичне керування маршрутом польоту БПЛА за відсутності коригувальних сигналів від глобальної системи супутникової навігації. Мета. Метою зазначеної роботи є розробка методики управління безпілотним літальним апаратом із застосуванням інтелектуальної системи автоматичного керування. Зазначена методика дозволить мінімізувати похибку безплатформенної інерціальної навігаційної системи за рахунок застосування апарату нечіткої нейронної мережі. В роботі розроблено алгоритм реалізації запропонованої методики побудови інтелектуальної системи автоматичного управління системою навігації БПЛА з використанням апарату нечіткої нейронної мережі в програмному середовищі MatLab 7; проведено навчання нейронної мережі в програмному середовищі Python 3.6 (Jupyter-notebook), а також проведено тестування моделі БПЛА в середовищі симулятору Robot operation system (ROS) для порівняння з існуючими методами. Метод. Для досягнення поставленої мети використано такі методи: інтелектуальні системи, теорія автоматичного управління, псевдоспектральний метод; методи на базі генетичного алгоритму та апарат нечіткої нейронної мережі. Результати. Розроблено методику побудови інтелектуальної системи автоматичного керування безпілотним літальним апаратом для мінімізації похибки безплатформної інерціальної навігаційної системи за рахунок застосування нейронної мережі. Протестовано роботу інтелектуальної системи автоматичного управління системою навігації БПЛА за допомогою нейронної мережі в програмному середовищі MatLab на основі запропонованого алгоритму реалізації. Досліджено можливість практичного застосування отриманих результатів та порівняно з традиційними методами. Висновки. Розроблена методика побудови інтелектуальної системи автоматичного керування безпілотним літальним апаратом показує перевагу порівняно із відомими методами за відсутності коригувальних сигналів від глобальної системи супутникової навігації.
Побудова нейромережевої експертної системи обробки навігаційних даних в умовах річкової е-навігації
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Панін, В. В.; Доронін, В. В.; Спіян, О. М.; Panin, V. V.; Doronin, V. V.; Spiian, O. M.
UK: Актуальність. Розглянуто задачу автоматизації діагностики мережевих аномалій при передачі потоку навігаційних даних від водомірних постів до електронно-картографічної системи в умовах річкової е-навігації. Об’єктом дослідження є процес діагностики у динамічній експертній системі. Мета роботи – створення автоматизованої системи діагностики мережевих аномалій на нейронних мережах. Метод. Запропонований спосіб автоматизації діагностики мережевих аномалій з використанням комплексу процедур контекстно-орієнтованої інтелектуальної обробки потоків навігаційних даних. Спосіб передбачає застосування сучасних методів обробки інформації на основі реалізації алгоритму нечіткого логічного виводу на нейронних мережах. Застосовані нейромережі можуть бути легко навчені роботі в умовах коливань параметрів, що надходять від водомірних постів. Спосіб дозволяє мінімізувати помилку у синтезованої мережі. Отриманий набір кластерів-правил відображається в структурі нейро-нечіткої мережі. Реалізація способу не потребує завантаження всієї навчальної вибірки в пам’ять електронно-картографічної системи, багаторазових переглядів навчальної вибірки і істотно прискорює процес синтезу мереж. В інформаційній системі обробки потоку навігаційних даних, яка повинна оперативно виявляти мережеві аномалії, а також пропонувати можливі варіанти їх усунення, застосовано сукупне використання експертних систем і нейронних мереж. Поряд з фрактальним врахуванням точності визначені показники якості при невідомих закономірностях між вхідними та вихідними даними, що надходять від водомірних постів. Тобто нейромережа визначає, які сигнали є неінформативними. За допомогою розробленого методу класифікації вхідних сигналів від водомірних постів з використанням мережі Кохонена простір потоку даних розбивається на кластери однакового розміру і форми. При зміні розміру кластера метод дозволяє одержувати різні рівні деталізації вибірки. Застосування процедури класифікації вхідних сигналів передбачає зростання або зменшення значень диференційних поправок до глибин, розпізнання інформації від водомірних постів. Вирішення задач кодування і декодування параметрів під час навчання нечіткої нейромережі виконувалося одночасно із завданням параметричної функції трикутної форми. Визначені правила представлення знань, сформованих експертом. Для зберігання інтелектуальної системи в явному вигляді застосована нейромережева динамічна експертна система на прецедентах. Визначений механізм отримання автоматизованого вирішення на підставі активізації алгоритму пошуку за ступенем близькості прецедентів. За відсутності прецедентів завдання вирішується нейромережевою базою правил. Вузлами мережі є нейрони – окремі факти, що витягаються із прецедентів. Зв’язки між вузлами мережі реалізують правила. Тобто, організовується багатошарова нейромережа фактів і правил. Результати. Відпрацьовані показники експериментальних досліджень процесу автоматизації діагностики мережевих аномалій при передачі потоку навігаційних даних від водомірних постів. Висновки. Вирішена задача автоматизації діагностики мережевих аномалій із застосуванням гнучкої нечітко-нейронної мережі на прецедентах. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованих методів. Перспективи подальших досліджень полягають у реалізації етапів створення інструментального методу навігації (річкової е-навігації). EN: . The diagnostics automatisation problem of network anomalies during navigation data processing from gauging stations to electronic chart system under river e-navigation was studied. The object of the study is a process of diagnostic in the dynamic expert system. The purpose of the research is creating of automated troubleshooting system with a help of neural system. Method. The diagnostic automatisation method of network anomalies with context-based intelligent navigation data processing usage was suggested. The main idea consists in modern data processing methods usage in the neural system. These methods are based on the fuzzy logic algorithm. Neural networks can be in operation during parameter fluctuations, that come from gauging stations. The cluster-rules set is displayed in the fuzzy neural system structure. There is no need to download all sample specifications in the electronic mapping system or to re-check the sample, it helps to speed up the process of network synthesis. In the navigation data processing system were used different expert systems and neural networks. Data processing system should find network anomalies and propose the ways of their decision size, the method allows to get different levels of sample specification. The method allows to minimize network error in the synthesized model. In addition to fractal method, also had been proposed a method for unknown regularities between the input and output data coming from the gauging stations. That is, the neural network can determine which signals are non-informative. With a help of input data classification from the gauging stations based on Kokhonen`s system, the space of the data stream splits into clusters of the same size and shape. By changing the cluster size, the method allows to get different levels of sample specification. The procedure of input signals classification helps to predict the increasing or decreasing of differential corrections towards depth, and recognize information from gauging stations. The method determines the encoding and decoding of navigation parameters by specifying the parametric function of the triangular shape. The rules formed by an expert knowledge were established. In order to keep intellectual system under current conditions should be used neural dynamic expert system model including use case. The mechanism of automated solution based on the search use case algorithm is defined. If there are not any use cases, the task solves with a help of neural network rules. The network nodes are neurons – particular facts that are consequences of use case. Links between nodes of the network implement the rules. That is, a multilayer neural network of facts and rules is built up. Results. The experimental indexes of network anomalies during data processing from the gauging stations were followed up. Conclusions. The automatisation problem of network diagnostic anomalies with a help of flexible fuzzy neural network was solved. The conducted experiments confirmed the efficiency of the proposed methods. Further research may consist in the creation of an instrumental navigation method (river e-navigation).
Analytical model of random multiple access protocol predictive p-persistent CSMA
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Dadenkov, S. A.; Даденков, С. А.
EN: 16 23 Context. New model and quantification method of probable and time characteristics of information-control network with carrier sense random multiple access protocol and predicting network load of predictive p-persistent CSMA had been created. The object of the research was the process of information exchange in Fieldbus-networks LonWorks, BacNet with the analyzed protocol. Objective. The aim of the research is to increase the accuracy of quantitative estimates of the characteristics of time and delivery reliability of information messages in the network with the analyzed protocol. Method. The method of probability theory has been used there to solve the problem of creating a new correct model. The analysis of the functioning principles of the predictive p-persistent CSMA protocol is performed and the parameters influencing its work are set (on the example of the LonTalk stack). A graph of states and transitions of the protocol model describing the principles of transmission of information messages over a network with a software communication medium, considering the allocated significant network and protocol parameters. A method for calculating the graph is offered and new analytical relations are obtained to estimate the main model probabilistic and temporal characteristic: the average delay time of message transmission, the average load of the communication channel, the probability of successful/unsuccessful transmission and data loss in the network. Results. The developed model and method of quantitative assessment of probabilistic and temporal characteristics of data transmission in a network with multiple access protocol predictive p-persistent CSMA. The results are mostly differ from analogs by correct accounting of sporadic and diverse network load by the node delivery services. Conclusions. The held experiments have confirmed the work capacity of the proposed mathematical support and allow to recommend it for solving the assessment characteristics problems of information exchange in the design of analyzed networks with given probabilistic and temporal characteristics. UK: Актуальність. Створено нові моделі і спосіб кількісної оцінки імовірнісних і тимчасових характеристик інформаційно-керуючої мережі з протоколом випадкового множинного доступу з контролем несучої і прогнозуванням мережевого навантаження predictive p-persistent CSMA. Об’єктом дослідження був процес інформаційного обміну в fieldbus-мережах LonWorks, BacNet з аналізованих протоколом. Мета. Метою роботи є підвищення точності кількісних оцінок характеристик часу і надійності доставки інформаційних повідомлень в мережі з аналізованих протоколом. Метод. Для вирішення завдання створення нової коректної моделі використаний апарат теорії ймовірностей. Виконано аналіз принципів функціонування протоколу predictive p-persistent CSMA і встановлені параметри впливають на його роботу (на прикладі стека LonTalk). Запропоновано граф станів і переходів моделі протоколу описує принципи передачі інформаційних повідомлень по мережі з розділяємим середовищем передачі, що враховує виділені значущі мережеві і протокольні параметри. Запропоновано спосіб розрахунку графа і отримані нові аналітичні співвідношення для оцінювання основних імовірнісних і тимчасових характеристик моделі: середнього часу затримки передачі повідомлення, середній завантаженості каналу зв’язку, ймовірності успішної / невдалої передачі і втрати даних в мережі. Результати. Розроблені модель і спосіб кількісної оцінки імовірнісних і тимчасових характеристик передачі даних в мережі з протоколом множинного доступу predictive p-persistent CSMA. Результати переважно відрізняются від аналогів коректним урахуванням спорадичною і різнорідної по сервісів доставки мережевого навантаження вузлів. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для вирішення завдань оцінки характеристик інформаційного обміну при проектуванні аналізіруемих мереж із заданими імовірнісними і тимчасовими характеристиками.
