Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2020, №4 (55)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27340

Browse

Now showing 1 - 19 of 19

Improving the accuracy of automatic control with mathematical meter model in on-board controller
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Zinchenko, S. M.; Mateichuk, V. M.; Nosov, P. S.; Popovych, I. S.; Appazov, E. S.; Зінченко, С. М.; Матейчук, В. М.; Носов, П. С.; Попович, І. С.; Аппазов, Е. С.
EN: Context. The article discusses the issues of increasing the accuracy of automatic control of a moving object using a mathematical model of a meter and a device observing measurement errors in the on-board controller of the control system. The object of the research is the processes of automatic control of a moving object with a mathematical model of a meter and a device observing measurement errors in the on-board controller of the control system. The subject of the research is a method and algorithms for increasing the accuracy of automatic control of a moving object with a mathematical model of a meter and a device observing measurement errors in the on-board controller of the control system. Objective. The aim of research is an improving the accuracy of automatic control of a moving object. Method. This aim is achieved through the use in the on-board controller of the control system of the mathematical meter model and the observing device built on its basis, the estimation of the useful component and the systematic error, depending on the motion parameters of the controlled object, using only the useful component for control, without systematic error. Results. A method and algorithms for increasing the control accuracy of a moving object through the use in the on-board controller of a mathematical meter model and an observer of systematic measurement errors, built on its basis, have been developed. The efficiency and effectiveness of the developed method and algorithms were confirmed by mathematical modeling in the MATLAB environment of the control processes of a moving object in a closed circuit with a control system. Conclusions. The results of mathematical modeling confirmed the operability and efficiency of the proposed method and algorithms and allow them to be used for practical purposes in the development of mathematical support for high – precision automatic control systems. UK: Актуальність. У статті розглянуті питання підвищення точності автоматичного керування рухомим об’єктом з використанням математичної моделі вимірювача та спостерігаючого за похибками вимірювання пристрою у бортовому контролері системи керування. Об’єктом дослідження є процеси автоматичного керування рухомим об’єктом з математичною моделлю вимірювача та спостерігаючого за похибками вимірювання пристрою у бортовому контролері системи керування. Предметом дослідження є метод і алгоритми підвищення точності автоматичного керування рухомим об’єктом з математичною моделлю вимірювача та спостерігаючого за похибками вимірювання пристрою у бортовому контролері системи керування. Мета. Метою дослідження є підвищення точності автоматичного керування рухомим об’єктом. Метод. Дана мета досягається за рахунок використання у бортовому контролері системи керування математичної моделі вимірювача і спостерігаю чого пристрою, побудованого на її основі, оцінки корисної складової і систематичної похибки вимірювання, що залежить від параметрів руху об’єкта керування, використання для керування тільки корисної складової без систематичної помилки вимірювання. Результати. Розроблено метод і алгоритми підвищення точності автоматичного керування рухомим об’єктом за рахунок використання у бортовому контролері системи керування математичної моделі вимірювача і спостерігаючого пристрою, побудованого на її основі. Працездатність та ефективність розробленого методу і алгоритмів перевірені математичним моделюванням у середовищі MATLAB процесів керування рухомим об’єктом у замкнутій схемі із системою керування. Висновки. Результати математичного моделювання підтверджують працездатність і ефективність запропонованого методу та алгоритмів і дозволяють рекомендувати їх для практичного застосування при розробці математичного забезпечення високоточних систем автоматичного керування рухом.
Optimal stabilization algorithm for production line flow parameters
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Pihnastyi, O. M.; Khodusov, V. D.; Kazak, V. Yu.; Пігнастий, О. М.; Ходусов, В. Д.; Казак, В.Ю.
