Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2019, №3 (50)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27632

Browse

Now showing 1 - 19 of 19

Робастно-оптимальная стабилизация нелинейных динамических систем
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Тимченко, В. Л.; Лебедев, Д. О.; Тимченко, В. Л.; Лебедєв, Д. О.; Timchenko, V. L.; Lebedev, D. O.
RU: Актуальность. Повышение требований к качеству управления переходными режимами (стабилизацией) разнотипных (механических, электродинамических) динамических систем требует использования инженерных методов оптимального синтеза, позволяющие решать практические задачи стабилизации многомерных нелинейных объектов управления под воздействием возмущений с учетом необходимости физической реализуемости управляющих воздействий. Цель. Совершенствование методов робастно-оптимальной стабилизации нелинейных динамических систем. Метод. Применение предложенных робастно-оптимальных систем переменной структуры основано на предварительном формировании оптимальных траекторий для прямых условий оптимальности, определении моментов переключения и синтезе управляющих функций, обеспечивающих заданные переходные траектории стабилизации объектов управления, а также робастной коррекции с учетом неполной информации о физической системе. Механизм построения оптимальных траекторий с расчетом необходимого количества участков с нулевыми значениями соответствующих производных управляемых координат применим для общего случая многомерных нелинейных нестационарных динамических систем. Моменты переключения управлений в цепях обратных связей объекта управления рассчитываются на основе решения системы алгебраических уравнений и для динамических систем шестого порядка включают введение ведущих, субведущих и ведомых управляемых координат. Стабилизация динамической системы на соответствующих заданных отрезках траекторий обеспечивается управляющими воздействиями, рассчитанными на основе выполнения балансировочных режимов для сил и моментов (и их требуемых производных), действующих на объект управления. Робастность динамической системы к неполной определенности объекта и действию неконтролируемых внешних и параметрических возмущений достигается за счет введения корректирующего управления на основе рассогласования текущей и оптимальной траектории стабилизации и реализующего требования минимизации ошибок управления и их производных. Результаты. Приведены примеры схемотехнической реализации робастно-оптимальных систем переменной структуры и результаты имитационного моделирования для задач максимального быстродействия при маневрировании морского судна и минимальных затрат энергии при управлении полетом квадрокоптера. Выводы. Приведенные результаты демонстрируют корректность применимости общих принципов синтеза для различного вида объектов и эффективность управления в условиях воздействия возмущений. UK: Актуальність. Підвищення вимог до якості управління перехідними режимами (стабілізацією) різнотипних (механічні, електродинамічних) динамічних систем вимагає використання інженерних методів оптимального синтезу, що дозволяють вирішувати практичні завдання стабілізації багатовимірних нелінійних об’єктів керування під впливом збурень з урахуванням необхідності фізичної реалізції управляючих впливів. Мета. Удосконалення методів робастний-оптимальної стабілізації нелінійних динамічних систем. Метод. Застосування запропонованих робастно-оптимальних систем змінної структури засноване на попередньому формуванні оптимальних траєкторій для прямих умов оптимальності, визначенні моментів перемикання і синтезі керуючих функцій, що забезпечують задані перехідні траєкторії стабілізації об’єктів управління, а також робастної корекції з урахуванням неповної інформації про фізичну систему. Механізм побудови оптимальних траєкторій з розрахунком необхідної кількості відрізків з нульовими значеннями відповідних похідних керованих координат може бути застосовано для загального випадку багатовимірних нелінійних нестаціонарних динамічних систем. Моменти перемикання управлінь в ланцюгах зворотних зв’язків об’єкта управління розраховуються на основі рішення системи алгебраїчних рівнянь і для динамічних систем шостого порядку включають введення провідних, субпровідних та ведених керованих координат. Стабілізація динамічної системи на відповідних заданих відрізках траєкторій забезпечується керуючими впливами, розрахованими на основі виконання балансувальних режимів для сил і моментів (і їх необхідних похідних), що діють на об’єкт управління. Робастність динамічної системи до неповної визначеності об’єкта і дії неконтрольованих зовнішніх і параметричних збурень досягається за рахунок введення коригуючого управління на основі неузгодженості поточної і оптимальної траєкторії стабілізації і реалізує вимоги мінімізації помилок управління і їх похідних. Результати. Наведені приклади схемотехнічної реалізації робастний-оптимальних систем змінної структури і результати імітаційного моделювання для задач максимального швидкодії при маневруванні морського судна і мінімальних витрат енергії при управлінні польотом квадрокоптера. Висновки. Наведені результати демонструють коректність застосування загальних принципів синтезу для різного виду об’єктів і ефективність управління в умовах впливу збурень. EN: Context. Increasing quality requirements for a transient control (stabilization) of various types (mechanical, electrodynamic) of dynamic systems require usage of engineering methods of optimal design, which allow solving practical problems of multidimensional nonlinear object control under the influence of disturbances taking into account physical feasibility of control actions. Objective. Improvement of the robust-optimal stabilization of nonlinear dynamic systems. Method. Design of the proposed robust-optimal systems with variable structure is based on the preliminary formation of optimal trajectories for direct optimality conditions, determination of switching moments, synthesis of control functions which provide movement along preliminary trajectories and robust correction based on incomplete information of the physical system. The mechanism for optimal trajectories formation contains calculation of the required amount of sections for zero values of the corresponding derivatives of control coordinates, and applicable for the general case of multidimensional nonlinear nonstationary dynamic systems. Control switching moments in the feedback loop of the controlled object are calculated based on the solution of algebraic system of equation and, for dynamic systems of the sixth order, include usage of leading, sub-leading and driven control coordinates. The stabilization process of the dynamic system on the corresponding predefined segments of the trajectories is provided by control actions which are calculated on the basis of the balance regimes for the forces and moments (and their required derivatives) that are applied to the control object. The robustness of the dynamic system to the incomplete certainty of the control object and to the influence of uncontrolled external and parametric perturbations is achieved by usage of corrective control based on the mismatch of the current and optimal stabilization trajectory. The robust control tries to meet the requirement for control errors’ and its derivatives minimization. Results. Examples of the circuit implementation of robust-optimal systems with variable structure and simulation results for the tasks of maximum speed during a marine vessel maneuvering and minimal energy costs during quadcopter flight control are given. Conclusions. Shown results demonstrate correctness of the general design principles for various types of objects and control efficiency under influence of disturbances.
Identification of the mathematical models of the technological objects for robust control systems
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Lutska, N. M.; Ladanyuk, A. P.; Savchenko, T. V.; Луцька, Н. М.; Ладанюк, А. П.; Савченко, Т. В.
EN: Context. The problem of identification of the mathematical models of the technological objects on the basis of which the robust control system is subsequently synthesized has been considered. The methods of identification of the mathematical models of the technological objects for robust control are the target of the research. Objective. The purpose of the research is to develop recommendations for the existing methods of identifying the mathematical models of the technological objects for robust control to allow the effective application of the robust control systems as well as to increase the energy efficiency of the system as a whole. Method. The suggested recommendations for the identification of the mathematical models of the technological objects aimed at the further synthesis of robust control are divided into two types – with a known and an unknown area of uncertainty. For the former with the mathematical model which is identified only in the nominal mode the existing methods for identifying the continuous models in accordance with the experimentally obtained data are preferable. Taking the multidimensionality and multiplicity of most technological objects into account, the structure of the model in the space of time variables is recommended. It has been suggested to reduce the area of uncertainty to the additive or multiplicative form for the identification of the mathematical models for which, in addition to the nominal model, identification of the area of uncertainty is stipulated. In this case, several models in different operating object modes are used, while the uncertainty is calculated as the distance between the nominal and other models on the frequency grid with the further approximation of the filters of the preassigned order. Results. The suggested algorithm for identifying the mathematical models with the area of uncertainty has been implemented and investigated for a production object – the subsystem of the levels of the diagonal extraction plant of a sugar-mill. Conclusions. The performed experiments have confirmed the efficiency of the proposed calculation of the area of uncertainty of the mathematical models of the technological objects, while the proposed recommendations for the identification of the mathematical models for robust control can be used in practice. Further research is aimed at identifying the area of uncertainty of the closed control systems. UK: Актуальність. Розглянуто задачу ідентифікації математичних моделей технологічних об’єктів, на основі яких в подальшому синтезується робастна система керування. Об’єктом дослідження є методи ідентифікації математичних моделей технологічних об’єктів для робастного керування. Метою роботи є розробка рекомендацій існуючих методів ідентифікації математичних моделей технологічних об’єктів для робастного керування, що дозволить ефективно застосовувати робастні системи керування та призведе до підвищення енергоефективності системи в цілому. Метод. Запропоновані рекомендації щодо ідентифікації математичних моделей технологічних об’єктів із спрямуванням на подальший синтез робастного керування, поділяються на два види – з відомою і невідомою областю невизначеності. Для перших, математична модель яких ідентифікується лише в номінальному режимі, рекомендується використовувати відомі методи ідентифікації неперервних моделей за експериментально отриманими даними. Враховуючи багатовимірність та багатозв’язність більшості технологічних об’єктів, рекомендується структура моделі в просторі змінних стану. Для ідентифікація математичних моделей, для яких окрім номінальної моделі, передбачається ідентифікація області невизначеності, запропоновано приведення області невизначеності до адитивного або мультиплікативного виду. При цьому використовується декілька моделей в різних режимах роботи об’єкта, а невизначеність розраховується як дистанція між номінальною та іншими моделями на частотній сітці, з подальшою апроксимацією фільтрів заданого порядку. Результати. Запропонований алгоритм ідентифікації математичних моделей з областю невизначеності реалізований та досліджений для технологічного об’єкта – підсистеми рівнів нахиленої дифузійної установки цукрового заводу. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого розрахунку області невизначеності математичних моделей технологічних об’єктів, а запропоновані рекомендації щодо ідентифікації математичних моделей для робастного керування можуть використовуватися на практиці. Подальше дослідження направлено на ідентифікацію області невизначеності замкнених систем керування.
Составление расписания занятий университета на основе конструктивного моделирования
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Шинкаренко, В. И.; Жеваго, А. А.; Шинкаренко, В. І.; Жеваго, О. О.; Shinkarenko, V. I.; Zhevago, O. O.
