Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2021, №3 (58)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27184

Browse

Now showing 1 - 15 of 15

Оптимізація розкладу навчання в університеті
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Косолап, А. І.; Дубовик, Т. М.; Kosolap, A. I.; Dubovik, T. M.
UK: Актуальність. В роботі розглядається відома задача складання розкладу навчань в університеті. Такі задачі розв’язуються декілька разів на рік в кожному навчальному закладі. Не дивлячись на багаточисленні дослідження в даній галузі, проблема побудови оптимального розкладу залишається відкритою. Це пов’язано зі складністю відповідної оптимізаційної задачі, зокрема її значною розмірністю, що затрудняє чисельне розв’язування такої задачі існуючими методами оптимізації. Вдосконалення потребують також оптимізаційні моделі складання розкладів. Таким чином, оптимізація розкладу є складною обчислювальною проблемою і потребує розробки нових методів її розв’язування. Мета роботи. Вдосконалення оптимізаційних моделей складання розкладів навчання в університеті та використання нових ефективних методів для їх розв’язування. Метод. Ми використовуємо метод точної квадратичної регуляризації для розв’язування оптимізаційних задач складання університетського розкладу навчання. Точна квадратична регуляризація дозволяє перетворити складні оптимізаційні моделі з булевими змінними до задачі максимуму норми вектору на опуклій множині. Для розв’язування цієї задачі ми використовуємо ефективний прямо-двоїстий метод внутрішньої точки та метод дихотомії. Цей метод показав значно кращі результати при розв’язуванні багатьох складних мультимодальних задач. Це підтверджується багатьма порівняльними обчислювальними експериментами. Ще більшу ефективність метод точної квадратичної регуляризації демонструє при розв’язуванні задач складання розкладу навчання. Цей метод оптимізації використовується вперше для даного класу задач, тому він потребував розробки відповідного алгоритмічного забезпечення. Результати. Побудована нова більш проста оптимізаційна модель складання розкладу, яка легко реалізується програмно в пакеті Excel при наявності надбудов OpenSolver, RіskSolver та інших. Приведений невеликий приклад побудови роз¬кладу та описана пошагова інструкція отримання оптимального розв’язку. Висновки. Розроблена нова ефективна технологія складання розкладу навчань в університеті, яка виділяється простотою реалізації і не потребує розробки спеціального програмного забезпечення. Ефективність забезпечується використанням нового методу точної квадратичної регуляризації. EN: Context. In this paper, we consider a well-known university scheduling problem. Such tasks are solved several times a year in every educational institution. The problem of constructing an optimal schedule remains open despite numerous studies in this area. This is due to the complexity of the corresponding optimization problem, in particular, its significant dimension. This complicates its numerical solution with existing optimization methods. Scheduling models also need improvement. Thus, schedule optimization is a complex computational problem and requires the development of new methods for solving it. Objective. Improvement of optimization models for timetabling at the university and the use of new effective methods to solve them. Method. We use the exact quadratic regularization method to solve timetabling optimization problems. Exact quadratic regularization allows transforming complex optimization models with Boolean variables into the problem of maximizing the vector norm on a convex set. We use the efficient direct dual interior point method and dichotomy method to solve this problem. This method has shown significantly better results in solving many complex multimodal problems. This is confirmed by many comparative computational experiments. The exact quadratic regularization method is even more effective in solving timetabling problems. This optimization method is used for the first time for this class of problems, so it required the development of adequate algorithmic support. Results. We propose a new, simpler timetabling optimization model that can be easily implemented software in Excel with the OpenSolver, RoskSolver, and others. We give a small example of building a schedule and describe step-by-step instructions for obtaining the optimal solution. Conclusions. An efficient new technology developed for university timetable, which is simple to implement and does not require the development of special software. The efficiency of the technology is ensured by the use of a new method of exact quadratic regularization.
Multi-agent latent semantic internet technology for the formation of a subject-oriented knowledge model
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Stenin, A. A.; Pasko, V. P.; Soldatova, M. A.; Drozdovich, I. G.; Стенін, О. А.; Пасько, В. П.; Солдатова, М. А.; Дроздович, І. Г.
EN: Context. The article proposes a latent-semantic technology for extracting information from Internet resources, which allows processing information in natural language, as well as a multi-agent search algorithm based on it. The relevance of this approach to the search for subject-oriented information determined by the fact that currently a direct lexical comparison of queries with document indexes does not fully satisfy the developer. The object of the study is a multi-agent latent-semantic algorithm for searching for subject-oriented information. Objective. The work is to increase the efficiency of forming a knowledge model that is adequate for this subject area. Method. A latent semantic technology based on the weighted descriptor method developed by the authors is proposed. The main difference from the existing methods is that the analysis of words occurring in the text both in frequency and taking into account semantics carried out by selecting the appropriate descriptors, which improves the quality of the information found. Results. The developed latent-semantic technology of information search tested in the task of constructing a knowledge model of automated decision support systems for operational and dispatching control of urban engineering networks. The conducted modeling of the search for subject-oriented information in this subject area showed the effectiveness of the developed approach. Conclusions. Improving the efficiency of search and semantic content of subject-oriented information of the knowledge model of this subject area achieved by using the weighted descriptor method based on Zipf’s laws in this technology. The prospects for further research are to build evolutionary models of knowledge and improve the quality of updated information. UK: Актуальність. У статті пропонується латентно-семантична технологія вилучення інформації з інтернет-ресурсів, що дозволяє обробляти інформацію природною мовою, а також заснований на ній мультиагентний алгоритм пошуку. Актуальність даного підходу до пошуку предметно-орієнтованої інформації визначається тим, що в даний час пряме лексичне порівняння запитів з індексами документів не повною мірою задовольняє розробника. Об’єкт дослідження – мультиагентний латентно-семантичний алгоритм пошуку предметно-орієнтованої інформації. Мета роботи – підвищення ефективності формування адекватної даної предметної області моделі знань. Метод. Запропонована латентно-семантична технологія, заснована на розробленому авторами методі зважених дескрипторів. Основна відмінність від існуючих методів полягає в тому, що аналіз слів, що зустрічаються в тексті як по частотності, так і з урахуванням семантики, здійснюється шляхом підбору відповідних дескрипторів, що підвищує якість знайденої інформації. Результати. Розроблена латентно-семантична технологія пошуку інформації апробована в задачі побудови моделі знань автоматизованої СППР для оперативно-диспетчерського управління міськими інженерними мережами (ГІС). Проведене моделювання пошуку предметно-орієнтованої інформації даної предметної області показало ефективність розробленого підходу. Висновки. Підвищення ефективності пошуку і семантичного наповнення предметно-орієнтованої інформації моделі знань даної предметної області досягається за рахунок використання в даній технології методу зважених дескрипторів, заснованого на законах Зіпфа. Перспективи подальших досліджень полягають у побудові еволюційних моделей знань і підвищення якості оновлюваної інформації.
Automatic determination of the navigators motivation model when operating water transport
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Nosov, P. S.; Popovych, I. S.; Zinchenko, S. M.; Kobets, V. M.; Safonova, A. F.; Appazov, E. S.; Носов, П. С.; Попович, І. С.; Зінченко, С. М.; Кобець, В. М.; Сафонова, Г. Ф.; Аппазов, Е. С.