EN: Context. A method for constructing an algorithm for stabilizing the interoperability of a production line is considered. The object of the study was a model of a multi-operational production line. Objective. The goal of the work is to develop a method for constructing an optimal algorithm for stabilizing the flow parameters of a production line, which provides asymptotic stability of the state of flow parameters for a given quality of the process. Method. A method for constructing an algorithm for stabilizing the level of interoperative backlogs of a multi-operational production line is proposed. The stabilization algorithm is based on a two-moment PDE-model of the production line, which made it possible to represent the production line in the form of a complex dynamic distributed system. This representation made it possible to define the stabilizing control in the form of a function that depends not only on time but also on the coordinates characterizing the location of technological equipment along the production line. The use of the method of Lyapunov functions made it possible to synthesize the optimal stabilizing control of the state of interoperation backlogs at technological operations of the production line, which ensures the asymptotic stability of the given unperturbed state of the flow parameters of the production line at the lowest cost of technological resources spent on the formation of the control action. The requirement for the best quality of the transition process from a disturbed state to an unperturbed state is expressed by the quality integral, which depends both on the magnitude of the disturbances that have arisen and on the magnitude of the stabilizing controls aimed at eliminating these disturbances. Results. On the basis of the developed method for constructing an algorithm for stabilizing the state of flow parameters of a production line, an algorithm for stabilizing the value of interoperation backlogs at technological operations of a production line is synthesized. Conclusions. The use of the method of Lyapunov functions in the synthesis of optimal stabilizing control of the flow parameters of the production line makes it possible to provide asymptotic damping of the arising disturbances of the flow parameters with the least cost of technological resources spent on the formation of the control action. It is shown that in the problem of stabilizing the state of interoperative backlogs, the stabilizing value of the control is proportional to the value of the arising disturbance. The proportionality coefficient is determined through the coefficients of the quality integral and the Lyapunov function. The prospect of further research is the development of a method for constructing an algorithm for stabilizing the productivity of technological operations of a production line. UK: Актуальність. Розглянуто метод побудови алгоритму стабілізації меж-операційних заділів виробничої лінії. Об’єктом дослідження була модель виробничої багато-операційної потокової лінії. Мета роботи. Метою роботи є розробка методу побудови оптимального алгоритму стабілізації потокових параметрів виробничої лінії, при якому забезпечується асимптотична стійкість стану потокових параметрів при заданому якості процесу ліквідації виниклих збурень.. Метод.. Запропоновано метод побудови алгоритму стабілізації рівня міжопераційних заділів багатоопераційної виробничої лінії В основу побудови алгоритму стабілізація покладена двох моментная PDE-модель виробничої лінії, що дозволило представити виробничу лінію у вигляді складної динамічної розподіленої системи. Таке уявлення дало можливість визначити стабілізуючий управління у вигляді функції, яка залежить не тільки від часу, але і координати, що характеризує місце розташування технологічного обладнання уздовж виробничої лінії. Використання методу функцій Ляпунова дозволило синтезувати оптимальне стабілізуючий управління станом меж-операційних заділів на технологічних операціях виробничої лінії, яка забезпечує асимптотичну стійкість заданого невозмущенного стану потокових параметрів виробничої лінії при найменших витратах технологічних ресурсів, що витрачаються на формування керуючого впливу. Вимога про найкращій якості перехідного процесу від обуреного стану до незбурених виражено інтегралом якості, який залежить як від величини виникли збурень, так і від величини стабілізуючих управлінь, націлених на ліквідацію даних збурень. Результати. На основі розробленого методу побудови алгоритму стабілізації стану потокових параметрів виробничої лінії синтезований алгоритм стабілізації величини меж-операційних заділів на технологічних операціях виробничої лінії. Висновки. Використання методу функцій Ляпунова при синтезі оптимального стабілізуючого управління потоковими параметрами виробничої лінії дозволяє забезпечити асимптотическое загасання виникають збурень потокових параметрів при найменших витратах технологічних ресурсів, що витрачаються на формування керуючого впливу. Показано, що в задачі стабілізації стану міжопераційних заділів стабілізуючий управління по величині пропорційно величині виникає обурення. Коефіцієнт пропорційності визначається через коефіцієнти інтеграла якості і функції Ляпунова. Перспективою подальших досліджень є розробка методу побудови алгоритму стабілізації продуктивності технологічних операцій виробничої лінії
Інформаційно-екстремальне ієрархічне навчання системи керування протезом кісті руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Довбиш, А. С.; П’ятаченко, В. Ю.; Симоновський, Ю. В.; Шкуропат, О. А.; Dovbysh, A. S.; Piatachenko, V. Y.; Simonovskiy, J. V.; Shkuropat, O. A.