RU: Актуальность. Составление расписания учебных занятий является одной из важнейших задач управления учебным процессом. Рост требований к качеству обучения, сокращение материальной базы и увеличение количества специальностей приводят к необходимости оптимизации процесса использования кадрового потенциала, аудиторного фонда и экономии энергетических ресурсов. Поскольку все факторы, влияющие на расписание, практически невозможно учесть, а интересы участников учебного процесса многообразны, задача составления расписания является многокритериальной с нечетким множеством факторов. В связи с этим проблема автоматизации составления расписаний учебных занятий в образовательных системах по-прежнему остается одной из актуальных проблем организации учебного процесса. Цель. Повышение качества расписания занятий университета и уменьшение времени его составления. Качество расписания определяется тем насколько соблюдаются необходимые и желательные требования к нему. Необходимо предусмотреть возможность расширения желательных требований без изменения оптимизирующего механизма. Метод. Для описания процессов составления расписания занятий применена методология конструктивно-продукционного моделирования. С точки зрения конструктивизма: на основе ряда конструкций с заданной структурой и содержанием необходимо завершить конструирование расписания с заданной структурой и частично содержанием. Разработка конструктора предусматривает определение расширяемого носителя, сигнатуры отношений и операций, а также информационного обеспечения. Наиболее сложной и существенной частью является создание множества правил подстановки, определяющих процесс вывода соответствующих конструкций. Результаты. Разработан конструктор составления расписания занятий и программное обеспечение, реализующее предложенный метод. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили эффективность предложенного подхода и программного обеспечения, реализующие предложенный метод. Это позволяет рекомендовать его для использования на практике при решении задач составления расписания занятий. UK: Актуальність. Складання розкладу навчальних занять є одним із найважливіших завдань управління навчальним процесом. Зростання вимог до якості навчання, скорочення матеріальної бази і збільшення кількості спеціальностей призводять до необхідності оптимізації процесу використання кадрового потенціалу, аудиторного фонду та економії енергетичних ресурсів. Оскільки всі фактори, що впливають на розклад, практично неможливо врахувати, а інтереси учасників навчального процесу різноманітні, завдання складання розкладу є багатокритеріальною з нечіткою множиною факторів. У зв’язку з цим проблема автоматизації складання розкладів навчальних занять в освітніх системах навчання як і раніше залишається однією з актуальних проблем організації навчального процесу. Мета. Підвищення якості розкладу занять університету і зменшення часу на його складання. Якість розкладу визначається тим наскільки дотримуються необхідні і бажані вимоги до нього. Необхідно передбачити можливість розширення бажаних вимог без зміни оптимізуючого механізму. Метод. Для опису процесів складання розкладу занять застосована методологія конструктивно-продукційного моделювання. З точки зору конструктивізму: на основі ряду конструкцій із заданою структурою і змістом необхідно завершити конструювання розкладу із заданою структурою та частково змістом. Розробка конструктора передбачає визначення розширюваного носія, сигнатури відносин і операцій, а також інформаційного забезпечення. Найбільш складною і істотною частиною є створення множини правил підстановки, що визначають процес виведення відповідних конструкцій. Результати. Розроблено конструктор складання розкладу занять та програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод. Висновки. Проведені експерименти підтвердили ефективність запропонованого підходу і програмного забезпечення, що реалізує запропонований метод. Це дозволяє рекомендувати його для використання на практиці при вирішенні завдань складання розкладу занять. EN: Context. Generating university course timetable is one of the most important tasks of managing the educational process. Growing requirements for the quality of education, a reduction in the material base and an increase in the number of specialties lead to the need to optimize the process of using human resources, the classroom fund and to save energy resources. Since all the factors influencing the schedule are almost impossible to take into account and the interests of the participants in the educational process are diverse, the task of creating a schedule is multicriteria with a fuzzy set of factors. In this regard, the problem of automating the timetabling is still one of the urgent problems of the organization of the educational process. Objective. The goal of the work is the improving the quality of university timetables and reducing the time it takes. The quality of the schedule is determined by the extent to which the necessary and desirable requirements are met. It is necessary to provide possibility of expanding the desired requirements without changing the optimizing mechanism. Method. To describe the processes of scheduling classes applied the methodology of constructive-production modeling. From the point of view of constructivism: on the basis of a number of structures with a given structure and content, it is necessary to complete the construction of a schedule with a given structure and partly content. The development of the designer provides for the definition of expandable carrier, signatures of relations and operations, as well as information support. The most difficult and essential part is the creation of a set of substitution rules, which define the output process of the corresponding constructions. Results. Developed a university course timetabling constructor and software that implements the proposed method. Conclusions. The experiments confirmed the effectiveness of the proposed approach and the software that implements the proposed method. This allows us to recommend it for use in practice in solving problems of scheduling classes.
Исследование характеристик кодов Рида-Соломона для реализации в устройствах систем управления
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Фрейман, В. И.; Фрейман, В. І.; Freyman, V. I.
RU: Актуальность. Выполнены исследования характеристик кодов Рида-Соломона для оценки влияния параметров кода и канала связи на достоверность и эффективность передачи информации между устройствами систем управления. Объектом исследования являются избыточные недвоичные коды Рида-Соломона, предмет исследования – теоретические и экспериментальные исследования зависимости характеристик кодов Рида-Соломона от его параметров и свойств среды передачи. Цель работы – анализ соотношений характеристик и параметров кодов Рида-Соломона для их использования в процедурах кодирования и декодирования при программной реализации в устройствах систем управления. Методы. Использован математический аппарат и теория построения кодов Рида-Соломона. Получены расчетные формулы для оценки достоверности передачи информации кодом Рида-Соломона с учетом искажений символов кода и отдельных бит данных. Исследованы зависимости вероятности правильной передачи от параметров кода и среды распространения сигналов. Получены и исследованы зависимости показателей эффективности (информационной скорости) передачи кодом Рида-Соломона от параметров кода. Выполнено программное моделирование системы управления с выбранным способом помехоустойчивого кодирования. Реализованы процедуры кодирования и декодирования для их адаптации и применения в устройствах систем управления. Результаты. Получены зависимости показателей достоверности (вероятность правильной передачи) и эффективности (информационная скорость) кодов Рида-Соломона от его параметров (модуль поля Галуа, кратность исправляемых ошибок, степень укорочения кода). Даны рекомендации по использованию полученных результатов при выборе параметров кода. Создана и сконфигурирована модель системы передачи в среде MathWorks MatLab Simulink. Разработаны программные модули процедур кодирования и декодирования для их практической реализации во встроенном программном обеспечении устройств систем управления. Выводы. Проведенные в работе исследования иллюстрируют зависимости показателей достоверности и эффективности передачи информации от параметров кодов Рида-Соломона. Это позволяет проектировать надежные системы управления, в которых заданный уровень достоверности передачи информации обеспечивается обоснованным подбором параметров кода Рида-Соломона. UK: Актуальність. Виконано дослідження характеристик кодів Ріда-Соломона для оцінки впливу параметрів коду і каналу зв’язку на достовірність і ефективність передачі інформації між пристроями систем керування. Об’єктом дослідження є надлишкові недвійкові коди Ріда-Соломона, предмет дослідження – теоретичні та експериментальні дослідження залежності характеристик кодів Ріда-Соломона від його параметрів і властивостей середовища передачі. Мета роботи – аналіз співвідношень характеристик і параметрів кодів Ріда-Соломона для їх використання в процедурах кодування і декодування при пропрограмній реалізації в пристроях систем керування. Методи. Використано математичний апарат і теорію побудови кодів Ріда-Соломона. Отримано розрахункові формули для оцінки достовірності передачі інформації кодом Ріда-Соломона з урахуванням спотворень символів коду і окремих бітів даних. Досліджено залежності ймовірності правильної передачі від параметрів коду і середовища поширення сигналів. Отримано і досліджено залежності показників ефективності (інформаційної швидкості) передачі кодом Ріда-Соломона від параметрів коду. Виконано програмне моделювання системи керування до обраного способу завадостійкого кодування. Реалізовано процедури кодування та декодування для їх адаптації та застосування в пристроях систем керування. Результати. Отримані залежності показників достовірності (ймовірність правильної передачі) і ефективності (інформаційна швидкість) кодів Ріда-Соломона від його параметрів (модуль поля Галуа, кратність виправлення помилок, ступінь укорочення коду). Надано рекомендації щодо використання отриманих результатів при виборі параметрів коду. Створена і налаштована модель системи передачі в середовищі MathWorks MatLab Simulink. Розроблено програмні модулі процедур кодування та декодування для їх практичної реалізації у вбудованому програмному забезпеченні пристроїв систем керування. Висновки. Проведені в роботі дослідження ілюструють залежності показників достовірності та ефективності передачі інформації від параметрів кодів Ріда-Соломона. Це дозволяє проектувати надійно системи керування, в яких заданий рівень достовірності передачі інформації забезпечується обґрунтованим підбором параметрів коду Ріда-Соломона. EN: Context. Research of a Reed-Solomon codes characteristics for estimation of code and communication channel parameters influence at the reliability and efficiency of information transmission between of control systems devices are performed. The research object is encoding with using nonbinary redundant Reed-Solomon codes, the research subject is the theoretical and experimental studies of relation between the Reed-Solomon codes characteristics and their parameters and transmission channel properties. The purpose is characteristics and properties relation analysis for their using within encoding and decoding procedures at software of control systems devices. Methods. The math methods and Reed-Solomon codes building theory are used. The formulas for information transmission reliability estimation with using Reed-Solomon codes taking into account of code character and individual data bits distortions are received. The dependencies of correct transmission probability from the code and transmission channel parameters are researched. The dependencies of efficiency indicators (information rate) of transmission with using the Reed-Solomon codes from code parameters are received and researched. The simulation of control system with using selected method of the noise stability encoding is done. The encoding and decoding procedures for their adaptation and using within control systems devises software are realized. Results. The dependencies of the Reed-Solomon codes reliability indicators (correct transmission probability) and the efficiency indicators (information rate) from its parameters (Galua field module, number of corrected errors, code shortening degree) are received. The recommendations for using results for code parameters selecting are done. The control system model with using MathWorks MatLab Simulink is created and configured. The software modules with encoding and decoding procedures for their practical realization within embedded software of control systems devices are developed. Conclusions. The performed research illustrates the dependence of the reliability and efficiency indicators of information transmission from the Reed-Solomon codes parameters. This allows design reliable control systems with preset level of reliability than provided by a reasonable selection of Reed-Solomon code parameters.
Software determination of the optimal route by geoinformation technologies
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Tvoroshenko, I. S.; Kramarenko, O. O.; Творошенко, І. С.; Крамаренко, О. О.