EN: Context. The article proposes an approach for automated identification of the navigators motivational model in the control of water transport. Algorithms for data extraction as a result of the man-machine interaction of navigator with the electronic control systems of the vessel during performing navigation operations of increased complexity are proposed. Objective. The purpose of research is to apply formal and algorithmic approaches to extracting data on the motivational model of navigator to prevent accidents in water transport. Method. The identification of manifestation determination of navigators’ mental activity by means of the visual concept of the geometric group theory is proposed. This approach delivered the visual systematic-logical combining of diagnostic methods aimed at determining navigators motivational centers and the processes of professional activity like maneuver performing. The key indicator of identification is said to be the parameter of the navigator’s activity as “rpm_port” having an impact on the vessel speed being a marker of intensification of the navigator’s physiological activity. Such an approach is beneficial in time phase identification while maneuvering indicating explicitly at the stepping up of the navigator’s physiological motivational state. It was proven to be correct based on the results due to Ward’s dendrogram, several statistical methods and applied software. The obtained research results encourage the prediction of the navigator’ motivational states in critical situations. Results. In order to confirm the proposed formal-algorithmic approach, an experiment was carried out using the navigation simulator Navi Trainer 5000. Automated analysis of experimental ones made it possible to form a motivational map of the navigator and determine the decision-making model affecting in the processes of control vessel in difficult situations. Conclusions. The proposed research approaches made it possible to automate the processes of extracting data indicating the principles of decision-making by navigator. The effectiveness of proposed approach was substantiated by the results of experimental data automated processing and the constructed tree-like decision-making spaces. UK: Автоматичне визначення моделі мотивації навігатора при експлуатації водного транспорту Актуальність. У статті запропоновано підхід автоматизованої ідентифікації мотиваційної моделі навігаторів при управлінні морським транспортом. Запропоновано алгоритми вилучення даних в результаті людино-машинного взаємодії навігатора з електронними системами управління судном при виконанні навігаційних операцій підвищеної складності. Мета. Метою дослідження є застосування формального і алгоритмічного підходів до вилучення даних мотиваційної моделі навігатора для запобігання аварій на водному транспорті. Метод. Пропонується ідентифікація детермінованних проявів розумової діяльності навігаторів за допомогою візуальної концепції геометричної теорії груп. Такий підхід забезпечив наочне системо-логічне поєднання діагностичних методів що спрямовані на визначення мотиваційних центрів штурмана і процесів професійної діяльності, наприклад при виконанні маневрів. Ключовим показником ідентифікації вважається параметр активності штурмана «rpm_port», що впливає на швидкість судна і є маркером посилення його фізіологічної активності. Такий підхід корисний для ідентифікації тимчасових фаз при маневруванні, що явно вказують на зміну мотиваційного стану навігатора. Даний аспект був доведений на підставі результатів дендрограмми Уорда, кількох статистичних методів і прикладного програмного забезпечення. Отримані результати досліджень дозволяють прогнозувати мотиваційні стани навігатора у критичних ситуаціях. Результат. З метою підтвердження запропонованого формально-алгоритмічного підходу був проведений експеримент з використанням навігаційного симулятора Navi Trainer 5000. Автоматизований аналіз експериментальних даних дозволив сформувати мотиваційну карту навігатора і визначити модель прийняття рішень що впливають на процеси управління судном у складних ситуаціях. Висновок. Запропоновані підходи дослідження дозволили автоматизувати процеси вилучення даних що вказують на принципи прийняття рішень навігатором. Результативність запропонованого підходу була обґрунтована за результатами автоматизованої обробки експериментальних даних і побудованих ознакових деревоподібних просторів прийняття рішень.
Інформаційна технологія просування інтернет-ресурсів в пошукових системах на основі контент-аналізу ключових слів Web-сторінок
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Висоцька, В. А.; Vysotska, V.
UK: Актуальність. Своєчасний та коректний аналіз процесу відвідувань Інтернет-ресурсів, які призвели до успішної конверсії електронного бізнесу, досить важливий та актуальний для успішного управління Web-сайтом. Відповідний коректний аналіз трафіку, який як приносить успішні конверсії, так і не успішні, дасть можливість виявити причинену впливу на показники та критерії конверсії та дозволить виміряти ефективність змін, які здійснюють на сайті для збільшення конверсії трафіку. Для вирішення даних проблем та досягнення відповідних цілей електронної комерції необхідно не лише збирати інформацію щодо діяльності користувачів системи на Web-сайті, а і визначити конкретні показники ефективності Web-сайту, щоб в подальшому впливати на їхні зміни в бік покращення стратегії ведення електронного бізнесу. Таким чином треба розробити та впровадити аналітичний метод супроводу текстового контенту Інтернет-ресурсів електронної комерції на основі аналізу ключових показників ефективності Web-сайту, особливо звернувши увагу на визначення множини релевантних та актуальних ключових слів, за якими роблять переходи з пошукових систем постійні користувачі, дії яких призвели до зростання конверсії електронного бізнесу. Метою дослідження є розроблення технології просування Інтернет-ресурсів електронної комерції на основі результатів Web-аналітики ключових показників сторінок як KPI та KSI через формування релевантної множини ключових слів як feedback активності постійної аудиторії. Метод. Розроблено аналітичний метод просування Інтернет-ресурсів на основі аналізу ключових показників ефективності Web-сайту, який основний на трьох основних алгоритмах алгоритмі визначення проблемних місць структури сайту для подальшої оптимізації, алгоритмі оптимізації заходів з маркетингу пошукових систем, алгоритмі просування сайту та розрахунку його ефективності. Розроблено загальні рекомендації з проектування систем опрацювання інформаційних ресурсів, відмінні від існуючих наявністю додаткових модулів, які суттєво впливають на результати просування Web-сайту в просторі Інтернет для подальшого досягнення успішності конверсії електронної-комерції або збільшення значень цих показників. Серед них модуль Інтернет-магазину, маркетингу, модуль-копірайтер та Web-майстера. Для кожного з них розраховують власний КРІ. Це дасть змогу ефективно просто реалізовувати опрацювання інформаційних ресурсів на рівні розробника систем (зменшення ресурсів та часу на розроблення, покращення якості роботи систем опрацювання інформаційних ресурсів). Результати. В роботі розроблено та детально описано на основі результатів процесу Web-аналітики параметри та критерії оцінювання рівня успішності ведення електронного бізнесу. Також розроблено програмні засоби супроводу текстового контенту Інтернет-ресурсів на основі аналізу ключових показників ефективності Web-сайту. Для детального аналізу функціонування та просування Інтернет-систем електронної комерції типу Інтернет-газета та Інтернет-журнал розроблено та впроваджено 12 різних систем відповідно з підтриманням для кожної з них різною кількістю етапів життєвого циклу контенту. Проведено комп’ютерний експеримент аналізу ключових показників ефективності Web-сайту. Сервіс ведення статистики відвідувань Web ресурсу дозволяє оцінити збільшення обсягів продажу текстового контенту від прямо пропорційної залежності збільшення кількості відвідувань Web ресурсу, кількості постійних користувачів, перспективності маркетингових заходів. Висновки. Виявлено, що наявність відповідних модулів в системах опрацювання інформаційних ресурсів сприяє збільшенню обсягів реалізації текстового контенту постійному користувачу на 9 %, активного залучення унікальних відвідувачів, потенційних користувачів та розширення меж цільової та регіональної аудиторії на 11 %, переглянутих сторінок на 12 %, часу відвідування інформаційних ресурсів на 7 %. EN: Information technology for internet resources promotion in search systems based on content analysis of Web-page keywords Context. Timely and correct analysis of the process of visiting Internet resources, which led to the overall conversion of e-business, is fundamental and relevant for successfully managing the website. Appropriate, accurate traffic analysis, which brings both successful and unsuccessful conversions, will identify the cause of the impact on conversion metrics and criteria and will measure the effectiveness of changes made to the site to increase traffic conversions. It is necessary to collect information on the activities of system users on the website and determine specific performance indicators of the website to improve e-business strategy further to solve these problems and achieve the relevant goals of e-commerce. Thus, it is necessary to develop and implement an analytical method of text content support for e-commerce Internet resources based on the analysis of key performance indicators of the website, paying particular attention to determining the set of relevant and relevant keywords used by regular users and led to an increase in e-business conversions. Objective of the study is to develop a technology for promoting Internet resources of e-commerce based on the results of Web-analytics of critical indicators of pages as KPI and KSI through forming a relevant set of keywords as feedback activity of a regular audience. Method. An analytical method for promoting Internet resources based on the analysis of key performance indicators of the website, which is based on three main algorithms аlgorithm for identifying problem areas of the site structure for further optimization, аlgorithm for optimizing search engine marketing activities (SEM), аlgorithm for site promotion and calculation of its efficiency. General recommendations for the design of information resources processing systems have been developed, different from the existing ones, by the presence of additional modules that significantly affect promoting the website on the Internet to further the success of e-commerce or improve the values of these indicators. Among them is the module of online shopping, marketing, module-copywriter and Web-master. For each of them, calculate their own KRI. It will allow you to effectively implement the processing of information resources at the level of system developers (reducing resources and time for development, improving the quality of information processing systems). Results. The paper develops and describes in detail, based on the results of Web-analytics, the parameters and criteria for assessing the level of success of e-business. Software tools for monitoring the textual content of Internet resources based on the analysis of key performance indicators of the website have also been developed. For a detailed analysis of the functioning and promotion of Internet e-commerce systems such as Internet newspaper and Internet magazine, 12 different methods have been developed and implemented, respectively, with support for each of them with a different number of stages of the content life cycle. A computer experiment of analysis of key performance indicators of the website was conducted. The service of keeping statistics of visits to the Web resource allows you to estimate the increase in sales of textual content in direct proportion to the rise in the number of visits to the Web resource, the number of regular users, the prospects of marketing activities. Conclusions. It was found that the presence of appropriate modules in the systems of information resources processing increases the sales of textual content to the regular user by 9%, active involvement of unique visitors, potential users and expanding the target and regional audience by 11%, viewed pages by 12%, resources by 7%.