UK: Актуальність. Розв’язана актуальна задача інформаційного синтезу здатної навчатися системи керування протезом кісті руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів. Мета роботи – підвищення функціональної ефективності системи керування протезом кісті руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів на основі машинного навчання, що дозволяє при функціонуванні системи в робочому режимі розпізнавати з високою достовірністю і оперативністю когнітивні команди користувача протезу. Метод. У рамках інформаційно-екстремальної інтелектуальної технології (ІЕІ-технології) аналізу даних, яка базується на максимізації інформаційної спроможності системи розпізнавання в процесі машинного навчання, запропоновано метод інформаційного синтезу інтелектуальної системи керування протезом кісті руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів. На відміну від існуючих методів інтелектуального аналізу даних метод інформаційно-екстремального машинного навчання розроблено в рамках функціонального підходу до моделювання когнітивних процесів, притаманних людині при формування та прийняття класифікаційних рішень. Такий підхід дозволяє наділити систему керування протезом властивостями адаптивності до довільних початкових умов формування когнітивних команд і перенавчання при розширенні словника ознак та алфавіту класів розпізнавання. Крім того, вирішальні правила, побудовані за отриманими в процесі машинного навчання геометричними параметрами гіперсферичних контейнерів класів розпізнавання є практично інваріантними до багато вимірності простору ознак розпізнавання. На основі запропонованої категорійної моделі розроблено алгоритм машинного навчання з оптимізацією ієрархічної структури даних. При цьому досліджено вплив на функціональну ефективність машинного навчання структур даних, побудованих у вигляді дихотомічного і декурсивного дерев. Як критерій оптимізації параметрів машинного навчання використовується модифікація інформаційної міри Кульбака, яка є функціоналом точнісних характеристик рішень, що приймаються. Результати. Побудовані в процесі ієрархічного інформаційно-екстремального машинного навчання вирішальні правила дозволяють розпізнавати в реальному темпі часу когнітивні команди з достатньо високою повною ймовірністю прийняття правильних класифікаційних рішень. За результатами фізичного моделювання доведено, що при використанні ієрархічної структури даних у вигляді декурсивного дерева функціональна ефективність машинного навчання збільшується у порівнянні із структурою даних у вигляді дихотомічного бінарного дерева. Висновки. Експериментально підтверджено достатньо високу функціональну ефективність запропонованого методу інформаційно-екстремального машинного навчання системи керування протезом кісті руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів. Отримані наукові результати відкривають новий напрям створення інтелектуальних протезів руки з неінвазивною системою зчитування біосигналів на основі машинного навчання та розпізнавання образів EN: Context. The actual problem of the information synthesis of learning and control systems for the prosthesis of the hand with a non-invasive system for reading biosignals has been solved. Objective. The goal of the work is to increase the functional efficiency of the control system for the prosthesis of the hand with a non-invasive system for reading biosignals based on machine learning, which allows the system to operate in the operating mode to recognize the cognitive commands of the user of the prosthesis with high reliability and efficiency. Method. Within the framework of informational and extreme intellectual technology (IEI technology) of data analysis based on maximizing the informational ability of a recognition system in machine learning, a method of informational synthesis of an intelligent control system for a prosthetic hand with a non-invasive biosignal reading system is proposed. In contrast to the existing methods of data mining, the method of information-extremal machine learning was developed as part of a functional approach to modeling the cognitive processes inherent in humans in the formation and adoption of classification decisions. This approach makes it possible to endow the prosthesis management system with adaptability properties to arbitrary initial conditions for the formation of cognitive teams and retraining while expanding the vocabulary of signs and the alphabet of recognition classes. In addition, the decision rules based on the geometric parameters of hyperspherical containers of recognition classes obtained during machine learning are almost invariant to the multidimensionality of the recognition feature space. Based on the proposed category model, a machine learning algorithm has been developed with optimization of the hierarchical data structure. At the same time, the influence on the functional