Заперечуване шифрування на основі застосування підходу гібридних криптографічних систем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Гальченко, А. В.; Чопоров, С. В.; Galchenko, A. V.; Choporov, S. V.
UK: Актуальність. Несанкціонований доступ до добре захищених інформаційно-телекомунікаційних систем є досить актуальною проблемою в галузі інформаційної безпеки [1]. Для вирішення цієї проблеми запропоновано використання механізмів заперечуваного шифрування, які в разі отримання несанкціонованого доступу до інформації дозволяють її розпорядникам як заперечити факт існування даних, так і забезпечити їх конфіденційність та захистити розпорядників інформації від застосування грубої сили з боку зловмисників для отримання ключової інформації. В статті викладено підхід до застосування існуючих алгоритмів заперечуваного шифрування для захисту інформації в великих масивах даних. Мета. Основна мета дослідження полягає в перевірці гіпотези щодо можливості використання алгоритмів заперечуваного шифрування для роботи з великими масивами даних, оскільки всі алгоритми даного напряму є асиметричними та не адаптовані для роботи з «big data». Метод. Перевірка гіпотези здійснюється шляхом введення додаткових блоків обробки даних у вихідний алгоритм заперечуваного шифрування з відкритим ключем на основі розширеної криптографічної схеми Рабіна [2], структура та особливості якого найбільш підходять для перевірки висунутої автором гіпотези. Результати. За результатами експериментів авторами запропоновано прототип алгоритму заперечуваного шифрування, який реалізує блочне шифрування даних, а також зберігає особливості механізму двозначності вихідного алгоритму шифрування. Окрім того, запропоновані авторами зміни забезпечують збільшення продуктивності роботи запропонованого алгоритму, при реалізації певних обчислень, в порівнянні з існуючими підходами [3–6]. Висновки. Авторами вирішено задачу застосування існуючих алгоритмів заперечуваного шифрування для захисту інформації в великих масивах даних, на прикладі алгоритму заперечуваного шифрування з відкритим ключем на основі розширеної криптографічної схеми Рабіна. Запропонований підхід до побудови гібридного алгоритму з механізмом заперечування демонструє не лише збереження основних властивостей базового алгоритму, але й можливість блочного шифрування даних будь-якого розміру з гарними показниками продуктивності. Тобто запропонований алгоритм не лише дозволяє вирішити задачу забезпечення конфіденційності даних, в разі несанкціонованого доступу до них, але й робить його придатним для практичного застосування. EN: Context. Unauthorized access to well-protected information and telecommunication systems is a topical problem in the information security field [1]. For this problem solving, it is proposed to use the deniable encryption mechanisms, which allows its managers to object to the existence of data, ensure their confidentiality and protect the information managers from brute force using by the intruders to obtain key information, during the unauthorized access to information. The article outlines the approach to the use of the existing deniable encryption algorithms for the protection of large data arrays. Objective. The main purpose of this researching is a hypothesis test that it’s possibile to use deniable encryption algorithms for large data arrays protection, because all algorithms in this direction are asymmetric and not adapted to work with “big data”. Method. The test of hypothesis is carried out by additional data processing units using in the output deniable encryption algorithm with public key, which based on the extended cryptographic scheme of Rabin [2] and whose structure and features are most suitable for verifying this hypothesis put forward by the author. Results. According to the experiments result, the authors proposed a prototype of deniable encryption algorithm with block encryption of data implemented, which also preserves the deniability mechanism features from the original deniable encryption algorithm. Besides, all changes in algorithm which were proposed by the authors provide the productivity increasing compared with existing approaches [3–6]. Conclusions. Authors have solved a problem of using the existing deniable encryption algorithms, for the large data arrays security, for example for the deniable encryption algorithm with open key, which based on the Rabin extended cryptographic scheme. The proposed approach of the hybrid algorithm constructing with deniable mechanism demonstrates not only the preservation of the basic algorithm properties, but also good performance of the any size data block encrypting ability. Proposed algorithm allows to solve not only the problem of ensuring data confidentiality during the unauthorized access to them, but also makes its suitable for practical using.
The method of multivariate statistical analysis of the time multivariate critical quality attributes of manufacture process with the data factorization
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Havrylko, Ye. V.; Kurchenko, O. A.; Tereshchenko, I. V.; Tereshchenko, A. I.; Гаврилко, Є. В.; Курченко, О. А.; Терещенко, І. В.; Терещенко, А. І.
EN: Context. This paper presents a method for solving the problem of product’s quality assurance at the stage of the initial manufacture process design in accordance with the process-analytical technology for the design of modern certified manufacturing – QbD. The method uses the information technologies of multivariate statistical analysis (MSA) to evaluate the influence of time multivariate critical process parameters (CPPs) on the time product critical quality attributes (CQAs). Preparatory transformation of clusters of critical process (manufacture process) parameters into factors of product critical quality attributes was carried out. Objective. To disclose the method of multivariate statistical analysis for assessing the character and features of the influence of time multivariate critical process parameters on time multivariate critical quality attributes at the design stage of the manufacture process. Method. The method consistently uses: statistical procedures of exploratory multivariate data analysis; transformation the homogeneous observed values matrices of CPPs and product CQAs into data frame (table) with factorized data; construction the regression trees of multivariate CPPs with a multivariate responses (CQAs). The method is implemented the R language packages software. Results. Factorized time multivariate CPPs make it possible to use methods of multivariate statistical analysis for evaluating the influence of CPPs factors on the time multivariate CQAs. Conclusions. This method of statistical analysis, together with statistical multivariate canonical analysis, represents an up-to-date information technology for detailed estimation the influence of time multivariate CPPs objects and some CPPs components on CQAs. UK: Актуальність. У статті запропоновано метод розв’язання задачі забезпечення якості продукції на етапі первинного проектування процесу виробництва відповідно до актуальної процесно-аналітичної технології конструювання сучасних сертифікованих виробництв – «якість через дизайн» (QbD). Об’єктом дослідження є процес забезпечення якості продукту на ранніх етапах проектування. Метод використовує інформаційні технології багатовимірного статистичного аналізу MSA (Multivariate Statistical Analysis) для оцінки впливу часових багатовимірних критичних параметрів процесу виробництва на часові атрибути критичного якості продукту. Проводиться трансформація кластерів критичних параметрів процесу виробництва в чинники критичних атрибутів якості продукту. Метод. Метод послідовно використовує: статистичні процедури розвідувального аналізу багатовимірних даних; трансформацію однорідних матриць значень спостережень критичних параметрів виробничого процесу і критичних атрибутів якості продукту в таблиці з факторізованими даними; побудову дерев регресії багатовимірних критичних параметрів процесу виробництва з багатовимірним відгуком. Метод реалізований за допомогою програмних пакетів мови R. Результати. Факторізовані часові багатовимірні критичні атрибути якості процесу виробництва надають додаткові ступені свободи використання методів багатовимірного статистичного аналізу для оцінювання впливу факторів критичних параметрів виробничого процесу на часові багатовимірні критичні атрибути якості продукту. Висновки. Запропонований метод статистичного аналізу представляє актуальну інформаційну технологію детального оцінювання впливу об’єктів часових багатовимірних даних критичних параметрів процесу виробництва і окремих складових на критичні атрибути якості продукту.
Постановка задач обработки данных на основе критерия минимума протяженности
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Вовк, С. М.; Вовк, С. М.; Vovk, S. M.