An intelligent model based on deep transfer learning for detecting anomalies in cyber-physical systems
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Sukhostat, L. V.; Сухостат, Л. В.
EN: Context. The problem of detecting anomalies from signals of cyber-physical systems based on spectrogram and scalogram images is considered. The object of the research is complex industrial equipment with heterogeneous sensory systems of different nature. Objective. The goal of the work is the development of a method for signal anomalies detection based on transfer learning with the extreme gradient boosting algorithm. Method. An approach based on transfer learning and the extreme gradient boosting algorithm, developed for detecting anomalies in acoustic signals of cyber-physical systems, is proposed. Little research has been done in this area, and therefore various pre-trained deep neural model architectures have been studied to improve anomaly detection. Transfer learning uses weights from a deep neural model, pre-trained on a large dataset, and can be applied to a small dataset to provide convergence without overfitting. The classic approach to this problem usually involves signal processing techniques that extract valuable information from sensor data. This paper performs an anomaly detection task using a deep learning architecture to work with acoustic signals that are preprocessed to produce a spectrogram and scalogram. The SPOCU activation function was considered to improve the accuracy of the proposed approach. The extreme gradient boosting algorithm was used because it has high performance and requires little computational resources during the training phase. This algorithm can significantly improve the detection of anomalies in industrial equipment signals. Results. The developed approach is implemented in software and evaluated for the anomaly detection task in acoustic signals of cyber-physical systems on the MIMII dataset. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the efficiency of the proposed approach and allow recommending it for practical use in diagnosing the state of industrial equipment. Prospects for further research may lie in the application of ensemble approaches based on transfer learning to various real datasets to improve the performance and fault-tolerance of cyber-physical systems. UK: Актуальність. Розглянуто задачу виявлення аномалій сигналів кіберфізичних систем на основі зображень спектрограм і скалограм. Об’єктом дослідження є складне промислове устаткування, яке має неоднорідні сенсорні системи різної природи. Мета роботи. Розробка методу виявлення аномалій сигналів на основі трансферного навчання у поєднанні з алгоритмом екстремального градієнтного бустінгу. Метод. Запропоновано підхід на основі трансферного навчання і екстремального градієентного бустінгу, розроблений для виявлення аномалій в акустичних сигналах кіберфізичних систем. У цій області було проведено мало досліджень, і тому вивчалися різні архітектури заздалегідь навчених глибоких нейронних моделей, щоб поліпшити виявлення аномалій. Трансферне навчання використовує ваги з глибокої нейронної моделі, попередньо навченої на великому наборі даних, і може бути застосоване до невеликого набору навчальних даних, що забезпечує збіжність без перенавчання. Класичний підхід до такого роду проблем зазвичай включає в себе методи обробки сигналів, які дозволяють отримувати корисну інформацію з даних сенсорів. У цій статті виконується завдання виявлення аномалій з використанням архітектури глибокого навчання для роботи з акустичними сигналами, з яких попередньо витягуються спектрограми і скалограми. Функція активації SPOCU була розглянута для поліпшення точності запропонованого підходу. Алгоритм екстремального градієнтного бустінгу був використаний, оскільки він має високу продуктивність і вимагає мало обчислювальних ресурсів на етапі навчання. Застосування даного алгоритму дозволяє домогтися значного поліпшення виявлення аномалій в сигналах промислового обладнання. Результати. Розроблений підхід реалізований програмно і досліджений під час вирішення завдання виявлення аномалій в акустичних сигналах кіберфізичних систем на наборі даних MIMII. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого підходу і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при вирішенні завдань діагностування стану промислового устаткування. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в застосуванні ансамблевих підходів на основі трансферного навчання до різних реальних наборів даних для підвищення продуктивності та відмовостійкості кіберфізичних систем.
Problem of a discrete data array approximation by a set of elementary geometric algorithms
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Povkhan, I. F.; Mitsa, O. V.; Mulesa, O. Y.; Melnyk, O. O.; Повхан, І. Ф.; Міца, О. В.; Мулеса, О. Ю.; Мельник, О. О.
EN: Context. In this paper, a problem of a discrete data array approximation by a set of elementary geometric algorithms and a recognition model representation in a form of algorithmic classification tree has been solved. The object of the present study is a concept of a classification tree in a form of an algorithm trees. The subject of this study are the relevant models, methods, algorithms and schemes of different classification tree construction. Objective. The goal of this work is to create a simple and efficient method and algorithmic scheme of building the tree-like recognition and classification models on the basis of the algorithm trees for training selections of large-volume discrete information characterized by a modular structure of independent recognition algorithms assessed in accordance with the initial training selection data for a wide class of applied tasks. Method. A scheme of classification tree (algorithm tree) synthesis has been suggested being based on the data array approximation by a set of elementary geometric algorithms that constructs a tree-like structure (the ACT model) for a preset initial training selection of arbitrary size. The latter consists of a set of autonomous classification/recognition algorithms assessed at each step of the ACT construction according to the initial selection. A method of the algorithmic classification tree construction has been developed with the basic idea of step-by-step arbitrary-volume and structure initial selection approximation by a set of elementary geometric classification algorithms. When forming a current algorithm tree vertex, node and generalized attribute, this method provides alignment of the most effective and high-quality elementary classification algorithms from the initial set and complete construction of only those paths in the ACT structure, where the most of classification errors occur. The scheme of synthesizing the resulting classification tree and the ACT model developed allows one to reduce considerably the tree size and complexity. The ACT construction structural complexity is being assessed on the basis of a number of transitions, vertices and tiers of the ACT structure that allows the quality of its further analysis to be increased, the efficient decomposition mechanism to be provided and the ACT structure to be built in conditions of fixed limitation sets. The algorithm tree synthesis method allows one to construct different-type tree-like recognition models with various sets of elementary classifiers at the preset accuracy for a wide class of artificial intelligence theory problems. Results. The method of discrete training selection approximation by a set of elementary geometric algorithms developed and presented in this work has received program realization and was studied and compared with those of logical tree classification on the basis of elementary attribute selection for solving the real geological data recognition problem. Conclusions. Both general analysis and experiments carried out in this work confirmed capability of developed mechanism of constructing the algorithm tree structures and demonstrate possibility of its promising use for solving a wide spectrum of applied recognition and classification problems. The outlooks of the further studies and approbations might be related to creating the other-type algorithmic classification tree methods with other initial sets of elementary classifiers, optimizing its program realizations, as well experimental studying this method for a wider circle of applied problems. algorithmic classification tree UK: Актуальність. В роботі розв’язана задача апроксимації масиву дискретних даних набором елементарних геометричних алгоритмів і представлення побудованої моделі розпізнавання у вигляді алгоритмічного дерева класифікації. Об‘єктом даного дослідження є концепція дерева класифікації у вигляді дерева алгоритмів. Предметом дослідження є актуальні моделі, методи, алгоритми та схеми побудови різнотипних дерев класифікації. Мета. Метою даної роботи є створення простого та ефективного методу та алгоритмічної схеми побудови деревоподібних моделей розпізнавання та класифікації на основі дерев алгоритмів для навчальних вибірок дискретної інформації великого об‘єму, який характеризується модульною структурою з незалежних алгоритмів розпізнавання оцінених на основі даних початкової начальної вибірки для широкого спектру прикладних задач. Метод. Пропонується схема синтезу дерев класифікації (дерев алгоритмів) на основі апроксимації масиву даних набором елементарних геометричних алгоритмів, яка для заданої початкової навчальної вибірки довільного розміру будує деревоподібну структуру (модель АДК), яка складається з набору автономних алгоритмів класифікації та розпізнавання оцінених на кожному кроці, етапі побудови АДК за даною початковою вибіркою. Розроблений метод побудови алгоритмічного дерева класифікації основна ідея якого полягає в по кроковій апроксимації начальної вибірки довільного об‘єму та структури набором елементарних геометричних алгоритмів класифікації. Даний метод при формуванні поточної вершини дерева алгоритмів, вузла, узагальненої ознаки, забезпечує виділення найбільш ефективних, якісних елементарних алгоритмів класифікації з початкового набору та добудову лише тих шляхів в структурі АДК де відбувається найбільша кількість помилок класифікації. Розроблена схема синтезу результуючого дерева класифікації, моделі АДК дозволяє значно скоротити розмір та складність дерева. Структурна складність конструкції АДК оцінюється на основі кількості переходів, вершин та ярусів структури АДК, що дозволяє підвищити якість його наступного аналізу, забезпечити ефективний механізм декомпозиції, та будувати структури АДК в умовах фіксованих наборів обмежень. Метод синтезу дерев алгоритмів дозволяє будувати різнотипні деревоподібні моделі розпізнавання з різними початковими наборами елементарних класифікаторів з наперед заданою точністю для широкого класу задач теорії штучного інтелекту. Результати. Розроблений та представлений в даній роботі метод апроксимації дискретних навчальних вибірок набором елементарних геометричних алгоритмів отримав програмну реалізацію та був досліджений і порівняний з методами логічних дерев класифікації на основі селекції елементарних ознак при розв’язку задачі розпізнавання реальних даних геологічного типу. Висновки. Проведені в даній роботі загальний аналіз та експерименти підтвердили працездатність розробленого механізму побудови структур дерев алгоритмів та показують можливість його перспективного використання для розв‘язку широкого спектру практичних задач розпізнавання та класифікації. Перспективи подальших досліджень та апробацій можуть полягати в створенні методів алгоритмічного дерева класифікації інших типів з іншими початковими наборами елементарних класифікаторів, оптимізації його програмних реалізацій, а також експериментальних дослідженнях даного методу на більш широкому колі практичних задач.