efficiency of machine learning of data structures constructed in the form of dichotomous and decursion trees was studied. As a criterion for optimizing machine learning parameters, a modification of the informational Kullback measure is used, which is a functional of the accuracy characteristics of classification decisions. Results. According to the experimental data obtained from the electromyographic sensor, an input structured learning matrix for the alphabet with four recognition classes is formed. The decision rules constructed in the process of hierarchical informational and extreme machine learning make it possible to recognize cognitive teams in real time with a rather high total probability of making correct classifying decisions. The results of physical modeling proved that when using a hierarchical data structure in the form of a decursive tree, the functional efficiency of machine learning increases in comparison with the data structure in the form of a dichotomous binary tree. Conclusions. The results of physical modeling confirmed a sufficiently high functional efficiency of the proposed method of information-extreme machine learning for the control system of the prosthesis of the wrist with a non-invasive system for reading biosignals. The obtained scientific results open up a new direction in the creation of intellectual prostheses of the hand with a non-invasive
Algorithms and software suite for reliability assessment of complex technical systems
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Yakovyna, V. S.; Seniv, M. M.; Symets, I. I.; Sambir, N. B.; Яковина, В. С.; Сенів, М. М.; Симець, І. І.; Самбір, Н. Б.
EN: Context. One of the most essential properties of technical systems is their reliability, i.e. the ability of the system to perform intended functions, preserving with time the values of operation indicators within the predefined boundaries. The failure cost for modern complex technical system can be very high, which can result in events of different severity ranging from economic losses to harm to human life and health. Hence, the requirements for their reliability constantly increase. The reliability assessment of complex technical systems can be simplified by the combination of analytical research methods with computational capabilities of modern computers. The most widely used analytical methods are based on the theory of Markov processes which in turn provide the possibility to determine the time dependencies of probabilities of the system to be in defined states (operating, recovering, failure etc.), and thus the values and time dependencies of the reliability indices needed. These methods can be successfully used for the reliability analysis of different kinds of technical systems: both non-recovered and recovered; non-redundant and redundant of different redundancy types, maintenance priorities etc. However, the application of these methods for complex technical systems containing large number of elements meets the high dimensional calculation problem, which makes it impossible to perform these tasks manually. Hence the problem of automation of complex technical system reliability modeling using modern computational systems is very relevant research topic. To solve this problem, one can use specific algorithmic and software techniques described in this paper. Objective. The goal of this article is to develop the algorithms for automated RBD processing and reliability indices assessment of complex technical systems along with the software suite for automated reliability assessment. Method. To perform the reliability analysis the RBD approach is used which allows one to represent and visualize each element of the system in the form of a rectangle, joined by the lines in parallel or in series with other elements of the system. To obtain the reliability indices values the mathematical model of technical system reliability behavior using Markovian random process was suggested. The algorithm of RBD processing and automatic determination of operability conditions of a technical system was further considered. To calculate the minimum and maximum number of operational and failure states for the system of n elements and r recoveries the paper introduces a mathematical model based on combinatorial approach. To develop the software suite the object-oriented approach was used. Results. The algorithms and software suite allows us to easily construct RBD for a technical system, to automatically determine the operability condition with execution time of about 10 sec for 1,000 elements with mixed type of connection, to form automatically a state-and-transition matrix along with the corresponding differential equation system and solve it with total execution time of about 35 sec for 109 states and, thus to obtain the numerical values of reliability indices for the technical