RU: Актуальность. Для обработки данных, содержащих аномальные значения, и получения разреженных решений или решений малой протяженности может быть использовано требование минимизировать протяженность функции, применяемой для поиска решения. Объектом исследования в данной работе является процесс постановки задач обработки данных на основе указанного требования, которое далее упоминается как критерий минимума протяженности. Целью данной работы является разработка подхода к постановке задач обработки данных на основе данного критерия. Метод. На основе критерия минимума протяженности предложен новый подход к постановке задач аппроксимации данных и к постановке обратных задач с прямым линейным оператором, решение которых имеет малую протяженность или является разреженным, в условиях, когда исходные данные содержат шум и аномальные значения. Постановка задачи аппроксимации получена путем задания параметрической модели данных и применения критерия минимума протяженности к невязке решения. Постановка обратной задачи получена путем применения критерия минимума протяженности к решению задачи и к его невязке. Представлены частные случаи этой постановки и отмечено, что она обобщает постановку задачи регуляризации Тихонова. Предложенные постановки задач сформулированы в виде задач минимизации соответствующих функционалов, построенных на основе «супермножества» стоимостных функций. В общем случае указанные функционалы не являются ни выпуклыми, ни унимодальными, и их минимизация может оказаться трудоемкой задачей. Результаты. Предложенные постановки задач обобщают те постановки, которые выполнены на основе критериев наименьших квадратов и/или наименьших модулей. Численное моделирование задачи аппроксимации линейной функцией зашумленных данных в условиях наличия шума импульсного типа, а также в условиях наличия мешающего фрагмента экспоненциальной функции подтвердило целесообразность предложенной постановки и ее результативность. Численное моделирование обратной задачи, которой отвечала переопределенная система линейных алгебраических уравнений с грубыми ошибками в ее правой части и разреженным решением, также подтвердило целесообразность использования критерия минимума протяженности для ее постановки. Выводы. Постановка задач обработки данных на основе критерия минимума протяженности является целесообразной в условиях, когда часть исходных данных является грубо искаженной и/или когда искомое решение имеет малую протяженность. Постановки, основанные на критерии минимума протяженности, позволяют расширить круг решаемых задач. UK: Актуальність. Для обробки даних, які вміщують аномальні значення, та отримання розріджених рішень або рішень малої протяжності може бути використана вимога мінімізувати протяжність функції, використовуваної для пошуку рішення. Об’єктом дослідження в даній роботі є процес постановки задач обробки даних на основі зазначеної вимоги, яка далі згадується як критерій мінімуму протяжності. Метою даної роботи є розробка підходу до постановки задач обробки даних на основі даного критерію. Метод. На основі критерію мінімуму протяжності запропоновано новий підхід до постановки задач апроксимації даних та до постановки обернених задач з прямим лінійним оператором, рішення яких має малу протяжність або є розрідженим, в умовах, коли дані містять шум та аномальні значення. Постановка задачі апроксимації отримана шляхом завдання параметричної моделі даних і застосування критерію мінімуму протяжності до відхилу рішення. Постановка оберненої задачі отримана шляхом застосування критерію мінімуму протяжності до рішення задачі та до його відхилу. Представлені окремі випадки цієї постановки та відзначено, що вона узагальнює постановку задачі регуляризації Тихонова. Запропоновані постановки задач сформульовані у вигляді задач мінімізації відповідних функціоналів, побудованих на основі «супермножини» вартісних функцій. У загальному випадку зазначені функціонали не є ані опуклими, ані унімодальними, і їх мінімізація може виявитися трудомістким завданням. Результати. Запропоновані постановки задач узагальнюють ті постановки, які виконані на основі критеріїв найменших квадратів та/або найменших модулів. Чисельне моделювання задачі апроксимації лінійною функцією зашумленних даних в умовах наявності шуму імпульсного типу, а також в умовах наявності фрагмента експоненційної функції, який заважає, підтвердило доцільність запропонованої постановки та її результативність. Чисельне моделювання оберненої задачі, якій відповідала перевизначена система лінійних алгебраїчних рівнянь з грубими помилками в її правій частині та розрідженим рішенням, також підтвердило доцільність використання критерію мінімуму протяжності для її постановки. Висновки. Постановка задач обробки даних на основі критерію мінімуму протяжності є доцільною в умовах, коли частина даних є грубо спотвореною та/або коли шукане рішення має малу протяжність. Постановки, засновані на критерії мінімуму протяжності, дозволяють розширити коло вирішуваних задач. EN: Context. In order to process the data containing anomalous values as well as to obtain the sparse solutions or solutions with small extent, the requirement to minimize the extent of the function used to find solution can be used. In this paper the object of the study is the process of setting the data processing problems on the basis of this requirement, which is further referred to as the criterion of minimum extent. Objective. The goal of this work is the development of an approach to the formulation of the data processing problems based on criterion of minimum extent. Method. On the basis of minimum extent criterion, a new approach is proposed. This approach allows to formulate the data approximation problem as well as the inverse problem with a direct linear operator and with a solution of small extent or with a sparse solution in conditions that the initial data contain noise and anomalous values. The statement of the approximation problem is obtained by setting a parametric data model and applying the criterion of minimum extent to the solution residual. The statement of the inverse problem is obtained by applying the criterion of minimum extent to the solution of the problem and to the solution residual. The special cases of this statement are presented and it is noted that this statement generalizes the statement of the Tikhonov regularization problem. The proposed problem statements are formulated as minimization problems for the corresponding functionals constructed on the basis of the “superset” of cost functions. In the general case, the indicated functionals are neither convex nor unimodal, and their minimization can be a laborious task. Results. The proposed problem statements generalize those that are performed on the basis of the least squares criterion and/or least modules criterion. Numerical simulation of the problem of approximation by a linear function of noisy data in the presence of impulsive noise, as well as in the presence of an interfering fragment of exponential function, confirmed the feasibility of the proposed statement and its effectiveness. Numerical simulation of the inverse problem, corresponded to the overdetermined system of linear algebraic equations with gross errors in its right-hand side and sparse solution, also confirmed the feasibility of using the criterion of minimum extent for its formulation. Conclusions. The problem statement of data processing which is based on the criterion of minimum extent is expedient under conditions when the part of the data is roughly distorted and/or when the desired solution has a small extent. The statements based on the criterion of minimum extent allow us to expand the range of the problems to be solved.
Ідеалізовані моделі реінжинірингу програмних систем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Великодний, Станіслав С.; Velykodniy, Stanislav
UK: Актуальність. Програмні системи застосовуються у різноманітних галузях життя й діяльності людини, але найбільше поширення вони отримали у галузях, де необхідною є робота із багатьма рутинними операціями – це стосується промисловості, виробництва, транспорту, навчання та інфокомунікацій. Звичайно, що у процесі експлуатації цих систем відбувається еволюційне старіння видів забезпечення. Така тенденція призводе до погіршення швидкісних, інформаційно-комунікаційних, графічних, часових та інших характеристик, аж до повної відмови програмної системи. Тематика статті спрямована у галузі проектування ергатичних систем та управління проектами та програмами з перепроектування або удосконалення цих систем. Реінжиніринг дозволяє виконати еволюціонування системи, шляхом внесення позитивних змін до її структури з метою підвищення характеристик експлуатації та технічного супроводу. Мета. Сформувати представлення оцінки параметрів витрат ресурсів на виконання реінжинірингу програмних систем за допомогою математичного інструментарію опису моделей проектування. Метод. У ідею статті закладено метод Боема (Boehm) та принципи побудови спіралі Архімеда. Авторські дослідження призвели до думки об’єднати ідеї побудови структур Боема та Архімеда, адаптувати їх під методологію програмної інженерії та перенести до циліндричної системи координат. В основу отриманих моделей закладено спіральний принцип організації відліку. Результати. У статті розглянуто процес створення та візуалізації математичних моделей стосовно до процесу реінжинірингу програмних систем. Операції із поданими моделями можуть відбуватися у проекціях часу та витрат, у ізометричній проекції програмних компонентів, у логарифмічній проекції рядків програмного коду. Висновки. Вперше сформовані ідеалізовані моделі реінжинірингу, що дозволять підвищити точність оцінки витрат з перепроектування програмних систем. Удосконалено модель візуалізації витрат на перепроектування програмних систем, яка дозволить підвищити ефективність прогнозування порядку витрат. Вперше отримано залежності побудови траєкторії графічної моделі витрат від уведених коефіцієнту автоматизації реінжинірингу та коефіцієнту схожості компонентів, які дозволять вносити зміни до конфігурації моделі. Запропоновані ідеалізовані моделі реінжинірингу видів забезпечення програмних систем являють собою еволюційні спіралі, які побудовані у циліндричній системі координат. Реінжиніринг, який буде виконано за допомогою розроблених ідеалізованих моделей реінжинірингу дозволить не тільки скоротити витрати на перепроектування програмних систем, але й підвищити ефективність технічного супроводу, збільшити життєвий цикл програмних систем, що вже знаходяться у експлуатації та подолати протиріччя між швидкими темпами розвитку науки, техніки і процесів проектування нових програмних систем. EN: Content. Software systems are used in a variety of branches of life and human activities, but they are most widely used in industries where it is necessary to work with many routine operations – this applies to industry, production, transportation, training and info communications. Of course, in the process of exploiting these systems there is an evolutionary aging of the different types of security. This trend leads to a deterioration of high-speed, information-communication, graphic, time and other characteristics, up to the complete failure of the software system. The subject of the article is aimed to the design of ergative systems, project management and programs for re-designing or improving these systems. Reengineering allows the system to evolve, by making positive changes to its structure in order to improve operational characteristics and technical support. Objective. To form a representation of the estimation of resource cost parameters for the reengineering of software systems with the help of a mathematical tools for describing design models. Method. The idea of the article is based on the Boehm method and the principles of building an Archimedes spiral. Author’s research led to the idea of combining Boehm and Archimedes structures, adapting them to the software engineering methodology and transferring them to a cylindrical coordinate system. The basis of the obtained models is laid spiral principle of the organization of the reference. Results. The article deals with the process of creating and visualizing mathematical models in relation to the process of reengineering software systems. Transactions with these models can occur in projections of time and cost, in the isometric projection of software components, and in the logarithmic projection of lines of software code. Conclusions. For the first time, idealized models of reengineering have been formed, which will allow to increase the accuracy of cost estimation from the redesign of software systems. The model of cost visualization for reprogramming of software systems has been improved, which will increase the efficiency of forecasting the order of expenses. For the first time dependencies were obtained on the construction of the graphical cost model trajectory from the introduced reengineering automation coefficient and the similarity coefficient of the components that would make changes to the configuration of the model. The proposed idealized models for reengineering of software system security are evolutionary spirals, which are constructed in a cylindrical coordinate system. Reengineering, which will be accomplished with the help of developed idealized reengineering models, will not only reduce the cost of reprogramming software systems, but also increase the efficiency of technical support, increase the life cycle of software systems which are already in service and overcome the contradictions between the rapid pace of development of science, technology and processes of designing new software systems.