EN: Context. The urgency of this work is to develop software for a multifunctional geoinformation guide supporting the state fire and rescue part by means of modern geoinformation technologies. The object of research is the infrastructure of the city of Kharkiv. Objective. The aim of the study is to develop software for a multifunctional geoinformation guide for the automatic determination of the optimal transport route using modern geoinformation technologies to improve the fire-fighting efficiency in the city of Kharkiv. Method. During the research, the general scientific methods were used: cartographic, system analysis and synthesis for definition and generalization of theoretical and methodological foundations of state building norms, modeling, higher mathematics, combinatory, as well as special methods of mathematical and geoinformation analysis. ArcGIS software platform for creating, managing, integrating, analyzing and distributing spatial data is used in the work. Methods used: programming in VBA and Python, geodesy, topography, geoinformatics, definition of computational time. Results. The results obtained in the course of this research, namely: methodological, algorithmic and software of the multifunctional geographic information directory, are of practical significance, are real and are used by the Kotelevsky district sector of the Main Department of the State Service of Ukraine for Emergencies in the Poltava region, and may also be applied by the Main Directorate of the State Service of Ukraine for Emergencies in the Kharkiv region for the automatic determination of the optimal route in the operational arrival of the fire brigade with the help of geoinformation technologies, tools of mathematical and geoinformation analysis. Conclusions. The spatial model of the city of Kharkiv has been further developed due to the use of geoinformation and mathematical analysis methods during software development, which allowed taking into account a set of important criteria. The spatial model of geoinformation support of state fire and rescue units of Kharkiv city has been improved due to the consideration and application of the road distribution criteria according to the categories, which made it possible to develop an effective software platform for rapid response. Prospects for further research include the development of an application for Android and IOS platforms with the possibility of compact use of the geographic information directory, as well as the inclusion of an interactive ArcGIS Online map, which reflects the real state of traffic load and the possibility of using relevant data when designing the recommended route. UK: Актуальність. Актуальність даної роботи полягає у розробці програмного забезпечення багатофункціонального геоінформаційного довідника підтримки державної пожежно-рятувальної частини засобами сучасних геоінформаційних технологій. Об’єктом дослідження є інфраструктура міста Харкова. Мета. Метою дослідження є розробка програмного забезпечення багатофункціонального геоінформаційного довідника автоматичного визначення оптимального транспортного маршруту засобами сучасних геоінформаційних технологій для підвищення ефективності пожежогасіння в місті Харкові. Метод. Під час дослідження використано загальнонаукові методи: картографічний, системного аналізу та синтезу для визначення та узагальнення теоретико-методичних засад державних будівельних норм, моделювання, вищої математики, комбінаторики, а також спеціальні методи математичного та геоінформаційного аналізу. У роботі застосовано програмну платформу ArcGIS для створення, управління, інтеграції, аналізу та поширення просторових даних. Використано методи: програмування на мовах VBA та Python, геодезії, топографії, геоінформатики, визначення обчислювального часу. Результати. Результати, що отримані у процесі виконання даного дослідження, а саме: методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення багатофункціонального геоінформаційного довідника, мають практичну значимість, є реальними та використовуються Котелевським районним сектором Головного управлінням Державної служби України з надзвичайних ситуацій у Полтавській області, а також можуть бути застосованими Головним управлінням Державної служби України з надзвичайних ситуацій у Харківській області для автоматичного визначення оптимального маршруту оперативного прибуття пожежної бригади за допомогою геоінформаційних технологій, інструментарію математичного та геоінформаційного аналізу. Висновки. Отримала подальшого розвитку просторова модель міста Харкова за рахунок використання під час розробки програмного забезпечення методів геоінформаційного та математичного аналізу, що дозволило врахувати сукупність важливих критеріїв. Удосконалено просторову модель геоінформаційної підтримки державних пожежно-рятувальних частин міста Харкова за рахунок врахування та застосування критерію розподілу доріг відповідно до категорій, що дозволило розробити ефективну програмну платформу для швидкого реагування. Перспективи подальших досліджень передбачають розроблення застосунку для платформ Android та ІOS із можливістю компактного використання геоінформаційного довідника, а також залучення інтерактивної карти ArcGІS Onlіnе, що відображає реальний стан завантаженості дороги і можливості застосування відповідних даних при проектуванні рекомендованого маршруту.
Методика ефективного розміщення різнотипних елементів складної системи спостереження
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Рачок, Р. В.; Боровик, О. В.; Боровик, Л. В.; Rachok, R. V.; Borovyk, O. V.; Borovyk, L. V.
UK: Актуальність. Важливою передумовою надійної охорони державного кордону України є ефективне виявлення порушників кордону. З цією метою у прикордонному відомстві використовуються різні сучасні системи та комплекси спостереження, окремі прикордонні наряди оснащуються новітніми технічними засобами охорони кордону. Різноманітність можливостей окремих засобів спостереження при їх комплексному використанні робить важливим визначення ефективного розміщення точок спостереження з урахуванням особливостей місцевості. Мета. Метою роботи є розробка методики ефективного розміщення елементів складних систем спостереження прикордонного відомства. Метод. У роботі запропонований евристичний підхід до вирішення задачі визначення ефективного розміщення різних за можливостями технічних засобів спостереження. Розроблена методика ґрунтується на циклічному використанні відомого методу комбінаторної оптимізації розміщення точок спостереження для всіх складових складної системи спостереження прикордонного відомства з коригуванням після кожної ітерації смуги перекриття. При цьому з застосуванням геообробки враховується загороджуючий негативний вплив рельєфу місцевості та можливості різних технічних засобів спостереження в різних умовах. Для оцінки ефективності функціонування складових системи спостереження використовується показник, що відображає частку площі смуги перекриття, на якій забезпечується виявлення цілей. Результати. В результаті використання запропонованої методики отримується раціональна структурна побудова складної системи спостереження органу охорони кордону і множина неконтрольованих точок місцевості. Ця множина може використовуватись при плануванні несення служби підрозділами охорони кордону. Наведений опис алгоритмічної і програмної реалізації запропонованої методики. З використанням розробленого програмного забезпечення проведена оптимізація розміщення трьох типів елементів складної системи спостереження (веж системи оптико-електронного спостереження, мобільних тепловізійних комплексів, постів спостереження). Висновки. Сучасна побудова складних систем спостереження прикордонного відомства у багатьох випадках не є оптимальною. Для підвищення ефективності їх функціонування можливо використати запропоновану методику розстановки елементів цих систем на місцевості. EN: Context. An important prerequisite for reliable protection of the state border of Ukraine is the effective detection of violators of the border. For this purpose, various state-of-the-art systems and observation complexes are used at the border agency, and some border dresses are equipped with the latest technical means of border guarding. The diversity of possibilities of individual means of observation in their complex use makes it important to determine the effective location of observation points, taking into account the features of the terrain. Objective. The purpose of the work is to develop a method for effective placement of elements of complex surveillance systems of the border agency. Method. The work proposes a heuristic approach to solving the problem of determining the effective placement of different capabilities of technical means of observation. The developed method is based on the cyclic use of the known method of combinatorial optimization of placement of observation points for all components of a complex surveillance system of the border agency with adjustment after each iteration of the overburden. At the same time, with the use of geo-processing takes into account the barrier to the negative impact of terrain and the possibility of different technical means of surveillance in different conditions. To assess the effectiveness of the functioning of the components of the surveillance system, an indicator is used reflecting the share of the area of the strip of overlap, which provides the identification of objectives. Results. As a result of using the proposed methodology, a rational structural construction of a complex surveillance system of the border guard body and a set of uncontrolled points of the area are obtained. This plurality can be used in planning the service of the units of the border guard. The description of algorithmic and program realization of the proposed method is given. Using the developed software, the optimization of the placement of three types of elements of a complex observation system (towers of the system of optoelectronic observation, mobile thermal imaging complexes, observation posts) was carried out. Conclusions. Modern construction of complex surveillance systems of the border agency in many cases is not optimal. To increase the efficiency of their operation, it is possible to use the proposed method of placement of elements of these systems on the ground.
Обчислення факторизації числа в мультипотоковому режимі на кристалі
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Процько, І. О.; Грищук, О. В.; Prots’ko, I. O.; Gryschuk, O. V.
UK: Актуальність. Забезпечення високої швидкодії обчислення комп’ютерними системами класичної задачі факторизації цілочисельного значення на прості множники вимагає розробки ефективних алгоритмічних методів з використанням новітніх інформаційних технологій. Швидке обчислення факторизації чисел для забезпечення високої криптостійкості інформаційних даних, для переходу до багатовимірного подання одновимірних послідовностей інформаційних даних та інших застосувань є достатньо затребуваним в багатьох практичних завданнях. Мета роботи – вдосконалення методу пробних ділень для обчислення факторизації цілочисельного значення з використанням розпараралелення обчислень та ефективного використання обчислювальних ресурсів комп’ютерних систем, що забезпечить швидше обчислення значень простих множників розкладу. Метод. Запропоновано використання залишків кожного розряду бінарного представлення числа факторизації з метою перевірки на подільність в підході виконання пробних ділень на прості числа. Результати. Підсумком дослідження є розроблення програми паралельного виконання факторизації цілочисельного значення в комп’ютерних системах з багатоядерними процесорами. Висновки. У проведеному дослідженні застосовано метод проведення перевірки на подільність з використанням залишків кожного розряду бінарного представлення числа факторизації, що дозволяє в мультипотоковому режимі виконувати розклад числа на множники. Основна ідея застосування належного математичного апарату полягає у використанні залишків цілого показника степеня числа два від простих чисел. В результаті цього виконується операція накопичення значень залишків, яке перевіряється на рівність з відповідним простим числом та його степенів. Можливість мультипотокової програмної організації факторизації числа забезпечує її паралельне виконання в багатоядерних процесорах комп’ютерних систем. EN: Context. Ensuring high-speed calculation by computer systems of the classical task of factorization of integer value on simple factors requires the development of effective algorithmic methods using the latest information technologies. Fast computation of factorization of numbers to provide high cryptocapability of information data, using multidimensional representation of one-dimensional sequences of information data and other applications is sufficiently in demand in many practical tasks. Objective.The purpose of the work is to improve the method of trial divisions to compute the factorization of integer value with using parallelization of computations and efficient use of computing resources of computer systems, which ensures faster computation of the values of prime factors of the decomposition. Method. It is proposed to use the residuals of each digit of the binary representation of the factorization number in order to check for divisibility in the method performing of trial divisions into prime numbers. Results. The result of the study is to develop of a program of parallel execution of the factorization of integer value in computer systems with multi-core processors. Conclusions. In the research, a method of checking for divisibility using the residuals of each digit of the binary representation of the factorization number was applied, which allows for multi-threaded mode to execute the decomposition of the number into the factors. The basic idea of applying the corresponding mathematical apparatus is to use the residuals of the integer exponent of the number two from prime numbers. As a result, the accumulation of residuals is performed, which is checked for equality with the corresponding prime number and its degrees. The possibility of a multithreaded software organization for computing the number factorization ensures its parallel execution in multi-core processors of computer systems.
Increasing the secrecy of transmission information based on combined random coding
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Korchynskyi, V. V.; Kildishev, V. I.; Holev, D.V.; Berdnikov, O. M.; Корчинський, В. В.; Кільдішев, В. Й.; Голев, Д. В.; Бердніков, О. M.