system studied. A case study of the reliability assessment for the system consisting of 22 elements using RBD shows that the total time of software execution is 36.712 sec. During executing of this test case the most time (35.168 sec) was spent for execution of the algorithm for construction of a state-and-transition graph consisting of 52,694 states. Conclusions. The algorithms and methods for automated reliability indices assessment of complex technical systems based on RBD approach, as well as model for estimating the number of total and working system states are presented. The modular structure of the developed software suite makes it flexible and gives an opportunity to add and make modifications of modules fast and without significant program changes. UK: Актуальність. Однією з найважливіших властивостей технічних систем є їх надійність, тобто здатність системи виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення експлуатаційних показників в заданих межах. Вартість відмови для сучасних складних технічних систем може бути дуже високою, що може призвести до подій різного ступеня тяжкості, починаючи від економічних збитків і закінчуючи шкодою для здоров’ю і життя людей. Отже, вимоги до їх надійності постійно зростають. Процес оцінки надійності складних технічних систем можна спростити поєднанням аналітичних методів дослідження з обчислювальними можливостями сучасних комп’ютерів. Найпоширеніші аналітичні методи базуються на теорії марковських процесів, яка в свою чергу дають можливість визначити часові залежності ймовірностей перебування системи у визначених станах (працездатності, відновлення, відмови), а отже, значення і часові залежності необхідних показників надійності. Ці методи можуть бути використані для аналізу надійності технічних систем різного типу: невідновлюваних та відновлюваних; резервованих та нерезервованих з різним видом резервування чи типом обслуговування та ін. Однак застосування цих методів для складних технічних систем, що містять велику кількість елементів вимагає виконання великої кількості розрахунків, що унеможливлює виконання цих завдань вручну. Отже, проблема автоматизації моделювання надійності складної технічної системи з використанням сучасних обчислювальних систем є дуже актуальною темою дослідження. Для вирішення цієї проблеми можна використовувати конкретні алгоритмічні та програмні прийоми, описані в цій роботі. Мета. Метою даної статті є розробка алгоритмів автоматизованої обробки структурних схем надійності (ССН) та оцінки показників надійності складних технічних систем поряд із набором програм для автоматизованої оцінки надійності. Метод. Для проведення аналізу надійності використовується підхід ССН, який дозволяє представляти та візуалізувати кожен елемент системи у вигляді прямокутника, з’єднаного лініями паралельно або послідовно з іншими елементами системи. Для отримання значень показників надійності запропоновано математичну модель поведінки надійності технічної системи з використанням випадкового марковського процесу. Далі розглянуто алгоритм обробки ССН та автоматичного визначення умови працездатності технічної системи. Для розрахунку мінімальної та максимальної кількості робочих станів та станів відмов для системи з n елементів та r відновлення в роботі вводиться математична модель, заснована на комбінаторному підході. Для розробки програмного комплексу був використаний об’єктно-орієнтований підхід. Результати. Набір алгоритмів та програмного забезпечення дозволяє нам легко побудувати ССН для технічної системи, автоматично визначити стан працездатності з часом виконання близько 10 сек. для 1000 елементів із змішаним типом з’єднання, автоматично сформувати матрицю станів та переходів разом із відповідною системою диференціальних рівнянь та вирішити її із загальним часом виконання близько 35 сек. для 109 станів і, таким чином, отримати числові значення показників надійності для досліджуваної технічної системи. Дослідження оцінки надійності для системи, що складається з 22 елементів із використанням ССН, показує, що загальний час виконання програмної реалізації становить 36,712 сек. Під час виконання цього тестового випадку найбільше часу (35,168 сек.) було витрачено на роботу алгоритму побудови графа станів та переходів, що складається з 52 694 станів. Висновки. Представлені алгоритми та методи автоматизованої оцінки показників надійності складних технічних систем на основі підходу ССН, а також модель для визначення кількості станів системи(також включає визначення працездатних станів і станів відмови). Модульна структура розробленого набору програм робить його гнучким та дає можливість додавати та вносити модифікації модулів швидко та без значних змін програми.
ERP-system risk assessment methods and models
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Kozhukhivskyi, A. D.; Kozhukhivska, O. A.; Кожухівський, А. Д.; Кожухівська, О. А.