A model and training method for context classification in CCTV sewer inspection video frames
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Moskalenko, V. V.; Zaretsky, M. O.; Moskalenko, A. S.; Panych, A. O.; Lysyuk, V. V.; Москаленко, В. В.; Зарецький, М. О.; Москаленко, А. С.; Панич, А. О.; Лисюк, В. В.
EN: Context. A model and training method for observational context classification in CCTV sewer inspection vide frames was developed and researched. The object of research is the process of detection of temporal-spatial context during CCTV sewer inspections. The subjects of the research are machine learning model and training method for classification analysis of CCTV video sequences under the limited and imbalanced training dataset constraint. Objective. Stated research goal is to develop an efficient context classifier model and training algorithm for CCTV sewer inspection video frames under the constraint of the limited and imbalanced labeled training set. Methods. The four-stage training algorithm of the classifier is proposed. The first stage involves training with soft triplet loss and regularisation component which penalises the network’s binary output code rounding error. The next stage is needed to determine the binary code for each class according to the principles of error-correcting output codes with accounting for intra- and interclass relationship. The resulting reference vector for each class is then used as a sample label for the future training with Joint Binary Cross Entropy Loss. The last machine learning stage is related to decision rule parameter optimization according to the information criteria to determine the boundaries of deviation of binary representation of observations for each class from the corresponding reference vector. A 2D convolutional frame feature extractor combined with the temporal network for inter-frame dependency analysis is considered. Variants with 1D Dilated Regular Convolutional Network, 1D Dilated Causal Convolutional Network, LSTM Network, GRU Network are considered. Model efficiency comparison is made on the basis of micro averaged F1 score calculated on the test dataset. Results. Results obtained on the dataset provided by Ace Pipe Cleaning, Inc confirm the suitability of the model and method for practical use, the resulting accuracy equals 92%. Comparison of the training outcome with the proposed method against the conventional methods indicated a 4% advantage in micro averaged F1 score. Further analysis of the confusion matrix had shown that the most significant increase in accuracy in comparison with the conventional methods is achieved for complex classes which combine both camera orientation and the sewer pipe construction features. Conclusions. The scientific novelty of the work lies in the new models and methods of classification analysis of the temporal-spatial context when automating CCTV sewer inspections under imbalanced and limited training dataset conditions. Training results obtained with the proposed method were compared with the results obtained with the conventional method. The proposed method showed 4% advantage in micro averaged F1 score. It had been empirically proven that the use of the regular convolutional temporal network architecture is the most efficient in utilizing inter-frame dependencies. Resulting accuracy is suitable for practical use, as the additional error correction can be made by using the odometer data. UK: Актуальність. Розроблено та досліджено модель та метод навчання для класифікації контекстів спостереження на кадрах відеоінспекції стічних труб. Об’єктом дослідження є процес виявлення просторово-часового контексту під час інспекцій стічних труб. Предметом дослідження є модель та метод машинного навчання для класифікаційного аналізу кадрів відеоінспекції в умовах обмеженого та незбалансованого набору розмічених навчальних даних. Мета дослідження – розроблення ефективних моделі і методу машинного навчання для класифікаційного аналізу контексту відеокадрів інспекції стічних труб в умовах обмеженого обсягу та незбалансованості розміченого навчального набору даних. Методи дослідження. Запропоновано чотирьох етапний алгоритм навчання класифікатора. Перший етап полягає у навчанні з нормалізованою триплетною функцією втрат і регуляризуючою складовою, яка штрафує за помилку округлення вихідного сигналу до двійкового подання. Наступний етап полягає у визначенні двійкового коду для кожного класу для реалізації кодів, що виправляють помилки, але з урахуванням внутрішньокласових та міжкласових відношень. Отриманий еталонний двійковий вектор для кожного класу потім використовується як цільова мітка під час наступного етапу навчання з бінарною крос-ентропійною функцією втрат. Останній етап машинного навчання пов’язаний з оптимізацією параметрів правила прийняття рішень за інформаційним критерієм для визначення допустимих меж відхилення двійкового подання спостережень кожного класу від відповідного еталонного вектора. Розглядається 2D згортковий екстрактор ознак у поєднанні з темпоральною мережею для аналізу міжкадрових залежностей. Розглядаються варіанти з 1D згорткова мережа з дірявими регулярними згортками, 1D згорткова мережа з дірвими причинно-наслідковими згортками, рекурентна мережа LSTM та рекурентна мережа GRU. Порівняння ефективності моделей проводиться на основі мікро усередненої F1-міри, обчисленої на тестовому наборі даних. Результати. Результати, отримані за набором даних, наданим Ace Pipe Cleaning, Inc, підтверджують придатність моделі та методу для практичного використання, оскільки отримана точність дорівнює 92%. Порівняння результатів навчання із запропонованим методом та традиційним методом показало перевагу на 4% за мікро-усередним значенням F1-міри. Подальший аналіз матриці помилок показав, що найбільш суттєве підвищення точності порівняно зі традиційними методами досягається для складних класів, які поєднують як орієнтацію камери, так і особливості конструкції стічної труби. Висновки. Наукова новизна роботи полягає у нових моделях та методах класифікаційного аналізу просторово-часового контексту для автоматизації відеоінспекції стічних труб в умовах обмеженого обсягу та незбалансованості розмічених навчальних даних. Результати навчання, отримані за пропонованим методом, порівнюються з результатами, отриманими за допомогою традиційного методу класифікаційного аналізу зображень. Запропонований метод продемонстрував перевагу на 4% за мікро-усередненим значенням F1-міри. Емпірично було доведено, що темпоральна мережа на основі 1D згорткової мережі з дірявими регулярними згортками є найбільш ефективною для аналізу міжкадрових залежностей. Отримана точність забезпечує придатність отриманих моделей для практичного використання, оскільки додаткове виправлення помилок можна реалізувати на основі даних одометра.
Метод структурного доналаштування нейромережевих моделей для забезпечення інтерпретабельності
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Леощенко, Сергій Дмитрович; Олійник, Андрій Олександрович; Субботін, Сергій Олександрович; Гофман, Євген Олександрович; Корнієнко, О. В; Leoshchenko, S. D.; Oliinyk, A. O.; Subbotin, S. A.; Gofman, Ye. O.; Korniienko, O. V.