Modeling the security policy of the information system for critical use
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Bisikalo, O. V.; Kovtun, V. V.; Yukhimchuk, M. S.; Бісікало, О. В.; Ковтун, В. В.; Юхимчук, М. С.
EN: Context. Compared to universal information systems, the information system for critical use has a simplified structure of the information environment and specific requirements regarding the volumes and nature of information resources. This fact allows us to refuse excessive detail and to narrow the simulation object to the process of forming a security policy for an information system for critical use, an adequate problem description of which is achievable under the condition of a rational choice of the mathematical apparatus. Objective. Synthesis of mathematical apparatus for the complex unified description of static and dynamic, controlled by integrity and authenticity, processes in the information system for critical use in its hierarchical representation. Method. In the article new complex mathematical models of processes of information processing and access separation to it are obtained, which, in contrast to the existing ones, describe in the framework of the mathematical apparatus of E-networks mechanisms for protecting the environment and resources of the information system for critical use and allow to quantify the integrity of its information resources. The mathematical models of the synthesis of the policy of safe information processes interaction in the information system for critical use are developed, which allow guaranteeing the observance of local security policies on the various structural elements of the system and integrating them into the global security policy, observing a single discretionary policy everywhere in the system. Results. The practical consequence of the obtained theoretical results is the methods of optimizing the operation of the data processing and the access separation units, which are responsible in the information system for critical use for controlling the information integrity and the authenticity of access to it, respectively. In particular, the model of security policy of a information system for critical use adapted for practical application, a method for dynamically information integrity controlling with a corresponding criterion based on the mathematical apparatus of semi-Markov networks for a comprehensive stochastic description of discrete states of the information integrity control at selected hierarchical levels of the system during the continuous discretionary access. The method allows us to select the maximum allowable values of information integrity control coefficients at the sub-levels of the OSI application level allocated in the information system for critical use based on the pre-set amount of the size of controlled information, the speed of information integrity control and the maximum period of the system is in the appropriate state. Also describes a method for controlling access to information processes that are described by superblocks on the E-network representation of the ISCU using sets of classifiers integrated into each block of the superblock that capture the fact of exceeding the corresponding thresholds by weighted degrees of identity of the attributes of the object that wants to access, which allows us to classify the identified information threat and initiate the corresponding reaction described in the system security policy. The analysis of the results of the experiments allowed to obtain optimal parameters of groups of classifiers, which, in the framework of global, local and discretionary security policies, prevent the unauthorized access to system information resources or attempts to violate their integrity. Conclusions. The article presents for the first time the mathematical model of the information system of critical use, in which, unlike the existing ones, a single approach has been introduced to describe information processes within the global, discretionary and local security policies with an attachment to the hierarchical structure of the information system, which allows analysis and synthesis of functions services supporting user roles based on the object-relational model of organization of information resources of the system, to perform their integration, induction and ensure compatibility within a single security policy, to control the information and the authenticity of static and dynamic access to it. UK: Моделювання політики безпеки інформаційної системи критичного застосування Актуальність. Порівняно із універсальними інформаційними системами, інформаційна система критичного застосування має спрощену структуру інформаційного середовища і специфічні вимоги щодо обсягів і характеру інформаційних ресурсів. Це факт дозволяє відмовитися від надмірної деталізації і звузити об’єкт моделювання до процесу формування політики безпеки інформаційної системи критичного застосування, адекватний проблемний опис якого є досяжним за умови раціонального вибору математичного апарату. Мета роботи. Синтез математичного апарату для комплексного уніфікованого опису статичних і динамічних, контрольованих за цілісністю та автентичністю, процесів у інформаційній системі критичного застосування у її ієрархічному представленні. Метод. У статті отримано нові комплексні математичні моделі процесів оброблювання інформації та розмежування доступу до неї, які, на відміну від існуючих, описують в рамках математичного апарату Е-мереж механізми убезпечення середовища та ресурсів інформаційної системи критичного застосування і дозволяють кількісно оцінити цілісність її інформаційних ресурсів. Розроблено математичні моделі синтезу політики безпечної взаємодії інформаційних процесів у інформаційній системі критичного застосування, які дозволяють гарантувати дотримання локальних політик безпеки на різних структурних елементах системи і інтегрувати їх у глобальну політику безпеки із дотриманням єдиної дискреційної політики скрізь у системі. Результати. Практичним наслідком отриманих теоретичних результатів є методи оптимізації роботи блоків оброблювання даних і розмежування доступу, які відповідають у інформаційній системі критичного застосування за контроль цілісності інформації та автентичність доступу до неї відповідно. Зокрема, формалізовано асоційований із моделлю політики безпеки інформаційної системи критичного застосування, адаптований для практичного застосування, метод динамічного контролю цілісності інформації із відповідним критерієм, який базується на математичному апараті напівмарковських мереж для комплексного стохастичного опису дискретних станів контролю цілісності інформації на вибраних ієрархічних рівнях системи під час неперервного дискреційного доступу. Метод дозволяє вибрати максимальні допустимі значення коефіцієнтів контролю цілісності інформації на підрівнях прикладного рівня OSI, виділених у інформаційній системі критичного застосування, на основі попередньо заданого обсягу контрольованої інформації, швидкості контролю її цілісності та максимальної тривалості перебування системи у відповідному стані. Також представлено метод контролю доступу до системних інформаційних процесів, який виконується множинами інтегрованих класифікаторів, які фіксують факти перевищення відповідних порогових значень зваженими ступенями ідентичності атрибутів об’єкта, який бажає отримати доступ, класифікують виявлені таким чином інформаційні загрози і ініціюють описані в системній політиці безпеки сценарії. Аналіз результатів проведених експериментів дозволив отримати оптимальні параметри для множин класифікаторів, які, в рамках глобальної, локальної і дискреційної політики безпеки, запобігають отриманню несанкціонованого доступу до системних інформаційних ресурсів або спробам порушення їх цілісності. Висновки. У статті вперше представлено математичну модель інформаційної системи критичного застосування, у якій, на відміну від існуючих, введено єдиний підхід для опису інформаційних процесів у рамках глобальної, дискреційної та локальної політик безпеки із прив’язкою до ієрархічної структури інформаційної системи, що дозволяє виконувати аналіз і синтез функцій сервісів підтримки ролей користувачів на основі об’єктно-реляційної моделі організації інформаційних ресурсів системи, виконувати їх інтеграцію, індукуванням і забезпечувати сумісність в рамках єдиної політики безпеки, контролювати в системі цілісність інформації та автентичність статичного і динамічного доступу до неї.
Построение деревьев решений для случая малоинформативных признаков
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Субботин Сергей Александрович; Субботін, Сергій Олександрович; Subbotin, S. A.