EN: Context. Because assessing information security risks is a complex and complete uncertainty process, and non-appearance is a major factor influencing the effectiveness of the assessment, is advisable use vague methods and models that are adaptive to non-computed data. The formation of vague assessments of risk factors is subjective, and risk assessment depends on the practical results obtained in the process of processing the risks of threats that have already arisen during the functioning of the organization and experience of information security professionals. Objective. The object of the study are neural models that combine methods of fuzzy logic and artificial neural net-works and systems, that is, human-like style considerations of fuzzy systems with training and simulation of mental phi novena of neural networks. Method. The paper analyzes modern areas of research in the field of information protection in information systems, methods and technologies of information security risk Assessments, use of vague models to solve problems of information security risk assessment, as well as concept and con-struction of ERP systems and analyze problems of their security and vulnerability. Results. Identified factors influencing risk assessment suggest the use of linguistic variables to describe them and use fuzzy variables to assess their qualities, as well as a system of qualitative assessments. The choice of parameters for the development of the structure of a fuzzy product model of risk assessment and the basis of the rules of fuzzy logical conclusion justified. Conclusions. A vague risk assessment model of ERP systems is considered. You have selected a list of factors that affect information security risk. The methods of assessment of risks of information resources and ERP-systems in general, assessment of financial losses from the implementation of threats, determination of the type of risk according to its assessment for the formation of recommendations for their processing in order to maintain the level of protection of the ERP-system are considered. The list of linguistic variable models is considered. The structure of the database of fuzzy product rules – MISO-structure is selected. Fuzzy variable models are considered. UK: Актуальність. Оскільки оцінка ризиків інформаційної безпеки є складним і повним невизначеності процесом, а невизначеності є основним фактором, що впливає на ефективність оцінки, доцільно використовувати нечіткі методи та моделі, що є адаптивними до нечислових даних. Формування нечітких оцінок факторів ризиків носять суб’єктивний характер, а оцінка ризику залежить від практичних результатів, отриманих у процесі обробки ризиків загроз, що вже виникали у процесі функціонування організації та досвіду фахівців з інформаційної безпеки. Мета роботи – дослідження нейронечітких моделей, що комбінують методи нечіткої логіки та штучних нейронних мереж і систем, тобто людиноподібного стилю міркувань нечітких систем з навчанням та моделюванням розумових явищ нейронних мереж. Метод. У роботі оглянуто сучасні напрямки досліджень в сфері захисту інформації в інформаційних системах, методи та технології оцінювання ризиків інформаційної безпеки, використання нечітких моделей для вирішення задач оцінки ризиків інформаційної безпеки, а також концепцію та побудову ERP-систем та проаналізовано проблеми їх безпеки та вразливості. Результати. Визначено фактори, що впливають на оцінку ризиків, запропоновано використання лінгвістичних змінних для їх опису та використання нечітких змінних для оцінки їх якостей, а також системи якісних оцінок. Обґрунтовано вибір параметрів для розробки структури нечіткої продукційної моделі оцінювання ризиків та бази правил нечіткого логічного висновку. Висновки. Розглянуто нечітку модель оцінки ризику ERP-систем. Вибрано список факторів, що впливають на ризик інформаційної безпеки. Розглянуто методи оцінки ризиків інформаційних ресурсів та ERP-систем загалом, оцінки фінансових втрат від реалізації загроз, визначення виду ризику за його оцінкою для формування рекомендацій щодо їх обробки з метою підтримання рівня захисту ЕРП-системи. Розглянутий перелік лінгвістичних змінних моделей. Вибрано структуру бази даних нечітких правил продукту – МІСО-структура. Розглядаються нечіткі змінні моделі.
Conception and application of dependable internet of things based systems
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Illiashenko, О. О.; Kolisnyk, М. А.; Strielkina, А. E.; Kotsiuba, І. V.; Kharchenko, V. S.; Ілляшенко, О. О.; Колісник, М. О.; Стрєлкіна, А. А.; Коцюба, І. В.; Харченко, В. С.