UK: Актуальність. Розглянуто задачу структурного доналаштування попередньо синтезованих моделей на базі штучних нейронних мереж для забезпечення властивості інтерпретабельності при роботі із великими об’ємами даних. Об’єктом дослідження є процес структурного доналаштування штучних нейронних мереж з використанням адаптивних механізмів. Мета роботи полягає у розробці методу структурного доналаштування нейронних мереж для підвищення швидкості їх роботи та зменшенні ресурсоємності при обробці великих даних. Метод. Запропоновано метод структурного доналаштування нейронних мереж на основі адаптивних механізмів запозичених із нейроеволюційних методів синтезу. На початку метод використовує систему індикаторів для оцінки існуючої структури штучної нейронної мережі. Оцінка ґрунтується на структурних особливостях нейромоделі. Потім отримані індикаторні оцінки порівнюються із критеріальними значеннями для вибору типу структурного доналаштування. У якості варіантів структурного доналаштування використовується варіанти мутаційних змін із групи методів нейроеволюціонної модифікації топології і ваг нейромережі. Метод дозволяє знизити ресурсоємність під час роботи нейромоделі, за рахунок пришвидшення обробки великих даних, що розширює поле практичного застосування штучних нейронних мереж. Результати. Розроблений метод реалізовано та досліджено на прикладі використання рекурентної штучної мережі типу Довга короткочасна пам’ять при вирішенні задачі класифікації. Використання розробленого методу дозволило збільшити швидкість роботи нейромоделі з тестовою вибіркою на 25,05%, в залежності від використовуваних обчислювальних ресурсів. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при структурному доналаштуванні попередньо синтезованих нейромоделей для подальшого вирішення задач діагностування, прогнозування, оцінювання та розпізнавання образів з використанням великих даних. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в більш тонкому налаштуванні системи індикаторів для визначення зв’язків, що кодують зачумлені дані з метою додаткового підвищення точності роботи моделей на основі нейронних мереж. EN: Context. The problem of structural modification of pre-synthesized models based on artificial neural networks to ensure the property of interpretation when working with big data is considered. The object of the study is the process of structural modification of artificial neural networks using adaptive mechanisms. Objective of the work is to develop a method for structural modification of neural networks to increase their speed and reduce resource consumption when processing big data. Method. A method of structural adjustment of neural networks based on adaptive mechanisms borrowed from neuroevolutionary synthesis methods is proposed. At the beginning, the method uses a system of indicators to evaluate the existing structure of an artificial neural network. The assessment is based on the structural features of neuromodels. Then the obtained indicator estimates are compared with the criteria values for choosing the type of structural changes. Variants of mutational changes from the group of methods of neuroevolutionary modification of the topology and weights of the neural network are used as variants of structural change. The method allows to reduce the resource intensity during the operation of neuromodels, by accelerating the processing of big data, which expands the field of practical application of artificial neural networks. Results. The developed method is implemented and investigated by the example of using a recurrent artificial network of the long short-term memory type when solving the classification problem. The use of the developed method allowed speed up of the neuromodel with a test sample by 25.05%, depending on the computing resources used. Conclusions. The conducted experiments confirmed the operability of the proposed mathematical software and allow us to recommend it for use in practice in the structural adjustment of pre-synthesized neuromodels for further solving problems of diagnosis, forecasting, evaluation and pattern recognition using big data. The prospects for further research may consist in a more fine-tuning of the indicator system to determine the connections encoding noisy data in order to further improve the accuracy of models based on neural networks.
Векторні моделі логіки і структури для тестування та моделювання цифрових схем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Хаханова, А. В.; Хаханов, В. І.; Чумаченко, С. В.; Литвинова, Є. І.; Рахліс, Д. Ю.; Hahanova, A.; Hahanov, V.; Chumachenko, S.; Litvinova, E.; Rakhlis, D.
UK: Актуальність. Відомо, що структури даних є визначальними для створення ефективних паралельних алгоритмів і високопродуктивних обчислювальних пристроїв. Тому розробка математично досконалих і технологічно простих структур даних займає близько 80 відсотків часу проектування, коли на алгоритми і їх hardware-software кодування витрачається близько 20 відсотків часових і матеріальних ресурсів. Це обумовлює пошук таких примітивів структур даних, які суттєво спростять паралельні високопродуктивні алгоритми, що працюють на них. Пропонуються моделі і методи для тестування та моделювання цифрових систем, що містять окремі переваги квантового комп’ютингу в частині імплементації векторних кубітних структур даних в технології класичних обчислювальних процесів. Мета. Розробка інноваційної технології кубітно-векторного синтезу і дедуктивного аналізу тестів для їх верифікації на основі векторних структур даних, що істотно спрощують алгоритми, які можуть бути вбудовані як компоненти BIST в цифрові системи на кристалах. Метод. Використовується дедуктивне моделювання несправностей для отримання аналітичних виразів, орієнтованих на транспортування списків несправностей через функціональний або логічний елемент на основі xor-операції, яка виконує роль вимірника подібності-відмінності між тестом, функцією і несправностями, заданими однаково в одному з форматів − таблицею, графом, рівнянням. Пропонується двійковий вектор як самий технологічний примітив структур даних для завдання логічної функціональності з метою паралельного синтезу та аналізу цифрових систем. Паралелізм рішення комбінаторних задач є фізична властивість квантового комп’ютингу, що в класичному комп’ютингу, для паралельного моделювання та діагностування несправностей, забезпечується унітарно-кодованими структурами даних, завдяки надлишковій пам’яті. Результати. 1) Розроблено метод аналітичного синтезу дедуктивної логіки для функціональних елементів вентильного рівня і рівня регістрових передач. 2) Запропоновано дедуктивний процесор для моделювання несправностей на основі транспортування вхідних списків або векторів несправностей на зовнішні виходи цифрових схем. 3) Описано кубітно-векторну форму завдання логіки та методи кубітного синтезу дедуктивних рівнянь для моделювання несправностей. 4) Розроблено кубітно-векторний метод синтезу тестів, що використовує похідні, які обчислюються за векторним покриттям логіки. 5) Виконано верифікацію моделей і методів на тестових прикладах в програмній реалізації структур і алгоритмів. Висновки. Наукова новизна полягає в новій парадигмі технології синтезу дедуктивної RTL-логіки на основі метричного рівняння тестування, що формує xor-відносини між тестом, функцією і несправностями. Вводиться векторна форма опису структур, яка дає можливість застосувати відомі технології синтезу та аналізу тестів логічних схем для ефективного вирішення завдань тестування графових структур і автоматних моделей цифрових пристроїв. Практична значимість відбивається в прикладах аналітичного синтезу дедуктивної логіки для функціональних елементів векторного рівня і рівня регістрових передач. Пропонується дедуктивний процесор для моделювання несправностей, який орієнтований на імплементацію як засобу BIST, що використовується в режимі онлайн тестування, моделювання і діагностування несправностей для цифрових систем на кристалах. Пропонується кубітно-векторна форма опису цифрових систем, яка перевершує існуючі способи завдання обчислювальних пристроїв за метрикою: технологічність, компактність, швидкодія і якість. Розроблено програмний застосунок, який реалізує основні сервіси тестування, моделювання та діагностування, що використовуються в навчальному процесі для вивчення переваг кубітно-векторних структур даних і алгоритмів. Наводяться оцінки обчислювальної складності процесів синтезу тестів і дедуктивних формул для логіки і їх використання при моделюванні несправностей. EN: Context. It is known that data structures are decisive for the creation of efficient parallel algorithms and high-performance computing devices. Therefore, the development of mathematically perfect and technologically simple data structures takes about 80 percent of the design time, when about 20 percent of time and material resources are spent on algorithms and their hardware-software coding. This lead to search for such primitives of data structures that will significantly simplify the parallel high-performance algorithms which are working on them. Models and methods for testing and simulation of digital systems are proposed, which containing certain advantages of quantum computing in terms of implementation of vector qubit data structures in technology of classical computational processes. Objective. The goal of the work is development of an innovative technology for qubit-vector synthesis and deductive analysis of tests for their verification based on vector data structures that greatly simplify algorithms that can be embedded as BIST components in digital systems on chips. Method. The deductive faults simulation is used to obtain analytical expressions focused on transporting fault lists through a functional or logical element based on the xor-operation, which serves as a measure of similarity-difference between a test, a function and faults which is specified in the same way in one of the formats − a table, graph, equation. A binary vector is proposed as the most technologically advanced primitive of data structures for setting logical functionality for the purpose of parallel synthesis and analysis of digital systems. The parallelism of solving combinatorial problems is a physical property of quantum computing, which in classical computing, for parallel simulation and faults diagnostics, is provided by unitary-coded data structures due to excess memory. Results. 1) A method of analytical synthesis of deductive logic for functional elements on the gate level and register transfer level has been developed. 2) A deductive processor for faults simulation based on transporting input lists or faults vectors to external outputs of digital circuits was proposed. 3) The qubit-vector form of logic setting and methods of qubit synthesis of deductive equations for faults simulation were described. 4) A qubit-vector method for the tests’ synthesis which is using derivatives calculated by vector coverage of logic has been developed. 5) Models and methods verification is performed on test examples in the software implementation of structures and algorithms. Conclusions. The scientific novelty lies in the new paradigm of the technology for the synthesis of deductive RTL logic based on metric test equation, which forms the. A vector form for structures description is introduced, which makes it possible to apply well-known technologies for the synthesis and analysis of logical circuits tests to effectively solve the problems of graph structures testing and state machine models of digital devices. The practical significance is reflected in the examples of analytical synthesis of deductive logic for functional elements on gate level and register transfer level. A deductive processor for faults simulation which is focused on implementation as a BIST tool, which is used in online testing, simulation and fault diagnosis for digital systems on chips is proposed. A qubit-vector form of the digital systems description is proposed, which surpasses the existing methods of computing devices development in terms of the metric: manufacturability, compactness, speed and quality. A software application has been developed that implements the main testing, simulation and diagnostics services which are used in the educational process to study the advantages of qubit-vector data structures and algorithms. The computational complexity of synthesis processes and deductive formulas for logic and their usage in fault simulation are given.