RU: Актуальность. Рассмотрена задача автоматизации построения деревьев решений. Объектом исследования являются деревья решений. Предметом исследования являются методы построения деревьев решений. Цель. Цель работы – создание метода построения моделей на основе деревьев решений для выборок данных, характеризующихся наборами индивидуально малоинформативных признаков. Метод. Предложен метод построения деревьев решений, который для заданной выборки определяет индивидуальную информативность признаков по отношению к выходному признаку, а также оценивает взаимосвязь входных признаков между собой как их индивидуальную информативность попарно по отношению друг к другу, на этапе формирования очередного узла в качестве признака-кандидата выбирает признак, дающий наилучшее разбиение из всего множества признаков, после чего последовательно ищет среди всех еще неотобранных для данного узла признаков такой признак, который индивидуально наиболее тесно связан с отобранным кандидатом, после чего для совокупности отобранных признаков, перебирая поочередно из заданного набора доступные преобразования, определяет качество разбиения для каждого преобразования, выбирает наилучшее преобразование и добавляет его в узел. Метод стремится при формировании очередного узла выделить группу наиболее тесно взаимосвязанных признаков, преобразование которой в скалярное значение обеспечит наилучшее разбиение подвыборки экземпляров, попавших в данный узел. Это позволяет сократить размер модели и ветвистость дерева, ускорить вычисления при распознавании экземпляров на основе модели, а также повысить обобщающие свойства модели и ее интерпретабельность. Предложенный метод позволяет использовать построенное дерево решений для оценки значимости признаков. Результаты. Разработанный метод реализован программно и исследован при решении задачи классификации сигналов, представленных набором отсчетов, обладающих индивидуально низкой информативностью. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного математического обеспечения и позволяют рекомендовать его для использования на практике при решении задач диагностирования и автоматической классификации по признакам. Перспективы дальнейших исследований могут заключаться в создании параллельных методов построения деревьев решений на основе предложенного метода, оптимизации его программных реализаций, а также экспериментальном исследовании предложенного метода на более широком комплексе практических задач. UK: Актуальність. Розглянуто задачу автоматизації побудови дерев рішень. Об’єктом дослідження є дерева рішень. Предметом дослідження є методи побудови дерев рішень. Мета. Мета роботи – створення методу побудови моделей на основі дерев рішень для вибірок даних, що характеризуються наборами індивідуально малоінформативних ознак. Метод. Запропоновано метод побудови дерев рішень, який для заданої вибірки визначає індивідуальну інформативність ознак по відношенню до вихідної ознаки, а також оцінює взаємозв’язок вхідних ознак між собою як їх індивідуальну інформативність попарно по відношенню один до одного, на етапі формування чергового вузла в якості ознаки-кандидата обирає ознаку, що дає найкраще розбиття з усієї множини ознак, після чого послідовно шукає серед усіх ще невідібраних для даного вузла ознак таку, що індивідуально найтісніше пов’язана з відібраним кандидатом, після чого для сукупності відібраних ознак, перебираючи по черзі з заданого набору доступні перетворення, визначає якість розбиття для кожного перетворення, обирає найкраще перетворення і додає його в вузол. Метод прагне при формуванні чергового вузла виділити групу найбільш тісно взаємопов’язаних ознак, перетворення якої у скалярне значення забезпечить найкращу розбиття підвибірки зразків, які потрапили у даний вузол. Це дозволяє скоротити розмір моделі і гіллястість дерева, прискорити обчислення при розпізнаванні екземплярів на основі моделі, а також підвищити узагальнювальні властивості моделі та її інтерпретабельність. Запропонований метод дозволяє використовувати побудоване дерево рішень для оцінки значимості ознак. Результати. Розроблений метод реалізований програмно і досліджений під час розв’язання задачі класифікації сигналів, поданих набором відліків, що є індивідуально малоінформативними. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при вирішенні завдань діагностування та автоматичної клас-класифікації за ознаками. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у створенні паралельних методів побудови дерев рішень на основі запропонованого методу, оптимізації його програмних реалізацій, а також експериментальному дослідженні запропонованого методу на більш широкому комплексі практичних завдань. EN: Context. The problem of automating the decision tree construction is addressed. The object of study is a decision tree. The subject of study is the methods of decision tree building. Objective. The purpose of the work is to create a method for constructing models based on decision trees for data samples that are characterized by sets of individually low-informative features. Method. A method for decision tree constructing is proposed, which for a given sample determines the individual informativeness of features relatively to the output feature, and also evaluates the relationship of input features with each other as their individual informativity pairwise relatively to each other, at the step of forming the next node the method selects as a candidate feature the feature that gives the best partition in the whole set of features, after which it sequentially searches among all the features that are not selected for this node the one that is individually most closely related with the selected candidate, then for the set of selected features, iterating through the available transformations from a given set, determines the quality of the partition for each transformation, selects the best transformation and adds it to the node. When forming the next node, the method tends to single out a group of the most closely interrelated features, the conversion of which into a scalar value will provide the best partitioning of a subsample of instances hit into this node. This makes possible to reduce the size of the model and the branching of the tree, speed up the calculations in recognizing instances based on the model, as well as improve the generalizing properties of the model and its interpretability. The proposed method allows using the constructed decision tree to assess the feature significance. Results. The developed method is implemented as software and investigated at signal represented by a set of individually low-informative readings classification problem solving. Conclusions. The experiments have confirmed the efficiency of the proposed software and allow recommending it for use in practice in solving problems of diagnostics and automatic classification by features. The prospects for further research may consist in the creation of parallel methods for constructing decision trees based on the proposed method, optimization of its software implementations, and also in an experimental study of the proposed method on a wider set of practical problems.
A model and training algorithm of small-sized object detection system for a compact aerial drone
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Moskalenko, V. V.; Moskalenko, A. S.; Korobov, A. G.; Zaretsky, M. O.; Москаленко, В. В.; Москаленко, А. С.; Коробов, А. Г.; Зарецкий, М. О.
EN: Context. Lightweight model and effective training method of on-board object detection system for a compact drone are developed. The object of research is the process of small object detection on aerial images under computational resource constraint and uncertainty caused by small amount of labeled training data. The subject of the research are the model and training method for detecting small objects on aerial imagery. Objective. Goal of the research is developing efficient model and training method of object detection system for a compact aerial drone under conditions of restricted computing resources and the limited volume of the labeled training set. Methods. The four-stage training method of the object detector is proposed. At the first stage, selecting the type of deep convolutional neural network and the number of low-level layers that is pre-trained on the ImageNet dataset for reusing takes place. The second stage involves unsupervised training of high-level convolutional sparse coding layers using modification of growing neural gas to automatically determine the required number of neurons and provide optimal distributions of the neurons over the data. Its application makes it possible to utilize the unlabeled training datasets for the adaptation of the high-level feature description to the domain application area. At the third stage, there are reduction of output feture map using principan component analysis and building of decision rules. In this case, output feature map is formed by concatenation of feature maps from different level of deep network using upscaling upper maps to uniform shape for each channel. This approach provides more contextual information for efficient recognition of small objects on aerial images. In order to build classifier of output feature map pixels is proposed to use boosted information-extreme learning. Besides that, the extreme learning machine is used to build of regression model for predict bounding box of detected object. Last stage involves fine-tuning of high-level layers of deep network using simulated annealing metaheuristic algorithm in order to approximating the global optimum of complex criterion of training efficiency of detection model. Results. The results obtained on open datasets testify to the suitability of the model and training method for practical usage. The proposed training method utilize 500 unlabeled and 200 labeled training samples to provide 96% correctly detection of objects on the images of the test dataset. Conclusions. Scientific novelty of the paper is a new model and training method for object detection, which enable to achieve high confidence of recognition of small objects on aerial images under computational resource constraint and limited volume of the labeled training set. Practical significance of the paper results consists in the developed model and training method made it possible to reduce requirements for size of labeled training set and computation resources of on-board detection system of aerial drone in training and inference modes. UK: Актуальність. Розроблено обчислювально просту модель і ефективний метод навчання бортової системи детектування об’єктів на місцевості. Об’єкт дослідження – процес детектування малорозмірних об’єктів на аерофотознімках в умовах обмежених обчислювальних ресурсів і невизначеності, зумовленої малим об’ємом розміченої навчальної вибірки. Предмет дослідження – модель і метод навчання моделі для детектування малорозмірних об’єктів на аерофотознімках. Мета дослідження – розробка ефективних моделі і методу навчання системи детектування об’єктів малогабаритним літаючим апаратом в умовах обмежених обчислювальних ресурсів і обмеженого обсягу розміченої вибірки. Методи дослідження. В роботі запропоновано чотирьох етапний метод навчання детектора об’єктів. На першому етапі здійснюється вибір згорткової нейромережі, попередньо навченої на наборі ImageNet, а також вибір кількості шарів, які будуть запозичені. Другий етап передбачає додавання згорткового розріджено-кодуючого шару, що навчається без вчителя, для формування карти ознак. Для реалізації другого етапу розроблено модифікацію алгоритму зростаючого нейронного газу, яка забезпечує автоматичне визначення необхідної кількості нейронів і їх оптимальний розподіл за даними. Це дозволяє ефективно використовувати нерозмічені набори даних для адаптації високорівневого ознакового опису до доменної області використання. На третьому етапі проводиться редукція вихідної карти ознак шляхом застосування методу головних компонент й навчання вирішальних правил. При цьому вихідна карта ознак будується шляхом конкатенації карт ознак нижніх рівнів з масштабованими картами ознак верхнього рівня. Даний підхід до побудови карти ознак покликаний забезпечити підвищення ефективності розпізнавання малорозмірних об’єктів за рахунок збільшення кількості контекстної інформації в кожному пікселі. Побудова моделі класифікаційного аналізу пікселів вихідної карти ознак пропонується здійснювати на основі принципів бустінгу і інформаційно-екстремального машинного навчання, а прогнозування меж детектованих об’єктів пропонується реалізувати на основі машини екстремального навчання. Останній етап методу навчання полягає в тонкій настройці високорівневих шарів екстрактора ознак на основі метаевристичного алгоритму симуляції відпалу з метою максимального наближення до глобального оптимуму значення комплексного критерію ефективності навчання детектора. Результати. Результати, отримані на відкритому наборі даних, підтверджують придатність запропонованих моделі та методу навчання до практичного застосування. Запропонований метод навчання забезпечує 96% точності детектування малорозмірних об’єктів на тестових зображення при використанні 500 нерозмічених і 200 розмічених навчальних зображень. Висновки. Наукова новизна статті полягає в розробці нових моделі і методу навчання детектора об’єктів, що забезпечують високодостовірне розпізнавання малорозмірних об’єктів на аерофотознімках в умовах обмежених обчислювальних ресурсів і малого обсягу розмічених навчальних вибірок. Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в розробці моделі та методу навчання детектора об’єктів, що дозволяють знизити вимоги до обсягу навчальної вибірки і обчислювальних ресурсів бортовий системи літаючого апарата в режимах навчання та екзамену.
Voronoi-based skeletonization algorithm for segmenting the network of biological neurons
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Kotsur, D. V.; Tereshchenko, V. M.; Коцур, Д. В.; Терещенко, В. М.