EN: Context. The task of increasing the secrecy of information transmission based on combined random coding is considered. The object of research is the integration processes of stochastic, block and timer coding. Objective. The aim of the article is to develop a method of increasing the secrecy transmission based on combined random coding. Method. The method of increasing the secrecy of information transmission based on combined random coding with three steps of code converters: internal, intermediate and external is proposed. The internal converter is implemented based on stochastic coding with various numbers of random code combinations. The number of random combinations depends on the probability of the character of the symbol in the message text. The information secrecy of the transmission is ensured by equalizing the probabilities of the occurrence of code combinations from the output of the statistical coder. Intermediate coding is implemented using a noise immunity block code. Information secrecy and noise immunity leads to the increasing the length of the code block at each stage of coding, which reduces the code rate. To solve this problem, an external converter based on timer coding is used. At this stage, binary combinations are converted into timer signal structures, which allows for the implementation of a structural transmission secrecy, increase the code rate and improve noise immunity. When the stochastic encoding and a timer used codebooks. Results. The developed method of combined random coding allows to increase the main indicators of noise immunity: interference protection, information and structural secrecy. Conclusions. The proposed method of combined random coding allows to eliminate the main disadvantages of stochastic coding, in which the choice of the number of random code combinations does not take into account the entropy of the discrete source of information. For solving this problem, it was proposed to use different number of random combinations, in view of the probability of an alphabet symbol appearing in the text. From the theoretical point of view, this will allow the output of the statistical coder to form a stream of combinations with equal probabilities of occurrence. Due to the usage of timer signal constructions, the problem of redundancy compensation is solved, which appears during stochastic and noise-immune coding. UK: Актуальність. Розглянуто задачу підвищення прихованості передавання інформації на основі комбінованого випадкового кодування. Об’єктом дослідження є процеси інтеграції стохастичного, блокового і таймерного кодування. Метою роботи є розробка методу підвищення прихованості передавання на основі комбінованого каскадного кодування. Метод. Запропоновано метод підвищення прихованості передавання інформації на основі комбінованого випадкового кодування з трьома ступенями кодових перетворювачів: внутрішнього, проміжного і зовнішнього. Внутрішній перетворювач реалізується на основі стохастичного кодування з різною кількістю випадкових кодових комбінацій. Кількість випадкових комбінацій залежить від ймовірності появи символу алфавіту в тексті повідомлення. Інформаційна прихованість передавання буде забезпечуватися за рахунок зрівнювання ймовірностей появи кодових комбінацій з виходу статистичного кодера. Проміжне кодування реалізується за допомогою завадостійкого блокового коду. Інформаційна прихованість та завадостійкість забезпечується за рахунок збільшення довжини кодового блоку на кожному етапі кодування, що зменшує кодову швидкість. Для вирішення цієї проблеми використовуються зовнішній перетворювач на основі таймерного кодування. На цьому етапі двійкові комбінації перетворюються в таймерні сигнальні конструкції, що дозволяє реалізувати структурну прихованість, збільшити кодову швидкість та завадостійкість. При стохастичному і таймерному кодуванні використовуються кодові книги. Результати. Розроблений метод комбінованого випадкового кодування дозволяє підвищити основні показники завадозахищенності: завадостійкість, інформаційну та структурну прихованість. Висновки. Запропонований метод комбінованого випадкового кодування дозволяє усунути основні недоліки стохастичного кодування, в якому при виборі кількості випадкових кодових комбінацій не враховується ентропія дискретного джерела інформації. Для вирішення цієї проблеми запропоновано використовувати різну кількість випадкових комбінацій з урахуванням ймовірності появи символу алфавіту в тексті. З теоретичної точки зору це дозволить на виході статистичного кодера сформувати потік комбінацій з рівними ймовірностями появи. Також за рахунок використання таймерних сигналів вирішується проблема компенсації надлишковості, яка з’являється при стохастичному і завадостійкому кодуванні.
Анализ характеристик систем цикловой синхронизации с использование протокола PTP (IEEE1588v2)
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Коляденко, Ю. Ю.; Шостко, И. С.; Агеев, Д. В.; Коляденко, Ю. Ю.; Шостко, І. С.; Агєєв, Д. В.; Kolyadenko, Yu. Yu.; Shostko, I. S.; Ageev, D. V.
RU: Актуальность. В статье приводятся результаты анализа характеристик синхронизации в сетях нового поколения с использованием протокола PTP. Объектом исследования является процесс синхронизации в сетях нового поколения с использованием протокола PTP (IEEE1588v2). Целью данной работы является проведение анализа характеристик синхронизации в сетях нового поколения с использованием протокола PTP. Метод. Основными причинами, вызывающими сбой цикловой синхронизации являются выход из синхронизма. Это приводит к изменению длительности цикла, так как в цикле появятся, или пропадут один или несколько тактовых интервалов, и искажение символов синхросигнала в результате воздействия помех. При этом важной характеристикой системы синхронизации является среднее время удержания синхронизма. Предложен комплекс характеристик синхронизации в сетях нового поколения с использованием протокола PTP: среднее время удержания циклового синхронизма; среднее время заполнения накопителя по выходу из синхронизма; среднее время заполнения накопителя по входу в синхронизм и среднее время поиска синхрогруппы. Результаты. Проведен анализ предложенных характеристик синхронизации в сетях нового поколения с использованием протокола PTP. Проведено исследование зависимости среднего времени удержания циклового синхронизма для неадаптивного приемника циклового синхросигнала от вероятности искажения одиночного символа в групповом тракте. Проведено исследование зависимости среднего времени заполнения накопителя по выходу из синхронизма от емкости накопителя по выходу из синхронизма. Проведено исследование зависимости среднего времени заполнения накопителя по входу в синхронизм для неадаптивного приемника циклового синхросигнала от вероятности искажения одиночного символа в групповом тракте. Проведено исследование зависимости среднего времени поиска синхрогруппы для неадаптивного приемника циклового синхросигнала от длины кодовой комбинации синхрогруппы. Проведено исследование зависимости среднего времени поиска синхрогруппы для неадаптивного приемника циклового синхросигнала от количества символов между двумя синхросигналами. Выводы. Проведенные исследования характеристик синхронизации позволяют дать рекомендации по применению протокола PTP в конкретных практических ситуациях. Перспективы дальнейших исследований могут заключаться в разработке синхронизирующих кодовых слов. UK: Актуальність. У статті наводяться результати аналізу характеристик синхронізації в мережах нового покоління з використанням протоколу PTP. Об’єктом дослідження є процес синхронізації в мережах нового покоління з використанням протоколу PTP (IEEE1588v2). Метою даної роботи є проведення аналізу характеристик синхронізації в мережах нового покоління з використанням протоколу PTP. Метод. Основними причинами, що викликають збій циклової синхронізації є вихід із синхронізму. Це призводить до зміни тривалості циклу, так як в циклі з’являться, або пропадуть один або декілька тактових інтервалів, і спотворення символів синхросигналу в результаті дії завад. При цьому важливою характеристикою системи синхронізації є середній час утримання синхронізму. Запропоновано комплекс характеристик синхронізації в мережах нового покоління з використанням протоколу PTP: середній час утримання циклового синхронізму; середній час заповнення накопичувача по виходу із синхронізму; середній час заповнення накопичувача по входу в синхронізм і середній час пошуку синхрогрупи. Результати. Проведено аналіз запропонованих характеристик синхронізації в мережах нового покоління з використанням протоколу PTP. Проведено дослідження залежності середнього часу утримання циклового синхронізму для неадаптивного приймача циклового синхросигналу від ймовірності спотворення одиночного символу в груповому тракті. Проведено дослідження залежності середнього часу заповнення накопичувача по виходу із синхронізму від ємності накопичувача по виходу із синхронізму. Проведено дослідження залежності середнього часу заповнення накопичувача по входу в синхронізм для неадаптивного приймача циклового синхросигналу від ймовірності спотворення одиночного символу в груповому тракті. Проведено дослідження залежності середнього часу пошуку синхрогрупи для неадаптивного приймача циклового синхросигналу від довжини кодової комбінації синхрогрупи. Проведено дослідження залежності середнього часу пошуку синхрогрупи для неадаптивного приймача циклового синхросигналу від кількості символів між двома синхросигналами. Висновки. Проведені дослідження характеристик синхронізації дозволяють дати рекомендації щодо застосування протоколу PTP в конкретних практичних ситуаціях. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в розробці синхронізуючих кодових слів. EN: Context. The article presents the results of the analysis of synchronization characteristics in the networks of the new generation using the PTP protocol. The object of the research is the synchronization process in the networks of the new generation using the PTP protocol (IEEE1588v2). The purpose of this work is to analyze the characteristics of synchronization in the networks of the new generation using the PTP protocol. Method. The main causes of frame alignment failures are out of synchronism. This leads to a change in the cycle duration, since one or several clock intervals will appear in the cycle, or the clock symbols will become distorted as a result of interference. In this case, an important characteristic of the synchronization system is the average retention time. A set of synchronization characteristics in the networks of the new generation using the PTP protocol is proposed: the average retention time of frame alignment; average time to fill the drive to get out of sync; the average time of filling the drive at the entrance to synchronism and the average time of searching for a sync group. Results. The analysis of the proposed synchronization characteristics in the networks of the new generation using the PTP protocol has been carried out. A study was made of the dependence of the average cycle hold time for a non-adaptive receiver of a cyclic clock signal on the probability of distortion of a single symbol in the group path. A study was conducted of the dependence of the average filling time of a drive for sync matching from the capacity of the drive for sync matching. A study was made of the dependence of the average drive fill time on an entry into synchronism for a non-adaptive receiver of a cyclic sync signal on the probability of distortion of a single symbol in a group path. A study was made of the dependence of the average search time of a sync group for a non-adaptive receiver of a cyclic sync signal on the length of a code combination of a sync group. A study was made of the dependence of the average sync group search time for a non-adaptive receiver of a cyclic sync signal on the number of symbols between two sync signals. Conclusions. Conducted studies of the characteristics of synchronization allow us to make recommendations on the application of the PTP protocol in specific practical situations. Prospects for further research may lie in the development of sync code words.
Synthesis of сryptoresistant generators of pseudorandom numbers based on generalized Galois and Fibonacci matrixes
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Beletsky, A. Ya.; Білецький, А. Я.