Modeling of asymptotically optimal piecewise linear interpolation of plane parametric curves
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Frolov, О. V.; Losev, M. U.; Фролов, О. В.; Лосєв, М. Ю.
EN: Context. Piecewise linear approximation of curves has a large number of applications in computer algorithms, as the reconstruction of objects of complex shapes on monitors, CNC machines and 3D printers. In many cases, it is required to have the smallest number of segments for a given accuracy. Objective. The objective of this paper is to improve the method of asymptotically optimal piecewise linear interpolation of plane parametric curves. This improvement is based to research influence of the method parameters and algorithms to distributions of approximation errors. Method. An asymptotically optimal method of curves interpolation is satisfied to the condition of minimum number of approximation units. Algorithms for obtaining the values of the sequence of approximation nodes are suggested. This algorithm is based on numerical integration of the nodes regulator function with linear and spline interpolation of its values. The method of estimating the results of the curve approximation based on statistical processing of line segments sequence of relative errors is substantiated. Modeling of real curves approximation is carried out and influence of the sampling degree of integral function – the nodes regulator on distribution parameters of errors is studied. The influence is depending on a method of integral function interpolation. Results. Research allows to define necessary the number of discretization nodes of the integral function in practical applications. There have been established that with enough sampling points the variance of the error’s distribution stabilizes and further increasing this number does not significantly increase the accuracy of the curve approximation. In the case of spline interpolation of the integral function, the values of the distribution parameters stabilized much faster, which allows to reduce the number of initial sampling nodes by 5–6 times having similar accuracy. Conclusions. Modelling of convex planar parametric curves reconstruction by an asymptotically optimal linear interpolation algorithm showed acceptable results without exceeding the maximum errors limit in cases of a sufficient discretization of the integral function. The prospect of further research is to reduce the computational complexity when calculating the values of the integral distribution function by numerical methods, and to use discrete analogues of derivatives in the expression of this function. UK: Актуальність. Апроксимація кривих ламаними привертає увагу з метою її застосування до відтворення об’єктів складної форми на комп’ютері, верстатах з ЧПК та 3D принтерах. При цьому бажано мати найменшу кількість ланок ламаної, що замінює криву, зі збереженням необхідної точності відтворення. Мета. Вдосконалення методу асимптотично оптимальної кусково-лінійної інтерполяції плоских параметричних кривих на основі дослідження впливу його параметрів та алгоритмів на розподіли похибок апроксимації реальних кривих ліній. Метод. В роботі розглядається асимпточно-оптимальна інтерполяція плоских кривих, які задовольняють умові мінімальності кількості ланок апроксимації. Було запропоновано алгоритми отримання значень послідовності вузлів апроксимації на основі чисельного інтегрування функції – регулятора з подальшою лінійною та сплайновою інтерполяцією її значень. Обґрунтовано методику оцінки результатів моделювання апроксимації реальних кривих, що базується на статистичній обробці рядів відносних похибок ланок ламаної. Проведено моделювання апроксимації реальних кривих та досліджено вплив на показники розподілу похибок кількісної характеристики ступеню дискретизації інтегральної функції – регулятора вузлів в залежності від методу інтерполяції значень інтегральної функції. Результати. Проведені дослідження дозволили виявити вплив первісної дискретизації інтегральної функції – регулятора вузлів на якість відтворення кривих ламаними за асимптотично оптимальним алгоритмом та можливості визначення раціонального ступеню дискретизації при практичних розрахунках для відтворення виробів складної форми. Встановлено, що при достатній кількості точок дискретизації дисперсія розподілу похибок апроксимації стабілізується і збільшення цієї кількості на порядок не значно підвищує точність відтворення кривої. При цьому сплайнова інтерполяція значень інтегральної функції давала значно більшу швидкість стабілізації значень параметрів розподілів, що дозволяє знизити кількість вузлів первісної дискретизації у 5–6 разів маючи аналогічні показники точності апроксимації. Висновки. Відтворення реальних плоских параметричних кривих опуклої форми ламаними за асимптотично-оптимальним алгоритмом інтерполяції показало цілком прийнятні результати без перевищення допустимої похибки апроксимації у випадках достатнього ступеню дискретизації значень інтегральної функції. Напрямками подальших досліджень може бути дослідження можливості спрощення розрахунків при обчисленні значень інтегральної функції розподілу чисельними методами, а також можливості використання дискретних аналогів похідних у виразі цієї функції.
Comparison of two forms of erlangian distribution law in queuing theory
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Tarasov, V. N.; Тарасов, В. Н.
EN: Context. For modeling various data transmission systems, queuing systems G/G/1 are in demand, this is especially important because there is no final solution for them 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 system with erlangian input distributions of the second order and for the same system with shifted to the right 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 usual and shifted erlangian 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. For the practical application of the results obtained, the well-known method of moments of the theory of probability was used. Results. For the first time, spectral expansions of the solution of the Lindley integral equation for systems with ordinary and shifted Erlang distributions are obtained, with the help of which the calculation formulas for the average waiting time in the queue for the above systems in closed form are derived. Conclusions. The difference between the usual and normalized distribution is that the normalized distribution has a mathematical expectation independent of the order of the distribution k, therefore, the normalized and normal Erlang distributions differ in numerical characteristics. 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 because 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 usual 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. This approach allows us to calculate the average delay for these systems in mathematical packages for a wide range of traffic parameters. UK: Актуальність. Для моделювання різних систем передачі даних затребувані системи масового обслуговування G/G/1, це особливо актуально в зв’язку з тим, що для них не існує рішення в кінцевому вигляді в загальному випадку. Розглянуто задачу виведення рішення для середньої затримки в черзі у замкнутій формі для двох систем зі звичайними і з зсунутими ерлангівськимі вхідними розподілами. Мета роботи. Отримання рішення для основної характеристики системи – середньої затримки вимог в черзі для двох систем масового обслуговування типу G/G/1 зі звичайними і з зсунутими ерлангівськими вхідними розподілами. Метод. Для вирішення поставленого завдання був використаний класичний метод спектрального розкладання розв’язку інтегрального рівняння Ліндлі. Цей метод дозволяє отримати рішення для середньої затримки для розглянутих систем у замкнутій формі. Для практичного застосування отриманих результатів використаний відомий метод моментів теорії ймовірностей. Результати. Вперше отримано спектральні розкладання розв’язку інтегрального рівняння Ліндлі для двох систем, за допомогою яких виведені розрахункові формули для середньої затримки в черзі в замкнутій формі. Висновки. Різниця між звичайним і нормованим розподілом полягає в тому, що у нормованого розподілу математичне сподівання не залежить від порядку розподілу k, отже, нормоване і звичайне розподілу Ерланга відрізняються числовими характеристиками. 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’язано з цими коефіцієнтами варіацій квадратичною залежністю. Якщо система з ерлангівськими вхідними розподілами другого порядку працює тільки при одному 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. Такий підхід дозволяє розрахувати середньої затримки для зазначених систем в математичних пакетах для широкого діапазону зміни параметрів трафіку. Крім середнього часу очікування, такий підхід дає можливість також визначити моменти вищих порядків часу очікування. З огляду на той факт, що варіація затримки пакетів (джиттер) в телекомунікації визначається як дисперсія затримки від його середнього значення, то джиттер можна буде визначити через дисперсію затримки.
The runtime analysis of computation of modular exponentiation
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Prots’ko, I.; Kryvinska, N.; Gryshchuk, O.; Процько, І.; Кривінська, Н.; Грищук, О.