EN: Context. The problem of automated processing and analysis of microscopy image data is of high relevance due to its extreme impact on the research and recent developments in the field of biology and medicine. Efficient image processing algorithms facilitate the development of new medical diagnostic tools and therapy processes. They help us to broaden our knowledge of underlying mechanisms and processes inside living organisms. The primal focus of this paper is the processing of the microscopy images of the biological neural network. This aims to facilitate further studies of biological neural network that would lead to the development of better methods for diagnosis, prevention and cure of the related deceases. Objective. The goal of the work is to development of an efficient image processing algorithm for segmenting the network of biological neurons based on the fluorescent microscopy image data. Method. The introduced algorithm for segmenting the network of biological neurons comprises several steps. Firstly, we apply image processing routines, which aim to enhance the quality of the image data and extract the contours of the biological neural network. Then we construct the skeleton of the network applying the Voronoi diagram for line segments extracted from the object’s contours. We employ Voronoi skeleton to identify the cellular somas and differentiate them from axons and dendrites. Results. The developed Voronoi-based algorithm allows us to segment individual neurons, localize their somas, axons and dendrites and extract graph representation of the neural network. The underlying Voronoi diagram data structure allows us to compute such graph efficiently in O(N log N) operations (where N is a number of contour points). The proposed segmentation method was implemented in the C++/Python programming language and evaluated on the fluorescent images from CellImageLibrary (CIL). Conclusions. The proposed segmentation method aims to facilitate studies of biological neural networks. It computes segmentation of the network of biological neurons in O(N log N) operations using the Voronoi diagram data structure. This data structure, in turn, gives us an attributed graph representation of the segmented network. Therefore, classical graph processing algorithms can be applied to analyze the neural and compute such network’s characteristics as the number of connections between individual neurons, the shortest signal transduction path between two neurons, etc. UK: Актуальність. Проблема автоматизованої обробки та аналізу даних зображень з мікроскопу має велике значення з огляду на її значний вплив на дослідження та останні розробки в області біології та медицини. Ефективні алгоритми обробки зображень сприяють розробці нових медичних діагностичних засобів і терапевтичних методів, а також сприяють розширенню нашого знання про основні механізми і процеси в живих організмах. Первинним фокусом цієї роботи є обробка мікроскопічних зображень біологічної нейронної мережі. Робота має на меті полегшити подальші дослідження біологічної нейронної мережі, що призведе до розробки більш ефективних методів діагностики, профілактики та лікування пов’язаних із ними захворювань. Метод. Запропоновано алгоритм сегментації мережі біологічних нейронів, що складається з декількох кроків. На першому кроці застосовуються процедури обробки зображень, які спрямовані на підвищення якості даних зображення та виділення контурів біологічної нейронної мережі. На другому кроці будується скелетон мережі, при цьому використовується діаграма Вороного для відрізків, що складають контур об’єкта. Скелетон на основі діаграми Вороного використовується на третьому кроці для ідентифікації клітинних тіл і виокремлення їх від аксонів і дендритів. Результати. Розроблений алгоритм на основі діаграми Вороного дозволяє сегментувати окремі нейрони, локалізувати їх клітинні тіла, аксони, дендрити. Алгоритм також дозволяє представити нейронну мережу у вигляді графу. Структура даних діаграми Вороного дозволяє ефективно обчислити такий граф зі складністю O(N log N) операцій, де N кількість точок контуру. Запропонований метод сегментації був реалізований на мовах програмування C++/Python і протестований на флуоресцентних зображеннях отриманих з CellImageLibrary (CIL). Висновки. Запропонований метод сегментації спрямований на полегшення вивчення біологічних нейронних мереж. Метод дозволяє швидко сегментувати біологічну нейронну мережу за O(N log N) операцій з допомогою діаграми Вороного для відрізків. Структура даних діаграми Вороного, у свою чергу, дозволяє отримати представлення відсегментованої нейронної мережі у вигляді графу з атрибутами. Таким чином, можуть бути застосовані класичні алгоритми обробки графів для аналізу нейронної мережі і обчислення її різноманітних характеристик (наприклад, знаходження числа зв’язків між окремими нейронами, найкоротшого шляху передачі сигналу між двома нейронами тощо).
Neuro-fuzzy forecasting of non-linear processes of blast furnace production
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Herasina, O. V.; Husiev, O. Yu.; Korniienko, V. I.; Герасіна, О. В.; Гусєв, О. Ю.; Корнієнко, В. І.
EN: Context. Neuro-fuzzy forecasting of the chemical composition of cast iron at the blast furnace output to improve the quality of blast furnace production control is considered. Objective. The aim of the work is to reduce the errors of forecasting non-linear processes of blast-furnace production. Method. It was proposed to use neural-fuzzy adaptive filter-approximators for forecasting non-linear processes of blast-furnace production (in the form of: Adaptive neuro-fuzzy inference system, fuzzy algorithm of subtractive clustering and fuzzy C-means clustering algorithm), which realize sequential and step-by-n step integration of current information. To optimize these filters for real processes, their parameters are identified by the accuracy criterion on the training and verification sequences. Results. As a result of the simulation of neural-fuzzy forecasting of the content of the chemical composition of cast iron at the blast furnace output, it was found that the best accuracy is provided by a fuzzy filter with subtractive clustering with sequential integration of the current data. At the same time, the forecast error is 4.2%, and the time for finding the optimal solutions does not introduce time restrictions on the application of this approach in blast-furnace production. The adequacy of the data was confirmed. Conclusions. Neural-fuzzy filters allow to increase the accuracy of the forecast of non-linear processes of blast furnace smelting and, due to this, to improve the quality of management of the production of cast iron. Further research should be directed to the development of automatic control systems for non-linear processes of blast-furnace production. UK: Актуальність. Розглянуто нейро-нечітке прогнозування хімічного складу чавуну на випуску доменної печі для підвищення якості керування доменним виробництвом. Метою роботи є зниження похибок прогнозування нелінійних процесів доменного виробництва. Метод. Запропоновано для прогнозування нелінійних процесів доменного виробництва використовувати нейро-нечіткі адаптивні фільтри-апроксиматори (у вигляді: адаптивної нейронечіткої системи висновку, нечіткого алгоритму віднімаючої кластеризації і нечіткого алгоритму кластеризації С-середніх), які реалізують послідовне і покрокове інтегрування поточної інформації. Для оптимізації цих фільтрів під реальні процеси виконана ідентифікація їх параметрів за критерієм точності на навчальній і перевірочній послідовностях. Результати. В результаті моделювання нейро-нечіткого прогнозування змісту хімічного складу чавуну на випуску доменної печі було встановлено, що найкращу точність забезпечує нечіткий фільтр з віднімаючою кластеризацією при послідовному інтегруванні поточних даних. При цьому похибка прогнозу становить 4,2%, а час пошуку оптимальних рішень не вносить часових обмежень на застосування цього підходу в доменному виробництві. Підтверджено адекватність отриманих результатів. Висновки. Нейро-нечіткі фільтри дозволяють підвищити точність прогнозу нелінійних процесів доменної плавки й, за рахунок цього, поліпшити якість керування виробництвом чавуну. Подальші дослідження повинні бути спрямовані на розробку автоматичних систем керування нелінійними процесами доменного виробництва.
Implementation of DBSCAN clustering algorithm within the framework of the objective clustering inductive technology based on R and KNIME tools
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Babichev, S.; Vyshemyrska, S.; Lytvynenko, V.; Бабічев, С. А.; Вишемирська, С. В.; Литвиненко, В. І.