EN: Context. The problem to form generalized primitive matrixes on the Galois and Fibonacci any order over the field characteristics 2 for the construction by the generators gamma functions for cryptographically stable algorithms of inline data encryption, free from the attack of Berlekamp-Messi (BM). Objective. Development of a way to eliminate the threat an attack using the BM algorithm on LFSR-generators of pseudorandom numbers (PRN) to increase their crypto stability. Method. Linear Feedback Shift Registers (LFSR) are themselves good pseudorandom PRN generators, but they have undesirable properties that reduce the efficiency of their use. For the registers of length shift n their internal state is a function of the previous output bits of the generator. Even if the feedback scheme is kept the secret, it can be determined by 2n output bits of the generator with the help of BM algorithm, which reduces the crypto-resistance of the generator PRN. The basis for single loop feedback circuits, which cover the classical LFSR-generators of PRN, are primitive polynomials. There are various ways to increase the crypto-resistance of LFSR-generators. To their number concern: introduction of nonlinear transformations, use poly register generators (as, for example, in the algorithm of encryption А5) and several others. The transition from classical LFSR-generators to generators basis on the generalized matrixes of Galois and Fibonacci leads to the fact that the algorithm of BM loses the ability to determine the unattainable polynomials generating multi-circuit feedback circuits in LFSR-generators. The reason for this feature is that the series of bits generated by the generalized generator becomes dependent not only on the selected irreducible polynomial but also on the primitive element that participates in the creation of the feedback loop generator. Results. The PRN generators developed by LFSR were used to organize bytes of streaming information encryption. Conclusions. Statistical tests of the proposed PRN generators carried out with the help of NIST STS, and Diehard [16–18] packages have confirmed the high quality of the generated sequences. Moreover, the generators turned out to be cryptographically resistant to BM attacks. The use of these generators in the formation of long keys, necessary, for example, in RSA encryption protocols and other applications is promising. As an area of further researches, development of the generalized generators of PRN above a field of Galois of any characteristic. UK: Актуальність. Розглянуто задачу формування узагальнених примітивних матриць Галуа і Фібоначчі будь-якого порядку над полем характеристики 2 для побудови генераторів гамма-функцій криптографически стійких алгоритмів потокового шифрування даних, вільних від атаки Берлекемпа-Мессі. Метод. Лінійні регістри зсуву з лінійними зворотними зв’язками (РСЛЗЗ) самі по собі є хорошими генераторами псевдовипадкових чисел (ПВЧ), але вони мають небажані властивості, що знижують ефективність їх використання. Для регістрів зсуву довжини n їх внутрішній стан є функцією попередніх вихідних бітів генератора. Навіть якщо схема зворотного зв’язку тримається в секреті, її можна визначити по 2n вихідних бітах генератора за допомогою алгоритму Берлекемпа-Мессі, що зменшує криптостійкість генератора псевдовипадкових чисел. Основу одноконтурних ланцюгів зворотного зв’язку, якими охоплені класичні РСЛЗЗ-генератори ПВЧ, складають примітивні поліноми. Існують різні способи підвищення криптостійкості РСЛЗЗ-генераторів ПВЧ. До їх числа відносяться: введення нелінійних перетворень, використання полірегістрових генераторів (як, наприклад, в алгоритмі поточного шифрування А5) і ряд інших. Перехід від класичних РСЛЗЗ-генераторів до генераторів на основі узагальнених матриць Галуа і Фібоначчі призводить до того, що алгоритм Берлекемпа-Мессі втрачає здатність визначати незвідні поліноми, що породжують багатоконтурні ланцюги зворотного зв’язку в РСЛЗЗ-генераторах ПВЧ. Причина зазначеної особливості полягає в тому, що серія бітів, що породжується узагальненим генератором, стає залежною не лише від обраного незвідного поліному, а й від примітивного елемента, який бере участь у створенні ланцюга зворотного зв’язку генератора. Результати. Розроблені узагальнені РСЛОС-генератори псевдовипадкових чисел можуть знайти широке застосування в системах шифрування потокової інформації. Висновки. Статистичні тестування розроблених узагальнених РЗЛЗЗ-генераторів псевдовипадкових чисел, виконані за допомогою пакетів НІСТ СТС та Діхард, підтвердили високу якість генеруються послідовностей. Більш того, генератори виявилися криптографически стійкими до атак Берлекемпа-Мессі. Перспективним є використання цих генераторів для цілей формування ключів великої розмірності, необхідних, наприклад, в протоколах шифрування RSA і в інших додатках. Як напрямки подальших досліджень передбачається розробка узагальнених РЗЛЗЗ-генераторів псевдовипадкових чисел над полем Галуа довільній характеристики.
Методы синтеза моделей количественных зависимостей в базисе деревьев регрессии, реализующих кластер-регрессионную аппроксимацию по прецедентам
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Субботин, Сергей Александрович; Субботін, Сергій Олександрович; Subbotin, S. A.
RU: Актуальность. Для принятия решений в технических приложениях, как правило, необходимо обладать моделью, позволяющей прогнозировать состояние управляемого объекта или процесса. Объектом исследования является процесс построения моделей зависимостей по прецедентам. Предметом исследования являются методы построения количественных зависимостей по прецедентам на основе кластер-регрессионной аппроксимации. Цель работы – упрощение моделей кластер-регрессионной аппроксимации путем косвенной реализации кластер-анализа в процессе построения модели. Метод. Предложен метод древовидной кластер-регрессионной аппроксимации, который для заданной обучающей выборки строит дерево для иерархической кластеризации экземпляров, листовые узлы которого соответствуют кластерам, для каждого кластера строит частную модель зависимости по экземплярам обучающей выборки, попавшим в кластер, стремясь обеспечить наименьшую сложность модели, и использует набор наиболее информативных признаков наименьшей длины. Это позволяет обеспечить приемлемую точность модели, высокие уровни интерпретабельности и обобщения данных, снизить сложность модели, упростить ее реализацию при последовательной организации вычислений. Результаты. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный метод древовидной кластер-регрессионной аппроксимации. Разработанный метод и реализующее его программное обеспечение исследованы при решении практических задач прогнозирования. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность разработанного математического обеспечения и позволяют рекомендовать его для использовании на практике. Выводы. В отличие от традиционных методов построения регрессионных моделей, строящих модель на основе функции, единой для всего признакового пространства формы, предложенный метод формирует иерархическую комбинацию частных моделей. В отличие от известных методов построения деревьев регрессии, листовые узлы которых содержат усредненные значения выходного признака для кластеров, предложенный метод формирует дерево, состоящее из частных моделей для кластеров, что позволяет обеспечить большую точность модели. UK: Актуальність. Для прийняття рішень в технічних застосуваннях, як правило, необхідно мати модель, що дозволяє прогнозувати стан керованого об’єкта або процесу. Об’єктом дослідження є процес побудови моделей залежностей за спостереженнями. Предметом дослідження є методи побудови кількісних залежностей за спостереженнями на основі кластер-регресійної апроксимації. Мета роботи – спрощення моделей кластер-регресійної апроксимації шляхом непрямої реалізації кластер-аналізу в процесі побудови моделі. Метод. Запропоновано метод деревовидної кластер-регресійної апроксимації, який для заданої навчальної вибірки будує дерево для ієрархічної кластеризації екземплярів, листові вузли якого відповідають кластерам, для кожного кластера будує часткову модель залежності за екземплярами навчальної вибірки, що потрапили у кластер, прагнучи забезпечити найменшу складність моделі і використовує набір найбільш інформативних ознак найменшої довжини. Це дозволяє забезпечити прийнятну точність моделі, високі рівні інтерпретабельності й узагальнення даних, знизити складність моделі, спростити її реалізацію при послідовній організації обчислень. Результати. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод деревовидної кластер-регресійної апроксимації. Розроблений метод і програмне забезпечення, що його реалізує, досліджені під час вирішення практичних завдань прогнозування. Проведені експерименти підтвердили працездатність розробленого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці. Висновки. На відміну від традиційних методів побудови регресійних моделей, які будують модель на основі функції, єдиної форми для усього простору ознак, запропонований метод формує ієрархічну комбінацію часткових моделей. На відміну від відомих методів побудови дерев регресії, листові вузли яких містять усереднені значення вихідної ознаки для кластерів, запропонований метод формує дерево, що складається з часткових моделей для кластерів, що дозволяє забезпечити більшу точність моделі. EN: Context. To make decisions in technical applications, it is usually necessary to have a model that allows you to predict the state of a managed object or process. The object of the study is the process of building dependency models by use cases. The subject of the study are the methods for constructing quantitative dependencies based on cluster-regression approximation precedents. Objective. The aim of the paper is to simplify cluster regression approximation models by indirectly implementing cluster analysis in the process of model building. Method. A tree-based cluster-regression approximation method is proposed which, for a given training sample, constructs a tree for hierarchical clustering of instances whose leaf nodes correspond to clusters, for each cluster, constructs a particular model of dependence on instances of the training sample that fall into the cluster, in order to provide the least complexity of the model and uses the set the most informative features of the shortest length. This allows to ensure an acceptable accuracy of the model, high levels of interpretation and generalization of data, to reduce the complexity of the model, and to simplify its implementation in the sequential organization of calculations. Results. The software that implements the proposed method of tree-like cluster-regression approximation is developed. The developed method and the software implementing it are investigated in solving practical problems of prediction. The conducted experiments confirmed the working capacity of the developed software and allow to recommend it for use in practice. Conclusions. Unlike traditional methods of regression model constructing that build a model based on a function form that is uniform for the entire feature space, the proposed method forms a hierarchical combination of particular models. Unlike the well-known methods of regression tree constructing whose leaf nodes contain averaged values of the output feature for clusters, the proposed method forms a tree consisting of particular models for clusters, which allows to ensure greater accuracy of the model.
Разработка метода расчета вторичных признаков заболевания по его первичным симптомам
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Жаркова, А. В.; Нагорный. В. В.; Жаркова, А. В.; Нагорний, В. В.; Zharkova, A. V.; Nahornyi, V. V.