EN: Context. Providing the problem of fast calculation of the modular exponentiation requires the development of effective algorithmic methods using the latest information technologies. Fast computations of the modular exponentiation are extremely necessary for efficient computations in theoretical-numerical transforms, for provide high crypto capability of information data and in many other applications. Objective – the runtime analysis of software functions for computation of modular exponentiation of the developed programs based on parallel organization of computation with using multithreading. Method. Modular exponentiation is implemented using a 2k-ary sliding window algorithm, where k is chosen according to the size of the exponent. Parallelization of computation consists in using the calculation of the remainders of numbers raised to the power of 2i modulo, and their further parallel multiplications modulo. Results. Comparison of the runtimes of three variants of functions for computing the modular exponentiation is performed. In the algorithm of parallel organization of computation with using multithreading provide faster computation of modular exponentiation for exponent values larger than 1K binary digits compared to the function of modular exponentiation of the MPIR library. The MPIR library with an integer data type with the number of binary digits from 256 to 2048 bits is used to develop an algorithm for computing the modular exponentiation with using multithreading. Conclusions. In the work has been considered and analysed the developed software implementation of the computation of modular exponentiation on universal computer systems. One of the ways to implement the speedup of computing modular exponentiation is developing algorithms that can use multithreading technology on multi-cores microprocessors. The multithreading software implementation of modular exponentiation with increasing from 1024 the number of binary digit of exponent shows an improvement of computation time with comparison with the function of modular exponentiation of the MPIR library. UK: Актуальність. Постановка проблеми швидкого обчислення модульної експоненти вимагає розробки ефективних алгоритмічних методів з використанням новітніх інформаційних технологій. Швидкі обчислення модульної експоненти є надзвичайно необхідними для ефективних обчислень у теоретико-числових перетвореннях, для забезпечення високої стійкості криптоінформаційних даних та у багатьох інших додатках. Мета – аналіз швидкості виконання функцій в програмному забезпеченні для обчислення модульної експоненти розроблених програм на основі паралельної організації обчислень з використанням багатопоточності. Метод. Обчислення модульної експоненти реалізується за допомогою алгоритму 2k-го ковзаючого вікна, де k вибирається відповідно до розміру показника степеня. Паралелізація обчислень полягає у використанні обчислення залишків чисел, піднесених до степеня 2i за модулем, та їх подальшого паралельного множення за модулем. Результати. Здійснено порівняння часу виконання трьох варіантів функцій для обчислення модульної експоненти. В алгоритмі паралельної організації обчислень з використанням багатопоточності забезпечується більш швидке обчислення обчислення модульної експоненти для значень показника степеня, що перевищує 1K двійкових цифр, порівняно з функцією обчислення модульної експоненти в бібліотеці MPIR. Бібліотека MPIR з цілочисельним типом даних з числом двійкових цифр від 256 до 2048 біт використовується для розробки алгоритму обчислення обчислення модульної експоненти з використанням багатопоточності. Висновки. У роботі розглянуто та проаналізовано розроблену програмну реалізацію обчислення модульної експоненти на універсальних комп'ютерних системах. Одним із способів реалізації прискорення обчислень обчислення модульної експоненти є розробка алгоритмів, які можуть використовувати багатопотокову технологію на багатоядерних мікропроцесорах. Багатопотокова програмна реалізація обчислення модульної експоненти зі збільшенням від 1024 числа двійкових розрядів показника степеня показує поліпшення часу обчислення у порівнянні з функцією обчислення модульної експоненти бібліотеки MPIR.
Two-sided approximations method based on the Green’s functions use for construction of a positive solution of the Dirichle problem for a semilinear elliptic equation
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Gybkina, N. V.; Lamtyugova, S. M.; Sidorov, M. V.; Гибкіна, Н. В.; Ламтюгова, С. М.; Сидоров, М. В.
EN: Context. The question of constructing a method of two-sided approximations for finding a positive solution of the Dirichlet problem for a semilinear elliptic equation based on the use of the Green’s functions method is considered. The object of research is the first boundary value problem (the Dirichlet problem) for a second-order semilinear elliptic equation. Objective. The purpose of the research is to develop a method of two-sided approximations for solving the Dirichlet problem for second-order semilinear elliptic equations based on the use of the Green’s functions method and to study its work in solving test problems. Method. Using the Green’s functions method, the initial first boundary value problem for a semilinear elliptic equation is replaced by the equivalent Hammerstein integral equation. The integral equation is represented in the form of a nonlinear operator equation with a heterotone operator and is considered in the space of continuous functions, which is semi-ordered using the cone of nonnegative functions. As a solution (generalized) of the boundary value problem, it was taken the solution of the equivalent integral equation. For a heterotone operator, a strongly invariant cone segment is found, the ends of which are the initial approximations for two iteration sequences. The first of these iterative sequences is monotonically increasing and approximates the desired solution to the boundary value problem from below, and the second is monotonically decreasing and approximates it from above. Conditions for the existence of a unique positive solution of the considered Dirichlet problem and two-sided convergence of successive approximations to it are given. General guidelines for constructing a strongly invariant cone segment are also given. The method developed has a simple computational implementation and a posteriori error estimate that is convenient for use in practice. Results. The method developed was programmed and studied when solving test problems. The results of the computational experiment are illustrated with graphical and tabular informations. Conclusions. The experiments carried out have confirmed the efficiency and effectiveness of the developed method and make it possible to recommend it for practical use in solving problems of mathematical modeling of nonlinear processes. Prospects for further research may consist the development of two-sided methods for solving problems for systems of partial differential equations, partial differential equations of higher orders and nonstationary multidimensional problems, using semi-discrete methods (for example, the Rothe’s method of lines). UK: Актуальність. Розглянуто питання побудови методу двобічних наближень знаходження додатного розв’язку задачі Діріхле для напівлінійного еліптичного рівняння на основі використання метода функцій Гріна. Об’єктом дослідження є перша крайова задача (задача Діріхле) для напівлінійного еліптичного рівняння другого порядку. Мета. Метою роботи є розробка на основі використання методу функцій Гріна методу двобічних наближень розв’язання задачі Діріхле для напівлінійних еліптичних рівнянь другого порядку і дослідження його роботи при розв’язанні тестових задач. Метод. За допомогою методу функцій Гріна вихідна перша крайова задача для напівлінійного еліптичного рівняння замінюється еквівалентним інтегральним рівнянням Гаммерштейна. Інтегральне рівняння подається у вигляді нелінійного операторного рівняння з гетеротонним оператором і розглядається у просторі неперервних функцій, який напівупорядковано за допомогою конуса невід’ємних функцій. За розв’язок (узагальнений) крайової задачі приймаємо розв’язок еквівалентного інтегрального рівняння. Для гетеротонного оператора знаходиться сильно інваріантний конусний відрізок, кінці якого є початковими наближеннями для двох ітераційних послідовностей. Перша з цих ітераційних послідовностей є монотонно зростаючою і наближає шуканий розв’язок крайової задачі знизу, а друга є монотонно спадною і наближає його зверху. Наведено умови існування єдиного додатного розв’язку розглядуваної задачі Діріхле 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 систем рівнянь з частинними похідними, рівнянь з частинними похідними вищих порядків та нестаціонарних багатовимірних задач, використовуючи напівдискретні методи (наприклад, метод прямих Роте).
Використання адаптивних антенних решіток для збільшення пропускної здатності мережі LTE-A
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Маковеєнко, Д. О.; Сідень, С. В.; Пилявський, В. В.; Makoveenko, D. O.; Siden S. V.; Pyliavskyi, V. V.