EN: Context. The problem is in the design, development, maintenance and commisioning of interoperable dependable systems using on the Internet of Things based on von Neumann paradigm of “building reliable systems from unreliable components” for dependable service-oriented systems and infrastructures. Objective. The goals of the paper are in the development of concepts and principles and assessment technologies for creation and maintenance of complex critical systems based on Internet of Things (IoT) as well as implementation of research in various domains. Method. In the paper the concept of development of dependable systems on the basis of the Internet of things is described. The multisectoral analysis of methods and models of reliability and cybersecurity (dependability) evaluation of information and control systems of critical applications using the Internet of things has been performed for different domains: power, healthcare, industrial, etc. The analysis has shown that some software failures and malfunctions, cyberattacks and consequences of influence of attacks are identical for all domains, but there are specific features for each domain, which are necessary to consider at working out of methodology of maintenance of denepdability of reliability of systems of critical applications using the Internet of things. Results. The developed conception, methods, tools and technologies for the creation and implementation of dependable information & control systems for critical applications based on the Internet of Things. Conclusions. The paper proposes a conception that includes a set of scientific and applied tasks for the development of methods, tools and technologies for the creation and implementation of dependable information & analytical and information & control systems for critical applications based on the Internet of Things. The prospects for further research may include the detailing of the developed models, methods and technologies to ensure the dependability of complex information & control systems for critical applications based on the Internet of Things. UK: Актуальність. Проблема проектування, розробки, обслуговування та введення в експлуатацію гарантоздатних систем, побудованих з використанням інтернету речей на основі парадигми фон Неймана про «створення надійних систем з ненадійних компонентів» для надійних сервіс-орієнтованих систем та інфраструктур. Метод. В статті запропоновано концепцію побудови ґарантоздатних систем на основі інтернету речей, проведений мультисекторальний аналіз методів і моделей оцінки надійності та кібербезпеки (ґарантоздатності) інформаційно-керуючих системи критичного застосування на основі інтернету речей для різних доменів: енергетичного, медичного, індустріального та ін. Аналіз показав, що деякі відмови і збої технічних засобів і програмного забезпечення, кібератаки і післядія впливу атак однакові для всіх доменів, але існують специфічні особливості для кожного домену, які необхідно враховувати при розробці методології забезпечення ґарантоздатності інформаційно-керуючих системи критичного застосування на основі інтернету речей. Результати. Розроблена концепція, методи, засоби та технології створення та впровадження гарантоздатних інформаційно-керуючих систем критичного застосування на основі інтернету речей. Висновки. У статті запропоновано концепцію, яка включає набір наукових та прикладних завдань щодо розробки методів, засобів та технологій для створення та впровадження гарантоздатних інформаційно-аналітичних та інформаційно-керуючих систем критичного застосування на основі інтернету речей. Перспективи подальших досліджень можуть включати деталізацію розроблених моделей, методів та технологій для забезпечення надійності складних інформаційно-керуючих систем критичного застосування на основі інтернету речей.
Method of defining free places in video content for imposition typhlocomments
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Demchuk, A. B.; Lozynska, O. V.; Демчук, А. Б.; Лозинська, О. В.