RU: Актуальность. Решена актуальная задача повышения информативности диагностических признаков (симптомов) обеспечивающая внедрение компьютерных технологий в медицинскую практику для оперативной постановки достоверного диагноза. Цель работы. Целью исследований явилась разработка метода расчета на основе исходных (первичных) традиционно известных симптомов болезни вторичных, более информативных признаков, достоверно описывающих патологию текущего состояния пациента. Метод. Современные методы постановки диагноза основываются на сравнении текущих значений симптомов с их нормативными предельно допустимыми значениями. Однако нормы, составленные на основе средне статистических данных, только с определенной долей вероятности относиться к конкретному пациенту. Это является причиной ошибок при постановке диагноза патологии болезни пациента на момент его текущего обследования. В связи с этим на примере кардио заболевания для решения данной проблемы предложено дополнить традиционный метод постановки диагноза рассчетом вторичных информативных признаков (индикаторов). При этом процесс постановки диагноза в соответствии с правилами дискриминантного анализа заключается в сопоставлении индикаторов с ограниченным количеством кластеров, описывающих последовательно ухудшающуюся патологию заболевания. Таким образом, удается заменить множество сочетаний величин анализируемых при постановке диагноза симптомов конечным рядом кластеров, что существенно повышает оперативность постановки диагноза и является необходимым условием компьютеризации самого процесса диагностирования. Результаты. Рассматриваемый метод успешно прошел апробацию при контроле патологии протекания ишемической болезни сердца трех пациентов, позволив, в частности, ретроспективно спрогнозировать совпавший с фактическим возраст обострения заболевания и дать, подтвержденную клинической практикой, оценку патологии заболевания на каждый из моментов их обследования. Выводы. Разработан метод повышения информативности традиционно рассматриваемых симптомов заболевания, за счет рассчета дополнительных к ним вторичных информативных признаков. Эти признаки, оформленные в виде безразмерных комплексов, учитывают текущий возраст и прогноз возраста пациента на момент обострения его заболевания, нормативное и текущее значение симптома болезни и среднюю продолжительность жизни в зависимость от пола человека. Метод обладает достаточной степенью универсальности и может быть применен для повышения информативности любого набора признаков. UK: Актуальність. Вирішено актуальне завдання підвищення інформативності діагностичних ознак (симптомів), що забезпечує впровадження комп’ютерних технологій, наприклад, в медичну практику, для оперативної постановки достовірного діагнозу. Мета роботи. Метою роботи є розробка методології кількісної оцінки динаміки симптомів і уніфікації форми їх подання для формалізації на цій основі процесу постановки діагнозу та прогнозування моменту загострення захворювання. Метод. Сучасні методи постановки діагнозу ґрунтуються на порівнянні поточних значень симптомів з їх нормативними гранично допустимими значеннями. Однак норми складені на основі середньо статистичних даних, які можуть тільки з певною часткою ймовірності ставитися до конкретного пацієнта. Це є причиною помилок при прогнозуванні для даного індивідуума моменту загострення його хвороби. У зв’язку з цим на прикладі кардіо захворювання для вирішення даної проблеми вперше запропоновано доповнити традиційний метод постановки діагнозу розрахунком вторинних інформативних ознак (індикаторів). При цьому процес постановки діагнозу відповідно до правил дискримінантного аналізу полягає в зіставленні індикаторів з обмеженою кількістю кластерів, що описують патологію захворювання, яка послідовно погіршується. Таким чином, вдається замінити безліч поєднань величин аналізованих при постановці діагнозу симптомів кінцевим числом кластерів, що істотно підвищує оперативність постановки діагнозу і є необхідною умовою комп’ютеризації самого процесу діагностування. Результати. Вже згадана методологія успішно пройшла апробацію при контролі ступеня тяжкості перебігу ішемічної хвороби серця трьох пацієнтів, дозволивши ретроспективно спрогнозувати фактичну календарну дату загострення захворювання, що на практиці дає можливість запланувати оптимальну стратегію своєчасного лікування хвороби. Висновки. Розроблено методологію підвищення інформативності симптомів захворювання, яка формалізує процес постановки діагнозу і забезпечує тим самим впровадження комп’ютерних технологій в медичну практику з метою оперативного визначення індивідуально для кожного з пацієнтів моменту загострення його хвороби та постановки на цій основі достовірного діагнозу. EN: Context. The article describes тhe actual problem of raising the informativeness of diagnostic signs (symptoms) ensuring the introduction of computer technologies, for example, in medical practice, for the rapid formulation of a reliable diagnosis has been solved. Objective. The goal of the work is to develop a methodology for quantitative assessment of the dynamics of symptoms and the unification of the form of their presentation for the formalization on this basis of the process of diagnosis and prediction of the moment of exacerbation of the disease. Method. Modern methods of diagnosis based on a comparison of the current values of symptoms with their normative maximum permissible values. However, the norms are based on average statistical data, which can only relate to a specific patient with a certain degree of probability. This is the cause of errors in predicting for this individual the moment of exacerbation of his disease. In this regard, using the example of cardio disease to solve this problem, it was proposed for the first time to supplement the traditional method of diagnosis with the calculation of secondary informative signs (indicators). At the same time, the process of making a diagnosis in accordance with the rules of discriminant analysis consists in comparing indicators with a limited number of clusters describing consistently worsening disease pathology. Thus, it is possible to replace many combinations of the values analyzed at the diagnosis of symptoms with a finite series of clusters, which significantly increases the speed of diagnosis and is a necessary condition for the computerization of the diagnosis process itself. Results. The reviewed methodology was successfully tested to control the severity of three patients with coronary heart disease, allowing retrospectively predicting the actual calendar date of exacerbation of the disease, which in practice allows you to plan the optimal strategy for timely treatment of the disease. Conclusions. A methodology has been developed to increase the informativeness of the symptoms of the disease, formalizing the process of diagnosis and thereby ensuring the introduction of computer technology into medical practice in order to promptly determine for each patient the time of exacerbation of his disease and to establish a reliable diagnosis on this basis.
Queueing systems with delay
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Tarasov, V. N.; Тарасов, В. Н.
EN: Context. In the queuing theory of a research of the G/G/1 systems are relevant because it is impossible to receive decisions for the average waiting time in queue in a final form in case of arbitrary laws of distributions of an input flow and service time. Therefore, the study of such systems for particular cases of input distributions is important. The problem of deriving solutions for the average waiting time in a queue in closed form for systems with distributions shifted to the right from the zero point is considered. Objective. Getting solutions for the main characteristics of the systems – the average waiting time of requirements in the queue for queuing systems (QS) of type G/G/1 with shifted input distributions. Methods. To solve this problem, we used the classical method of spectral decomposition of the solution of the Lindley integral equation. This method allows to obtaining a solution for the average waiting time for two systems under consideration in a closed form. The method of spectral decomposition of the solution of the 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. For the first time, spectral expansions are obtained for the solution of the Lindley integral equation for systems with delay, which are used to derive formulas for the average waiting time in a queue in closed form. Conclusions. It is shown that in systems with delay, the average waiting time is less than in in the usual systems. The obtained formula for the average waiting time expands and complements the well-known queuing theory incomplete formula for the average waiting time for G/G/1 systems. This approach allows us to calculate the average latency for these systems in mathematical packages for a wide range of traffic parameters. In addition to the average waiting time, such an approach makes it possible to determine also moments of higher orders of waiting time. Given the fact that the packet delay variation (jitter) in telecommunications is defined as the spread of the waiting time from its average value, the jitter can be determined through the variance of the waiting time. UK: Актуальність. У теорії масового обслуговування дослідження систем G/G/1 актуальні в зв’язку з тим, що не можна отримати рішення для часу очікування в кінцевому вигляді в загальному випадку при довільних законах розподілів вхідного потоку і часу обслуговування. Тому важливі дослідження таких систем для окремих випадків вхідних розподілів. Розглянуто задачу виведення рішень для середнього часу очікування в черзі в замкнутій формі для систем зі зсунутими вправо від нульової точки вхідними розподілами. Мета роботи. Отримання рішення для основної характеристики системи – середнього часу очікування вимог в черзі для двох систем масового обслуговування типу G/G/1 зі зсунутими вхідними розподілами. Метод. Для вирішення поставленого завдання був використаний класичний метод спектрального розкладання рішення інтегрального рівняння Ліндлі. Цей метод 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 було використано відомий метод моментів теорії ймовірностей. Результати. Вперше отримано спектральні розкладання рішення інтегрального рівняння Линдли для розглянутих систем, за допомогою яких виведені розрахункові вирази для середнього часу очікування в черзі в замкнутій формі. Висновки. Показано, що в системах з запізненням у часі середній час очікування менше, ніж в звичайних системах. Отримані розрахункові вирази для часу очікування розширюють і доповнюють відому незавершену формулу теорії масового обслуговування для середнього часу очікування для систем G/G/1. Такий підхід дозволяє розрахувати середній час очікування для зазначених систем в математичних пакетах для широкого діапазону зміни параметрів трафіку. Отримані результати з успіхом можуть бути застосовані в сучасній теорії телетрафіка, де затримки пакетів вхідного трафіку відіграють першорядну роль. Дані результати з успіхом можуть бути застосовані в сучасній теорії телетрафіка, де затримки пакетів вхідного трафіку відіграють першорядну роль. 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 часу очікування від його середнього значення, то джиттер можна буде визначити через дисперсію часу очікування.
Интервальный подход к определению градуировочных характеристик преобразователей информации
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Левин, В. И.; Левін, В. И.; Levin, V. I.
RU: Актуальность. При проектировании различных средств измерения возникает задача построения так называемой градуировочной характеристики измерительного прибора, т.е. количественной зависимости результата измерений от измеряемой величины. Эта характеристика является обратной по отношению к прямой характеристике – зависимости измеряемой величины от результата измерений. Эту задачу решают на основе приближенных данных, получаемых в ходе эксперимента с измерительным прибором. В работе предложен новый метод решения данной задачи, основанный на аппарате интервальной математики. Цель статьи. Целью работы является разработка полностью формализованного метода построения градуировочной характеристики измерительного прибора по приближенным данным, полученным в эксперименте с этим прибором. Метод. Предложенный в статье метод заключается в представлении функции прямого преобразования измерительного прибора в виде линейной интервальной функции, определении ее интервальных параметров (коэффициентов) по данным эксперимента и решении получившейся интервальной зависимости между результатом измерения и измеряемой величиной относительно измеряемой величины. Используется оригинальная методика решения интервальных уравнений. Результат. Получены общие формулы, определяющие аналитически интервальную градуировочную характеристику измерительного прибора на основе данных, полученных в эксперименте с прибором. Выполнен детальный математический анализ этих формул. Установлены общие законы, которым подчиняются прямая и обратная (градуировочная) характеристики измерительного прибора, а также зависимость между прямой и обратной характеристиками (в предположении, что измерительный прибор является линейным преобразователем). Выводы. Предложен новый подход к построению градуировочных характеристик измерительных приборов, основанный на использовании интервальной математики, для обработки данных экспериментов с приборами. Этот подход, в отличие от существующих, позволяет строить градуировочные характеристики измерительных приборов и анализировать их аналитически.. UK: Актуальність. При проектуванні різних засобів вимірювання виникає задача побудови так званої градуювальної характеристики вимірювального приладу, тобто кількісної залежності результату вимірювань від вимірюваної величини. Ця характеристика є зворотною по відношенню до прямої характеристиці – залежно вимірюваної величини від результату вимірів. Цю задачу вирішують на основі наближених даних, одержуваних в ході експерименту з вимірювальним приладом. У роботі запропоновано новий метод вирішення даного завдання, заснований на апараті інтервальної математики. Мета статтi. Метою роботи є розробка повністю формалізованого методу побудови градуювальної характеристики вимірювального приладу по наближеним даними, отриманим в експерименті з цим приладом. Метод. Запропонований у статті метод полягає в поданні функції прямого перетворення вимірювального приладу у вигляді лінійної інтервальної функції, визначенні її інтервальних параметрів (коефіцієнтів) за даними експерименту і вирішенні отриманої інтервальної залежності між результатом вимірювання і вимірюваною величиною щодо вимірюваної величини. Використовується оригінальна методика вирішення інтервальних рівнянь. Результат. Отримано загальні формули, що визначають аналітично iнтервальну градуювальну характеристику вимірювального приладу на основі даних, отриманих в експерименті з приладом. Виконано детальний математичний аналіз цих формул. Встановлено загальні закони, яким підкоряються пряма і зворотна (градуювальна) характеристики вимірювального приладу, а також залежність між прямою і зворотною характеристиками (в припущенні, що вимірювальний прилад є лінійним перетворювачем). Висновки. Запропоновано новий підхід до побудови градуювальних характеристик вимірювальних приладів, заснований на використанні інтервальної математики, для обробки даних експериментів з приладами. Цей підхід, на відміну від існуючих, дозволяє будувати градуювальні характеристики вимірювальних приладів і аналізувати їх аналітично. EN: Context. When designing various measuring instruments, the problem arises of constructing the so-called calibration characteristic of a measuring device, i.e. the quantitative dependence of the measurement result on the measured value. This characteristic is inverse to the direct characteristic – the dependence of the measured value on the measurement result. This problem is solved on the basis of approximate data obtained during the experiment with the measuring instrument. A new method for solving this problem is proposed, based on the apparatus of interval mathematics. Objective. The aim of the work is to develop a completely formalized method for constructing the calibration characteristic of a measuring instrument from approximate data obtained in the experiment with this instrument. Method. The method proposed in this article consists in presenting the function of direct con-version of a measuring device in the form of a linear interval function, determining its interval parameters (coefficients) from experimental data and solving the resulting interval dependence between the measurement result and the measured quantity with respect to the measured value. The method of solving interval equations is used. Result. General formulas are obtained that determine interval calibration characteristic of the measuring instrument on the basis of data obtained in the experiment with the instrument. A detailed analysis of formulas is performed. General laws are established that obey direct and inverse (calibration) characteristics of measuring instrument, as well as the relationship between direct and inverse characteristics (if the instrument is linear transformer). Conclusions. The article proposes a new approach to the construction of calibration characteristics of measuring instruments, based on use of interval mathematics, for processing data from experiments with instruments. This approach, unlike existing ones, makes it possible to build calibration characteristics of measuring devices and analyze them purely analytically.