EN: Context. The problem of the data clustering within the framework of the objective clustering inductive technology is considered. Practical implementation of the obtained hybrid model based on the complex use of R and KNIME tools is performed. The object of the study is the hybrid model of the data clustering based on the complex use of both DBSCAN clustering algorithm and the objective clustering inductive technology. Objective. The aim of the work is the creation of the hybrid model of the objective clustering based on DBSCAN clustering algorithm and its practical implementation on the basis of the complex use of both R and KNIME tools. Method. The inductive methods of complex systems modelling have been used as the basis to determine the optimal parameters of DBSCAN clustering algorithm within the framework of the objective clustering inductive technology. The practical implementation of this technology involves: the use of two equal power subsets, which contain the same quantity of pairwise similar objects; calculation of the internal and the external clustering quality criteria; calculation of the complex balance criterion, maximum value of which corresponds to the best clustering in terms of the used criteria. Implementation of this process involves two main stages. Firstly, the optimal values of the EPS parameter were determined at each step within the range of the minPts value changes. The charts of the complex balance criterion versus the EPS value were obtained for each minPts value as the results of this stage implementation. Then, the analysis of the obtained intermediate results was performed in order to determine the optimal solution, which corresponds to both the maximum value of the complex balance criterion on the one side and the aims of the current clustering on the other side. Results. The developed hybrid model has been implemented based on software KNIME with the use of plugins, which have been written in software R. The efficiency of the model was tasted with the use of the different data: low dimensional data of the computing school of East Finland University; Fisher’s iris; gene expression profiles of the patients, which were investigated on lung cancer. Conclusions. The results of the simulation have shown high efficiency of the proposed method. The studied objects were distributed into clusters correctly in all cases. The proposed method allows us to decrease the reproducibility error, since the solution concerning determination of the clustering algorithm optimal parameters was taken based on both the clustering results obtained on equal power subsets separately and the difference of the clustering results obtained on the two equal power subsets. UK: Актуальність. Досліджено проблему кластеризації складних даних у рамках індуктивної технології об’єктивної кластеризації. Зроблено практичну реалізацію запропонованої гібридної моделі кластеризації даних на основі комплексного застосування програмних засобів R і KNIME. Об’єктом дослідження є гібридна модель кластеризації даних на основі комплексного застосування алгоритму кластеризації DBSCAN і індуктивної технології об’єктивної кластеризації. Мета роботи полягає у створенні гібридної моделі об’єктивної кластеризації на основі алгоритму кластеризації DBSCAN та практична реалізація моделі на основі комплексного застосування програмних засобів R і KNIME. Метод. Індуктивні методи моделювання складних систем були використані як основа для визначення оптимальних параметрів алгоритму кластеризації DBSCAN в рамках індуктивної технології об’єктивної кластеризації. Практична реалізація даної технології передбачає: застосування рівнопотужніх підмножин даних, які містять однакову кількість попарно близьких об’єктів; розрахунок внутрішнього та зовнішнього критеріїв якості кластеризації; розрахунок комплексного критерія балансу, максимальне значення якого відповідає найкращій кластеризації з точки зору критеріїв, що використовуються. Реалізація процесу визначення оптимальних параметрів алгоритму DBSCAN передбачає два етапи. Першим етапом є визначення оптимального значення параметра EPS в межах діапазону зміни значень параметру minPts. Результатом реалізації даного етапу є отримання діаграм залежності комплексного критерію балансу від відповідних значень EPS для кожного значення minPts. Потім проводився аналіз отриманих проміжних результатів для визначення оптимального рішення, що відповідає максимальному значенню комплексного критерію балансу в залежності від мети поставленої задачі. Результати. Розроблена гібридна модель індуктивної технології об’єктивної кластеризації на основі алгоритму DBSCAN, яка практично реалізована на основі програмних засобів KNIME R. Виконано оцінку ефективність моделі з використанням різних типів даних: низько-розмірних даних школи обчислень університету східної Фінляндії; ірисів Фішера; профілів експресії генів пацієнтів, які досліджувалися на рак легенів. Висновки. Результати моделювання показали високу ефективність запропонованої технології. Досліджені об’єкти були розподілені у кластери коректно в усіх випадках. Запропонований метод дозволяє зменшити значення похибки відтворюваності, оскільки остаточне рішення щодо визначення оптимальних параметрів алгоритму кластеризації приймається на основі паралельного аналізу результатів кластеризації, отриманих на рівнопотужніх підмножинах даних, так і на основі аналізу різниці результатів кластеризації, отриманих на даних підмножинах.
Исследование систем массового обслуживания с сдвинутыми эрланговскими и экспоненциальными входными распределениями
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Тарасов, В. Н.; Бахарева, Н. Ф.; Тарасов, В. Н.; Бахарєва, Н. Ф.; Tarasov, V. N.; Bakhareva, N. F.
RU: Актуальность. В теории массового обслуживания исследования систем G/G/1 особо актуальны в связи с тем, что до сих пор не существует решения в конечном виде в общем случае. Рассмотрена задача вывода решения для среднего времени ожидания в очереди в замкнутой форме для обычных систем с эрланговскими и экспоненциальными входными распределениями и для этих же систем со сдвинутыми вправо распределениями. Цель работы. Получение решения для основной характеристики системы – среднего времени ожидания требований в очереди для трех видов систем массового обслуживания типа G/G/1 с обычными и со сдвинутыми эрланговскими и экспоненциальными входными распределениями. Метод. Для решения поставленной задачи использован классический метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли, который позволяет получить решение для среднего времени ожидания для рассматриваемых систем в замкнутой форме. Метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли играет важную роль в теории систем G/G/1. Для практического применения полученных результатов использован известный метод моментов теории вероятностей. Результаты. Впервые получены спектральные разложения решения интегрального уравнения Линдли для трех видов систем, с помощью которых выведены расчетные выражения для среднего времени ожидания в очереди для вышеуказанных систем в замкнутой форме. Выводы. Введение параметра сдвига во времени в законы распределения входного потока и времени обслуживания для рассматриваемых систем, преобразует их в системы запаздыванием с меньшим временем ожидания. Это связано с тем, что операция сдвига во времени уменьшает величину коэффициентов вариаций интервалов между поступлениями требований и их времени обслуживания, а как известно из теории массового обслуживания, среднее время ожидания требований связано с этими коэффициентами вариаций квадратичной зависимостью. Если система с эрланговскими входными распределениями второго порядка работает только при одном определенном точечном значении коэффициентов вариаций интервалов между поступлениями требований и их времени обслуживания, то эта же система со сдвинутыми распределениями позволяет оперировать с интервальными значениями коэффициентов вариаций, что расширяет область применения этих систем. Аналогично обстоит дело и со сдвинутыми экспоненциальными распределениями. Кроме того, сдвинутое экспоненциальное распределение содержит два параметра и позволяет аппроксимировать произвольные законы распределения с использованием двух первых моментов. Такой подход позволяет рассчитать среднее время ожидания для указанных систем в математических пакетах для широкого диапазона изменения параметров трафика. Все остальные характеристики систем являются производными от времени ожидания. Метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли для рассматриваемых систем позволяет получить решение в замкнутой форме и эти полученные решения публикуется впервые. UK: Актуальність. У теорії масового обслуговування дослідження систем G/G/1 особливо актуальні у зв’язку з тим, що до цих пір не існує рішення в кінцевому вигляді у загальному випадку. Розглянуто задачу виведення рішення для середнього часу очікування в черзі в замкнутій формі для звичайних систем з ерлангівським і експонентним вхідними розподілами і для цих же систем зі зсунутими вправо розподілами. Мета роботи. Отримання рішення для основної характеристики системи – середнього часу очікування вимог в черзі для трьох видів систем масового обслуговування типу G/G/1 зі звичайними і з зсунутими ерлангівським і експонентним вхідними розподілами. Метод. Для вирішення поставленого завдання використаний класичний метод спектрального розкладання рішення інтегрального рівняння Ліндлі, який дозволяє отримати рішення для середнього часу очікування для розглянутих систем в замкнутій формі. Метод спектрального розкладання рішення інтегрального рівняння Ліндлі грає важливу роль в теорії систем G/G/1. Для практичного застосування отриманих результатів використаний відомий метод моментів теорії ймовірностей. Результати. Вперше отримано спектральні розкладання рішення інтегрального рівняння Ліндлі для трьох видів систем, за допомогою яких виведені розрахункові вирази для середнього часу очікування в черзі для вищевказаних систем в замкнутій формі. Висновки. Введення параметра зсуву в часі в закони розподілу вхідного потоку і часу обслуговування для розглянутих систем, перетворює їх в системи запізненням з меншим часом очікування. Це пов’язано з тим, що операція зсуву в часі зменшує величину коефіцієнтів варіацій інтервалів між надходженнями вимог і їх часу обслуговування, а як відомо з теорії масового обслуговування, середній час очікування вимог пов’язаний з цими коефіцієнтами варіацій квадратичною залежністю. Якщо система з ерланговськими вхідними розподілами другого порядку працює тільки при одному певному точковому значенні коефіцієнтів варіацій інтервалів між надходженнями вимог і їх часу обслуговування, то ця ж система з зсунутими розподілами дозволяє оперувати з інтервальними значеннями коефіцієнтів варіацій, що розширює сферу застосування цих систем. Аналогічно йде справа і з зсунутими експонентними розподілами. Крім того, зрушений експоненціальний розподіл містить два параметри і дозволяє апроксимувати довільні закони розподілу з використанням двох перших моментів. Такий підхід дозволяє розрахувати середній час очікування для зазначених систем в математичних пакетах для широкого діапазону зміни параметрів трафіку. Всі інші характеристики систем є похідними від часу очікування. EN: Context. In queuing theory, the study of G/G/1 systems is particularly relevant due to the fact that until now there is no solution in the final form in the general case. The problem of the derivation in closed form of the solution for the average waiting time in the queue for ordinary systems with erlangian and exponential input distributions and for the same systems with shifted distributions is considered. Objective. Obtaining a solution for the main system characteristic – the average waiting time for queue requirements for three types of queuing systems of type G/G/1 with conventional and shifted erlangian and exponential input distributions. Method. To solve this problem, we used the classical method of spectral decomposition of the solution of Lindley integral equation, which allows one to obtain a solution for average the waiting time for systems under consideration in a closed form. The method of spectral decomposition of the solution of Lindley integral equation plays an important role in the theory of systems G/G/1. For the practical application of the results obtained, the well-known method of moments of probability theory is used. Results. The spectral decompositions of the solution of the Lindley integral equation for the three kinds of systems were first obtained with the help of which the calculated expressions for the average waiting time in the queue for the above systems in a closed form were derived. Conclusions. The introduction of the time shift parameter in the laws of input flow distribution and service time for the systems under consideration turns them into systems with a delay with a shorter waiting time. This is due to the fact that the time shift operation reduces the coefficient of variation in the intervals between the receipts of the requirements and their service time, and as is known from queuing theory, the average wait time of requirements is related to these coefficients of variation by a quadratic dependence. The system with erlangian input distributions of the second order is applicable only at a certain point value of the coefficients of variation of the intervals between the receipts of the requirements and their service time. The same system with shifted distributions allows us to operate with interval values of coefficients of variations, which expands the scope of these systems. Similarly the situation and with the shifted exponential distributions is. In addition, the shifted exponential distribution contains two parameters and allows one to approximate arbitrary distribution laws using the first two moments. This approach allows us to calculate the average latency for these systems in mathematical packages for a wide range of traffic parameters. All other characteristics of the systems are derived from the waiting time. The method of spectral decomposition of the solution of the Lindley integral equation for the systems under consideration makes it possible to obtain a solution in a closed form and these solutions are published for the first time.