UK: Актуальність. Зроблено пропозиції щодо можливості використання адаптивних антенних решіток для збільшення пропускної здатності у мережах мобільного зв’язку LTE-A та проаналізовано виграш від її використання у порівнянні зі стандартним типом антени базових станцій. Мета. Метою статті є аналіз пропускної здатності мережі мобільного зв’язку LTE-A на висхідній лінії при використанні адаптивної лінійної еквідистантної антенної решітки. Метод. Для досягнення результату була розроблена комп’ютерна модель аналізу завадової обстановки мережі мобільного зв’язку у вигляді плоскої регулярної гексагональної антенної решітки, яка складається з 7 трьох секторних чарунок. Для оцінки виграшу від використання адаптивних антенних решіток було проаналізовано два варіанти: при використанні стандартної антенної решітки мережі LTE-A, та адаптивної лінійної еквідистантної антенної решітки. При проведенні моделювання було виконано 100 випадкових розміщень абонентів корисного та завадових сигналів та розраховано мінімальний, максимальний та середній виграш від використання адаптивних антенних решіток. У середньому значення коефіцієнта підсилення для адаптивної антенної решітки в напрямку абонентської станції, що створює корисний сигнал більше на 5,69 дБ порівняно з стандартною антенною решіткою мережі LTE-A. У той же час є суттєве зменшення коефіцієнта підсилення адаптивної антени у напрямку завадових абонентських станцій, а саме, для тих, що мають найбільший рівень завади, виграш становить 32,84 дБ та 28,33 дБ відповідно. Для наочного показу виграшу у якісних характеристиках мережі було проведено аналіз пропускної здатності для різних типів антен. Представлено розподіл пропускної здатності (розмір транспортного блоку) для 50 ресурсних блоків при використання адаптивної еквідистантної лінійної антенної решітки порівняно з стандартною антенною решіткою. Результати. Показано, що завдяки використанню адаптивних антенних систем, середня пропускна здатність збільшується з 11 Мбіт/с до 35 Мбіт/с для усіх типів каналів поширення, що розглядалися. Висновки. У статті запропоновано використання адаптивних антенних решіток для збільшення пропускної здатності мережі LTE-A. Моделювання пропускної здатності для 50 ресурсних блоків показало, що в умовах наявності внутрішньосистемних завад при використанні стандартних антен базових станцій середня пропускна здатність становить від 11,2 Мбіт/с до 12,3 Мбіт/с. У той же час завдяки використанню адаптивних антенних систем середня пропускна здатність збільшується з 11 Мбіт/с до 35 Мбіт/с для усіх типів каналів багатопроменевого поширення, що розглядалися. EN: Context. The aim of the article is to analyze the throughput of the LTE-A mobile network on the uplink using an adaptive linear equidistant antenna array. Objective. Suggestions have been made for the possibility of using adaptive antenna arrays to increase bandwidth in LTE-A mobile networks and analyze the benefits of its use compared to the standard type of base station antenna Method. To achieve this result, a computer model of noise analysis of the mobile network in the form of a flat regular hexagonal antenna array consisting of 7 three-sector cells was developed. To estimate the benefit from the use of adaptive antenna arrays, two options were analyzed: when using a standard antenna array of the LTE-A network, and an adaptive linear equidistant antenna array. During the simulation, 100 random placements of subscribers of useful and interference signals were performed and the minimum, maximum and average gain from the use of adaptive antenna arrays was calculated. The average value of the gain for the adaptive antenna array in the direction of the subscriber station, which generates a useful signal of 5.69 dB more than the standard antenna array of the LTE-A network. At the same time, there is a significant reduction in the gain of the adaptive antenna in the direction of the interference subscriber stations, namely, for those with the highest interference level, the gain is 32.84 dB and 28.33 dB, respectively. To clearly show the gain in the qualitative characteristics of the network, a bandwidth analysis was performed for different types of antennas. The bandwidth distribution (transport block size) for 50 resource blocks using an adaptive equidistant linear antenna array compared to a standard antenna array is presented. Results. It is shown that due to the use of adaptive antenna systems, the average bandwidth increases from 11 Mbit/s to 35 Mbit / s for all types of distribution considered channels. Conclusions. The article proposes the use of adaptive antenna arrays to increase the bandwidth of the LTE-A network. The simulation of bandwidth for 50 resource blocks showed that in the presence of internal system interference when using standard antennas of base stations, the average bandwidth is from 11.2 Mbps to 12.3 Mbps. At the same time, due to the use of adaptive antenna systems, the average bandwidth increases from 11 Mbit/s to 35 Mbit/s for all types of multipath channels considered.
Аналіз показників електромагнітної сумісності мереж зв’язку 5G
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Коляденко, Ю. Ю.; Чурсанов, М. О.; Kolyadenko, Yu. Yu; Chursanov, N. A.
UK: Актуальність. Технологія нового покоління 5G / IMT-2020, як і будь-яка нова технологія, привносить свої специфічні особливості в усі аспекти, що стосуються практики її впровадження. Одним з таких особливо важливих аспектів є електромагнітна сумісність. На етапі підготовки до впровадження радіомереж технології 5G, необхідно завчасно потурбуватися про вжиття заходів щодо ефективної оцінки умов ЕМС для цих мереж на основі ретельного аналізу особливостей технології 5G, а також правильно і точно оцінивши ці умови – успішно забезпечити електромагнітну сумісність радіозасобів нових мереж. Мета. Метою даної роботи є проведення аналізу електромагнітної сумісності мереж зв’язку 5G. Метод. Аналіз головних особливостей радіоінтерфейсу 5G дозволяє вказати на очікувані особливості процедур оцінки умов ЕМС для цих мереж. Ці особливості головним чином стосуються урахування сумарної завади від мережі при її особливій архітектурі і динаміці змін, вибору нових моделей втрат (моделей каналу) при просторово-розподіленому випромінюванні багатовимірних антен MIMO і різнорідному середовищі поширення сигналу, а також урахування спектральних властивостей нових форм сигналу і характеру випромінювання при нових неортогональних методах радіодоступу. Для аналізу ЕМС використана модель ослаблення сигналів в радіоканалах міліметрового діапазону, що враховує ослаблення радіохвиль у вільному просторі; втрати енергії радіохвиль при поширенні через дощі; ослаблення сигналу міліметрового діапазону при поширенні через листя дерев; ослаблення сигналів при проходженні через щільні перешкоди (будівлі, споруди, тощо). Результати. Проведено аналіз ослаблення сигналу міліметрового діапазону у вільному просторі від інтенсивності опадів при різних значеннях оптичної видимості. Проведено аналіз ослаблення сигналу міліметрового діапазону при поширенні сигналу через перешкоди у вигляді стін від відстані при різних значеннях товщини стіни. Проведено аналіз ослаблення сигналу міліметрового діапазону від глибини шару листя, що перекриває поширення сигналу при різних значеннях частоти несійної. Проведено аналіз значення потужності сигналу міліметрового діапазону на вході приймача від інтенсивності опадів при різних значеннях оптичної видимості. Проведено аналіз значення потужності сигналу міліметрового діапазону на вході приймача при поширенні сигналу через перешкоди у вигляді стін від відстані при різних значеннях товщини стіни. Проведено аналіз значення потужності сигналу міліметрового діапазону на вході приймача від глибини шару листя, що перекриває поширення сигналу при різних значеннях частоти несійної. Висновки. Проведені дослідження показників ЕМС дозволяють дати рекомендації щодо застосування технології 5G в конкретних практичних ситуаціях. EN: Context. The next generation 5G / IMT-2020 technology, like any new technology, brings its own specific features to all aspects of the practice of its application. One of these particularly important aspects is electromagnetic compatibility. At the stage of preparation for the introduction of 5G radio networks, it is necessary to take early measures to effectively assess the EMC conditions for these networks based on a thorough analysis of the features of 5G technology, and by correctly and accurately assessing these conditions, successfully ensure the electromagnetic compatibility of radio equipment of new networks. Objective. The purpose of this work is to analyze the electromagnetic compatibility of the 5G communication network. Method. An analysis of the main features of the 5G radio interface provides an indication of the expected features of the EMC assessment procedures for these networks. These features mainly relate to taking into account the total interference from the network with its special architecture and dynamics of changes, the choice of new loss models (channel models) for spatially distributed radiation of multidimensional MIMO antennas and a heterogeneous signal propagation medium, as well as taking into account the spectral properties of new signal shapes and character radiation with new non-orthogonal radio access methods. For EMC analysis, a model of signal attenuation in millimeter-wave radio channels was used, taking into account attenuation of radio waves in free space; loss of energy of radio waves when propagating through rains; attenuation of a millimeter wave signal when propagating through the leaves of trees; attenuation of signals when passing through dense obstacles (buildings, structures, etc.). Results. The analysis of attenuation of the millimeter-wave signal in free space from the intensity of precipitation is carried out at various values of optical visibility. The analysis of the attenuation of the millimeter-wave signal from the distance when the signal propagates through obstacles in the form of walls at various values of the wall thickness is carried out. The analysis of the attenuation of the millimeter-wave signal from the depth of the leaf layer is carried out; it covers the signal propagation at different values of the carrier frequency. The analysis of the value of the power of the millimeter-wave signal at the input of the receiver on the intensity of precipitation is carried out at various values of optical visibility. The analysis of the value of the power of the millimeter-wave signal at the input of the receiver versus the distance when the signal propagates through obstacles in the form of walls at various values of the wall thickness is carried out. The analysis of the power value of the millimeter-wave signal at the receiver input from the depth of the leaf layer is carried out, overlaps the signal propagation at various values of the carrier frequency. Conclusions. The conducted studies of EMC indicators allow us to give recommendations on the application of 5G technology in specific practical situations.

Browse

Recent Submissions