Алгоритм визначення початкової точки при моделюванні за методом можливих напрямків
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Кряжич, О. О.; Трофимчук, О. М.; Коваленко, О. В.; Kryazhych, O. O.; Trofymchuk, O. M.; Kovalenko, O. V.
UK: Актуальність. Розглянута задача визначення початкової точки при виконанні методу можливих напрямків Дж. Зойтендейка, а саме: випадок, коли така точка може бути довільною або, взагалі, невідомою. Наведене дозволяє визначити подальший напрямок руху таким чином, що при мінімальній кількості точок дослідження отримати максимально точний результат. Рішення представленої задачі відноситься до опису складних поверхонь, які можуть бути представлені яружною функцією. Визначення початкової точки використовується в практиці моделювання розвитку екологічних ризиків при техногенному забрудненні складних пересічних територій. Мета. Метою даної роботи є вирішення задачі вибору початкової точки при використанні методу можливих напрямків для опису складної поверхні яружною функцією. Метод. В роботі використано метод Дж. Зойтендейка для вирішення задач чебишовського наближення. Результати. Представлений алгоритм визначення початкової точки для задачі з лінійними обмеженнями. Наведено підхід для вирішення складних задач представлення яружних функцій з мінімально можливою кількістю ітерацій. Результати математичного моделювання перевірені на практиці опису забрудненої території радіоізотопом водню – тритієм. Висновки. Запропонований підхід до визначення початкової точки при виконанні розрахунків з використанням методу можливих напрямків Дж. Зойтендейка, який дозволяє обрати точку, побудувати з неї вектор руху з заданим кроком і визначити за напрямком вектору другу точку для побудови наступного кроку. При цьому враховуються обмеження, зокрема – значення у кожній новій точці повинно бути виражене невід’ємним числом. Для наведених нормалізацій є ряд особливостей, які слід враховувати при розрахунках та побудові алгоритмів вирішення прикладних задач за запропонованим підходом. Так, деякі ітерації можуть призвести до більшого обсягу розрахунків та перетворень над кожною з ітерацій, проте кількість ітерацій менше у порівнянні з іншими типами ітерацій. Це залежить від розмірів задачі та кількості обмежень у кожному випадку. Наведене може бути використане при розробці методів, моделей та алгоритмів опису пересічених територій для вирішення задач візуалізації процесу та прогнозування техногенного забруднення. EN: Context. The problem of determining the starting point when of G. Zoutendijk’s method of possible directions is considered, namely the case where such a point can be arbitrary or even unknown. Presented in the article allows to determine the further direction of movement in such a way that with a minimum number of study points to obtain the most accurate result. The solution of the above problem relates to the description of complex surfaces that can be represented by a gully function. The definition of the starting point is used in the practice of modeling the development of environmental risks in technogenic pollution of intersections of territories. Objective. The solution of the problem of choosing the starting point when using the method of possible directions for describing complex surfaces ravine function. Method. The article uses the method of G. Zoutendijk for solving tasks Chebyshev’s approximation. Results. An algorithm for determining the starting point for a problem with linear constraints is introduced. An approach for solving complex tasks of representation of gully functions with the minimum possible number of iterations is presented. The results of mathematical modeling are tested in practice to solve the problem of description of the contaminated area by hydrogen’s radioisotope – tritium. Conclusions. An approach to determining the starting point in the calculations using the method of possible directions of G. Zoutendijk that allows you to select a point to build from it the motion vector with the specified step and to determine the direction of the second point to draw the next step. This takes into account the limitations, in particular – the values at each new point must be expressed in a non-negative number. For the given normalization, there are a number of features that should be taken into account in the calculation and construction of algorithms for solving applied problems according to the proposed approach. For example, some iterations can lead to more calculations and transformations on each iteration, but the number of iterations is smaller than other types of iterations. This depends on the size of the task and the number of constraints in each case. The presented approach can be used in the development of methods, models and algorithms for the description of rough terrain to solve the problems of visualization of the process of pollution by dangerous substances.
Economical dichotomous search for minimizing one-variable functions
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Kodnyanko, V. A.; Коднянко, В. А.
EN: Context. The hypothesis about computational redundancy of the dichotomy method used for conditional minimization of unimodal functions was formulated, and on this basis the idea of the possibility creating a more efficient method was suggested. Objective. The aim of the work is to develop a technique for eliminating computational redundancy of the dichotomy method and the creation numerical method of increased speed called the economical dichotomy method. The algorithm and program code implementing the method are also subjected to development. Method. The method is based on the unimodality property of the function being minimized, which, under certain conditions, allows to reduce the number of calculations of the function being optimized, which helps to increase the speed of the economical search. Results. The given results of the computational experiment showed that, according to speed, determined by the number of calculations of the minimized function, the economical method is not less than 1.5 times more efficient than the classical dichotomous search. This means that, on average, of the three calculations of the minimized function using the dichotomy method, one is redundant. Compared with the golden section search, which is the fastest method of the cut-off family, and the dichotomous search, in the average statistical terms, the economical method has approximately 1.3 and 1.7 times faster response, respectively. That is, the economical method works so many times faster than the golden section search, how many times the latter works faster than the classical dichotomous search. Conclusions. These findings make it possible to take a critical look at the well-established notion that the dichotomous search is the worst of the series methods for cutting off segments. Taking into account the obtained results, the economical method of dichotomy is noticeably superior in speed to the best of them – the golden section search and can reasonably claim to be a leader in this series of methods. UK: Актуальність. Висунута ідея усунення обчислювальної надмірності методу дихотомії, використовуваного для умовної мінімізації унімодальних функцій, та на її основі сформульовано похід до створення більш ефективного методу оптимізації функцій однієї змінної. Метою даної роботи є розробка методики усунення обчислювальної надмірності методу дихотомії і створення чисельного методу підвищеної швидкодії, названого методом економної дихотомії. Розробці підлягають алгоритм і програмний код, що реалізують метод. Метод. В основі методу лежить властивість унімодальне мінімізується, яке за певних умов дозволяє скоротити кількість обчислень оптимізується функції, що дозволяє підвищити швидкість економічного пошуку методом дихотомії. Результати. Наведені результати обчислювального експерименту показали, що за швидкодією, що визначається кількістю обчислень функції, що мінімізується, економічний метод не менш ніж в 1,5 рази ефективніше класичного методу дихотомії. Це означає, що в середньому з трьох обчислень мінімізованої функції з використанням методу дихотомії один є надмірною. У порівнянні з пошуком по методу золотого перетину, який є найшвидшим методом в сімействі методів відсікання відрізків, і методом дихотомії в середньостатистичному щодо економний метод дає приблизно в 1,3 і 1,7 рази швидший пошук, відповідно. Висновки. Отримані результати дозволяють висновок про те, що запропонований економний метод дихотомії може обгрунтовано претендувати на лідерство в сімействі методів відділення відрізків.
Application of R-functions method and smoothed particle hydrodynamics for fluid simulation
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Artiukh, A. V.; Kozyrenko, S. I.; Shabalin, O. O.; Lytvyn, I. R.; Артюх, А. В.; Козиренко, С. І.; Шабалін, О. О.; Литвин, І. Р.