Метод двобічних наближень розв’язання першої крайової задачі для нелінійних звичайних диференціальних рівнянь на основі використання функції Гріна
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Сидоров, М. В.; Sidorov, M. V.
UK: Актуальність. Розглянуто питання побудови двобічного ітераційного процесу знаходження додатного розв’язку першої крайової задачі для звичайного диференціального рівняння другого порядку на основі використання метода функцій Гріна. Об’єктом дослідження є перша крайова задача для нелінійного звичайного диференціального рівняння другого порядку. Мета роботи – користуючись методами теорії нелінійних операторів у напівупорядкованих просторах розробити метод двобічних наближень розв’язання поставленої задачі. Метод. За допомогою функції Гріна вихідна нелінійна крайова задача для звичайного диференціального рівняння замінюється еквівалентним інтегральним рівнянням Гаммерштейна, що розглядається у просторі неперервних функцій, який напівупорядковано за допомогою конуса невід’ємних функцій. Інтегральне рівняння подається у вигляді нелінійного операторного рівняння з гетеротонним оператором. Для нього знаходиться сильно інваріантний конусний відрізок, кінці якого є початковими наближеннями для двох ітераційних послідовностей, перша з яких, монотонно зростаючи, наближає точний розв’язок задачі знизу, а друга, монотонно спадаючи, – зверху. Наведено дві умови існування єдиного додатного розв’язку розглядуваної крайової задачі та двобічної збіжності до нього послідовних наближень. Також наведено загальні рекомендації з побудови сильно інваріантного конусного відрізка. Розроблений метод має просту обчислювальну реалізацію і зручну для використання на практиці апостеріорну оцінку похибки. Результати. Розроблений метод програмно реалізовано та досліджено при розв’язанні тестових задач. Результати обчислювального експерименту проілюстровано графічною та табличною інформаціями. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність та ефективність розробленого метода і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при розв’язання задач математичного моделювання нелінійних процесів. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у розробленні двобічних методів розв’язання задач для рівнянь з частинними похідними та нестаціонарних задач, використовуючи напівдискретні методи (наприклад, метод прямих Роте). EN: Context. The questions of constructing a two-sided iterative process for finding a positive solution of the first boundary value problem for an ordinary second-order differential equation on the basis of the method of Green’s functions are considered. The object of the study is the first boundary value problem for an ordinary second-order differential equation The purpose of the paper is to develop a method of two-sided approximations of the problem solution by using the methods of the nonlinear operators theory in semi-ordered spaces. Method. With the Green’s function help the original nonlinear boundary value problem for an ordinary differential equation is replaced by an equivalent integral equation, considered in the space of continuous functions, which is semi-ordered by means of the cone of nonnegative functions. The integral equation is represented as a nonlinear operator equation with a heterotone operator. For this equation a strongly invariant conic segment, the ends of which serve as initial approximations for two iterative sequences, is sought. The first of the sequences, monotonically increasing, approximates the exact solution of the problem from below, and the second one, monotonically decreasing, approximates it from above. Two conditions for the existence of a unique positive solution of the boundary value problem under consideration and two-sided convergence of successive approximations to it are given. General recommendations on the construction of a strongly invariant conic segment are also given. The developed method has a simple computational implementation and a posteriori error estimate, convenient for use in practice. Results. The developed method was programmed and investigated in solving test problems. The results of the computational experiment are illustrated graphically and with the help of tables. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the efficiency and effectiveness of the developed method and allow to recommend it for use in practice for solving the problems of mathematical modeling of nonlinear processes. The prospects for further research may include the development of two-sided methods for solving problems for partial differential equations and non-stationary problems using semi-discrete methods (for example, the Rothe’s method of lines).
Прогнозирование индивидуального ресурса технических систем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Нагорный, В. В.; Лавров, Е. А.; Чибиряк, Я. И.; Нагорний, В. В.; Лавров, Є. А.; Чибіряк, Я. І.; Nahornyi, V. V.; Lavrov, E. A.; Chybiriak, Y. I.
RU: Актуальность. В статье изложены результаты исследований по разработке новой методологии прогнозирования индивидуального ресурса технических систем, что является злободневной, но так и не решенной до сих пор проблемой, особенно для малосерийных или изготовленных в единичных экземплярах объектов контроля. Данное обстоятельство и определяет актуальность изложенного в статье материала. Цель. Целью работы является разработка новой методологии прогнозирования индивидуального ресурса технических систем, в том числе уникальных и малосерийных. Метод. Предложена новая методология прогнозирования индивидуального ресурса технических систем, основанная на идентификации модели тренда контролируемого параметра, выполняемой по результатам регулярного мониторинга технического состояния разнообразного промышленного оборудования, в том числе мало серийного или изготовленного в единичных экземплярах. Один из определяемый в процессе идентификации коэффициентов модели численно равен искомому ресурсу. По известной величине ресурса и измеренному значению контрольного параметра рассчитывается значение лингвистической переменной, по результатам сопоставления которой со стандартным набором вербальных величин – «термов» принимается решение о степени критичности технического состояния подконтрольного оборудования. Результаты. Методология прогнозирования индивидуального ресурса и оценки на основе этого степени критичности технического состояния промышленного оборудования, в том числе уникального и малосерийного оборудования, была реализована в программном продукте и использована при оценке степени критичности гидротурбины – типичного представителя малосерийных изделий. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили ожидаемую эффективность методологии прогнозирования индивидуального ресурса и работоспособность созданного на ее основе программного обеспечения, что позволяет рекомендовать методологию и программный продукт для практического использования при решении задач прогнозирования ресурса и диагностики технического состояния разнообразного промышленного оборудования. Перспективы дальнейших исследований состоят в аппаратной реализации на базе стационарных, мобильных и встраиваемых системы контроля разработанной методологии прогнозирования индивидуального ресурса механических систем. UK: Прогнозування індивідуального ресурсу технічних систем Актуальність. У статті викладені результати досліджень по розробці нової методології прогнозування індивідуального ресурсу технічних систем, що є злободенною, але так і не вирішеною до сих пір проблемою, особливо для малосерійних або виготовлених в одиничних екземплярах об’єктів контролю. Дана обставина і визначає актуальність викладеного в статті матеріалу. Мета. Метою роботи є розробка нової методології прогнозування індивідуального ресурсу технічних систем, в тому числі унікальних і малосерійних. Метод. Запропоновано нову методологію прогнозування індивідуального ресурсу технічних систем, яка заснована на ідентифікації моделі тренда контрольованого параметра, що виконується за результатами регулярного моніторингу технічного стану різноманітного промислового обладнання, в тому числі малосерійного або виготовленого в одиничних екземплярах. Один з коефіцієнтів моделі, який визначається в процесі ідентифікації, чисельно дорівнює прогнозованому ресурсу. За відомою величиною ресурсу і виміряним значенням контрольного параметра розраховується значення лінгвістичної змінної, за результатами зіставлення якої зі стандартним набором вербальних величин – «термів» приймається рішення про ступінь критичності технічного стану підконтрольного обладнання. Результати. Методологія прогнозування індивідуального ресурсу і оцінки на основі цього ступеня критичності технічного стану промислового устаткування, в тому числі унікального і малосерійного обладнання, була реалізована в програмному продукті і використана при оцінці ступеня критичності гідротурбіни – типового представника малосерійних виробів. Висновки. Проведені експерименти підтвердили очікувану ефективність методології прогнозування індивідуального ресурсу і працездатність створеного на її основі програмного забезпечення, що дозволяє рекомендувати методологію і програмний продукт для практичного використання при вирішенні завдань прогнозування ресурсу і діагностики технічного стану різноманітного промислового обладнання. Перспективи подальших досліджень полягають в апаратній реалізації на базі стаціонарних, мобільних та вбудованих систем контролю розробленої методології прогнозування індивідуального ресурсу механічних систем. EN: Context. The article describes the results of research into the development of a new methodology for forecasting the individual resource of technical systems, which is a topical, but still not solved, problem, especially for small-series or single objects of control. This circumstance determines the relevance of the material presented in the article. Objective. The goal of the work is the development of a new methodology for forecasting the individual resource of technical systems, including unique and small-series ones. Method. A new methodology for forecasting the individual resource of technical systems is proposed, which is based on the identification of the trend model of the monitored parameter, performed on the basis of the results of regular monitoring of the technical condition of various industrial equipment, including small-series or manufactured in single copies. One of the coefficients of the model, which is determined in the identification process, is numerically equal to the predicted resource. Based on the known value of the resource and the measured value of the control parameter, the value of the linguistic variable is calculated, the results of comparison of which with the standard set of verbal quantities – “terms” – determine the degree of criticality of the technical condition of the equipment under control. Results. The methodology of forecasting an individual resource and evaluating the technical condition of industrial equipment, including unique and small-series equipment based on this degree of criticality, was implemented in the software product and used in assessing the degree of criticality of a hydro turbine – a typical representative of small-series products. Conclusions. The conducted experiments confirmed the expected effectiveness of the methodology for forecasting the individual resource and the efficiency of the software created on its basis, which makes it possible to recommend the methodology and software product for practical use in solving problems of forecasting the resource and diagnosing the technical condition of various industrial equipment. Prospects for further research consist in the hardware implementation based on stationary, mobile and embedded control systems developed methodology for forecasting the individual resource of mechanical systems.

Browse

Recent Submissions