EN: Context. Existing fluid simulation methods have several disadvantages and can be improved with the help of new approaches to the solution of problems of computational fluid dynamics, which confirms the relevance of the work. Objective. The goal of the work is to improve existing methods of mathematical modeling of fluid based on smoothed particle hydrodynamics and R-functions method. Method. A new approach of joint use of smoothed particle hydrodynamics, marching cubes and R-functions method is proposed. Smoothed particle hydrodynamics helps to simulate fluid movement in real time. The method considers fluid as a discrete number of sample points (particles), which have mass, velocity, position and physical field quantities (pressure, temperature, mass-density, etc.). The R-functions method allows to solve the inverse problem of analytic geometry: finding an analytical equation of a 2D (3D) object based on its geometrical representation. Using the obtained equation, one can simply detect a particle collision with the object boundary and plot the object surface with the help of marching cubes algorithm. The suggested method allows to achieve good simulation quality and to perform all needed calculations and rendering in real time. Results. Computational experiments for the problem of fluid simulation were carried out. Various numbers of particles were used. Different kinds of objects were put into the considered region in order to investigate the fluid behavior. Conclusions. The results of visual simulations allow us to say that the obtained approach works as expected. Therefore, this method can be applied to several problems of fluid simulation where the collision detection with arbitrary objects is considered. Further research may be devoted to the optimization of neighbor-search algorithm, to performing all calculations in graphics processing unit or to taking into account other physical quantities. UK: Актуальність. Існуючі методи моделювання рідини мають ряд недоліків та можуть бути вдосконалені за допомогою нових підходів до розв’язання задач обчислювальної гідродинаміки, що свідчить про актуальність роботи. Мета роботи. Метою роботи є вдосконалення існуючих методів математичного моделювання рідини на основі гідродинаміки згладжених частинок та методу R-функцій. Метод. Запропоновано новий підхід спільного використання гідродинаміки згладжених частинок та методу R-функцій. Гідродинаміка згладжених частинок дозволяє моделювати рух рідини в реальному часі. Метод розглядає рідину як дискретне число точок вибірки (частинок), які мають масу, швидкість, положення і величини фізичного поля (тиск, температура, щільність тощо). Метод R-функцій дозволяє розв’язати обернену задачу аналітичної геометрії: знайти аналітичне рівняння 2D (3D) об’єкту на основі його геометричного представлення. Використовуючи отримане рівняння об’єкту, можна просто виявити зіткнення частинок з межею цього об’єкту та побудувати поверхню об’єкту за допомогою алгоритму крокуючих кубиків. Запропонований спосіб дозволяє досягти гарної якості моделювання та виконати всі необхідні розрахунки та відображення в реальному часі. Результати. Обчислювальні експерименти були проведені для задачі моделювання рідини. Для моделювання використовувалась різна кількість частинок. Для вивчення поведінки рідини в розглянуту область були додані різні види об’єктів. Висновки. Результати візуального моделювання дозволяють стверджувати, що отриманий метод працює як і очікувалось. Цей метод може бути застосовано до різних задач моделювання рідини, де береться до уваги виявлення зіткнень з довільними об’єктами. Подальші дослідження можуть бути присвячені оптимізації алгоритму пошуку сусідів, виконанні всіх обчислень у графічному процесорі або врахуванню інших фізичних величин.
Оптимізація безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Ципоренко, В. В.; Ципоренко, В. Г.; Нікітчук, Т. М.; Tsyporenko, V. V.; Tsyporenko, V. G.; Nikitczuk, T. M.
UK: Актуальність. На сьогодні в автоматизованих системах радіомоніторинга пеленгування радіоелектронних засобів здійснюється в умовах складної електромагнітної обстановки, великої апріорної невизначеності щодо параметрів радіовипромінювань, а також в умовах реального масштабу часу реалізації. Перспективним напрямком для вказаних умов є використання широкосмугових кореляційно-інтерферометричних радіопеленгаторів із застосуванням цифрового оброблення комплексних спектрів прийнятої суміші радіовипромінювань. Мета. Метою статті є дослідження та оптимізація безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. Метод. В роботі виконано аналіз особливостей реалізації та точності дослідженого методу пеленгування, а також аналітична оптимізація безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. Результати. Визначено параметри, що входять до рівняння дисперсії похибки оцінки напрямку на джерело радіовипромінювання для безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу, що підлягають оптимізації. Показано, що основними параметрами, які доцільно оптимізувати, є величина рознесення між вибраними елементами антенної решітки, для просторових положень яких проводиться реконструювання комплексного аналітичного сигналу, та їх номера. Проведено теоретичну оптимізацію параметрів дослідженого методу, а також порівняно аналітичні розрахунки з результатами моделювання. В результаті моделювання отримано залежність методичної похибки оцінки пеленга та середньоквадратичної оцінки пеленга при дії нормального гаусівського шуму від значень оптимізованих параметрів. Висновки. Проведено теоретичну оптимізацію параметрів дослідженого методу і визначено, що доцільним є використання симетричного рознесення на 28 кроків 64-елементної антенної решітки для мінімізації дисперсії похибки оцінки напрямку на джерело радіовипромінювання і забезпечення максимальної точності пеленгування. EN: Context. At present, in automated radio monitoring systems, direction-finding of radio-electronic means is carried out under conditions of a complex electromagnetic environment, a large apriori uncertainty about the parameters of radio emissions, as well as real-time implementation. A promising direction for these conditions is the use of broadband correlation-interferometric radio direction finders using digital processing of the complex spectrum of the received mixture of radio emissions. Objective. The aim of the article is to study and optimize the direct digital method of correlation-interferometric direction finding with reconstruction of the spatial analytical signal. Method. The paper analyzes the features of the implementation and accuracy of the direction-finding method studied, as well as analytical optimization of the non-exploratory digital method of correlation-interferometric direction finding with reconstruction of the spatial analytical signal. Results. The parameters that are included in the dispersion equation for the error in estimating the direction to the radio source for the non-exploratory digital method of correlation-interferometric direction finding with reconstruction of the spatial analytical signal that are to be optimized are determined. It is shown that the main parameters that it is advisable to optimize are the separation distance between the selected elements of the antenna array, for the spatial positions of which the complex analytical signal is reconstructed, and their numbers. A theoretical optimization of the parameters of the studied method, as well as a comparative analysis of analytical calculations and simulation results were carried out. As a result of modeling, the dependence of the method error of the bearing estimate and of the average square estimate of the bearing under the action of normal Gaussian noise on the values of the optimized parameters was obtained. Conclusions. A theoretical optimization of the parameters of the studied method has been carried out and it has been determined that it is advisable to use the symmetric separation of the 64-element antenna array by 28 steps to minimize the variance of the error in estimating the direction to the radiation sourse and to ensure maximum accuracy of direction finding.
Повышение эффективности компенсации активной составляющей комбинированной помехи
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2019) Пиза, Дмитрий Макарович; Романенко, Сергей Николаевич; Семенов, Д. С.; Піза, Дмитро Макарович; Романенко, Сергій Миколайович; Семенов, Д. С.; Piza, D. M.; Romanenko, S. N.; Semenov, D. S.
RU: Актуальность. При одновременном воздействии активной шумовой и пассивной помехи последняя декоррелирует активную составляющую комбинированной помехи, что существенно ограничивает ее компенсацию. Кроме того, при воздействии активной помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности при сканировании разнесенной в пространстве антенной системы возникают межканальные задержки помеховых сигналов, что также приводит к ухудшению компенсации. Цель. Повышение эффективности компенсации активной составляющей комбинированной помехи, действующей по боковым лепесткам диаграммы направленности, при одновременном воздействии пассивной помехи. Метод. Усовершенствованный алгоритм обработки радиолокационных сигналов с прямым вычислением весового коэффициента адаптивного пространственного фильтра и согласованной фильтрацией сигналов основного и компенсационного каналов. При этом влияние пассивной помехи на процесс адаптации весовых коэффициентов пространственного фильтра устраняется использованием режекторных фильтров. Результаты. Разработана структурная схема усовершенствованного пространственного фильтра. Создана математическая модель. В процессе имитационного моделирования установлено, что предложенный алгоритм обработки радиолокационных сигналов в секторе боковых лепестков диаграммы направленности антенны [3º–30º] относительно главного луча обеспечил выигрыш в компенсации активной шумовой помехи, который составил от 6,0 до 6,4 дБ по сравнению с известной схемой адаптивного пространственного фильтра. Выводы. Научная новизна работы состоит в усовершенствовании алгоритма обработки радиолокационных сигналов путем прямого вычисления весового коэффициента пространственного фильтра с использованием режекторных фильтров и согласованной фильтрации сигналов основного и компенсационного каналов. Практическая новизна состоит в создании структурной схемы и математической модели усовершенствованного адаптивного пространственного фильтра. Результаты имитационного моделирования подтвердили достаточно высокую эффективность предложенного алгоритма обработки радиолокационного сигнала. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании или модернизации РЛС различного назначения. UK: Актуальність. При одночасному впливі активної шумової та пасивної завади остання декорелює активну складову комбінованої завади, що істотно обмежує її компенсацію. Крім того, при впливі активної завади по бічних пелюстках діаграми спрямованості при скануванні рознесеної в просторі антенної системи виникають міжканальні затримки завадових сигналів, що також призводить до погіршення компенсації. Мета. Підвищення ефективності компенсації активної складової комбінованої завади, що діє по бічних пелюстках діаг-рами спрямованості, при одночасному впливі пасивної завади. Метод. Вдосконалений алгоритм обробки радіолокаційних сигналів з прямим обчисленням вагового коефіцієнта адап-тивного просторового фільтра і узгодженої фільтрацією сигналів основного і компенсаційного каналів. При цьому вплив пасивної завади на процес адаптації вагових коефіцієнтів просторового фільтра усувається використанням режекторних фільтрів. Результати. Розроблено структурну схему вдосконаленого просторового фільтра. Створено математичну модель. В про-цесі імітаційного моделювання встановлено, що запропонований алгоритм обробки радіолокаційних сигналів в секторі бічних пелюсток діаграми спрямованості антени [3º–30º] відносно головного променя забезпечив виграш в компенсації активної шумової завади, який склав від 6,0 до 6,4 дБ в порівнянні з відомою схемою адаптивного просторового фільтра. Висновки. Наукова новизна роботи полягає u1074 в удосконаленні алгоритму обробки радіолокаційних сигналів шляхом прямого обчислення вагового коефіцієнта просторового фільтра з використанням режекторних фільтрів і узгодженої фільтрації сигналів основного і компенсаційного каналів. Практична новизна полягає в створенні структурної схеми і математичної моделі вдосконаленого адаптивного просторового фільтра. Результати імітаційного моделювання підтвердили досить високу ефективність запропонованого алгоритму обробки радіолокаційного сигналу. Отримані результати можуть бути використані при проектуванні або модернізації РЛС різного призначення. EN: Context. Under simultaneous actions of the active noise and passive interference, the latter de-correlates the active component of the combined interference, which significantly limits its compensation. In addition, when the active interference acts on the side lobes of the antenna pattern when scanning a spaced-apart antenna system, inter-channel delays of interfering signals occur, which also leads to the degradation of compensation. Objective. Improving the efficiency of compensation of the active component of the combined interference acting on the side lobes of the radiation pattern under simultaneous effect of the passive interference. Method. An improved algorithm for processing radar signals with direct calculation of the weight factor of the adaptive spatial filter and matched filtering of the signals of the main and compensation channels. The effect of passive interference on the process of adapting the weight factor of the spatial filter is eliminated using notch filters. Results. A block diagram of an improved spatial filter has been developed. A mathematical model has been created. In the process of simulation, it was found that the proposed algorithm for processing radar signals in the side-lobe sector of the antenna pattern [3°–30°] relative to the main beam provided a gain in the compensation of active noise interference of about 6.0 to 6.4 dB as compared to the known adaptive spatial filter circuit. Conclusions. The scientific novelty of the work is in improving of the algorithm for processing radar signals by parallel calculation of the weight factor of the spatial filter using notch filters and matched filtering of the signals of the main and compensation channels. The practical novelty consists of creating a structural scheme and a mathematical model of an improved adaptive spatial filter. The simulation results confirmed the relatively high efficiency of the proposed radar signal-processing algorithm. The results obtained can be used in the design or modernization of radars for various purposes.

Browse

Recent Submissions