EN: Context. The problem of accessibility of video content is one of the most pressing problem for people with visual impairments. To solve this problem, the methods and means of construction, editing and adaptation of video content for visually impaired persons are development. Objective. The goal of the work is to develop the method of searching silent areas in the scale for the imposition of typhlocomments and improve the search modules in the software-algorithmic complex of adaptation of video content for visually impaired persons. Method. The method of searching for places that free from dialogues and other important sounds in video content is implemented. These places of video content are used for inserting typhlocomments. The algorithms of scanning and filtration modules for arrays and searching places available for the imposition of the typhlocomments are developed. This will allow for additional smoothing of the spectrum. Smoothing runs in the forward direction, then in reverse. After calculating the correlation of these two smoothed arrays, we see that almost all the short signals are deleted. For the useful signal, the values that smoothed in the forward and reverse direction overlap and therefore remain in the array. Next, the correlation between the smoothed arrays is compared with the set threshold, and if it does not match the set value, then this element of the array is 0. As a result of the algorithm, we have a list of places. For each item in the list, the beginning of the silence place and its length are specified. Results. On the basis of the developed method of finding places to insert typhlocomments and improved modules, the testing of software-algorithmic complex was performed in standard configuration, and with the additional smoothing module. The first version of the software-algorithmic complex gave the next result: 120 useful pauses. Version with the additional module found 140 useful pauses. Conclusions. The results of the experiment make it possible to evaluate the developed method and improved modules of scanning, filtration and smoothing. These modules giving a significant gain of results (about 13%), searching for the places for the imposition of typhlocomments, which improves the adapted video content for people with visual impairments. UK: Актуальність. Проблема доступності відеоконтенту є однією з найактуальніших проблем для людей із вадами зору. Для вирішення цієї проблеми, розроблено методи та засоби побудови, редагування та адаптації відеоконтенту для осіб з вадами зору. Мета роботи. Метою роботи є розроблення методу пошуку вільних від діалогів ділянок у звукоряді для вставки тифлокоментарів та вдосконалення модулів пошуку цих ділянок у програмно-алгоритмічному комплексі адаптації відеоконтенту для осіб з вадами зору. Метод. Реалізовано метод пошуку вільних від діалогів та інших важливих звуків місць у відеоконтенті. Ці знайдені ділянки відеоконтенту використовуються для вставки тифлокоментарів. Розроблено алгоритми модулів сканування та фільтрації масивів та пошуку у них ділянок, доступних для накладання тифлокоментарів. Це дало змогу провести додаткове згладжування спектру. Виконується згладжування в прямому напрямку, далі у зворотньому. Розрахувавши кореляцію цих двох згладжених масивів ми побачимо, що короткі сигнали практично всі видаляються, а для корисного сигналу, згладжені в прямому і протилежному напрямку значення перекриваються, і тому залишаються в масиві. Далі кореляція між згладженими масивами порівнюється з встановленим порогом, і якщо він не відповідає встановленому значенню, то цей елемент масиву дорівнює 0. В результаті роботи алгоритму отримано список ділянок для вставки тифлокоментарів. Для кожного елемента списку задається початок ділянки тиші та її довжина. Результати. На основі розробленого методу пошуку місць для вставки тифлокоментарів та вдосконалених модулів, було проведено тестування програмно-алгоритмічного комплексу у стандартній комплектації, та з модулем додаткового згладжування. Перша версія програмно-алгоритмічного комплексу дала результат у 120 корисних пауз. Версія з додатковим модулем – 140 корисних пауз. Висновки. Результати експерименту дають змогу оцінити, що розроблений метод та вдосконалені модулі сканування, фільтрації масивів та згладжування, дають суттєвий приріст результатів (близько 13%) пошуку ділянок для накладання тифлокоментарів, що у свою чергу покращує створюваний адаптований відеоконтент для осіб з порушеннями зору.
Хэширование на основе полярных координат для сокращения размерности данных
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Субботин, Сергей Александрович; Субботін, Сергій Олександрович; Subbotin, S. A.
RU: Актуальность. Для сокращения размерности данных в задачах распознавания и диагностирования на основе хэширования возникает необходимость сокращение временных затрат на формирование хэширующего преобразования. Цель. Цель работы – уменьшение временных затрат на сокращение размерности данных путем создания метода хэширования, не требующего решения оптимизационной задачи поиска наилучшего случайного преобразования, а также уменьшение потерь локальных свойств признакового пространства. Метод. Предложен метод формирования хэша, который переводит координаты экземпляров из исходной системы признаков в многомерную полярную систему координат, на основе которых, дискретизируя полярные координаты, с помощью эвристик различным способами кодирует и комбинирует значения дискретизированных полярных координат, формируя хэши экземпляров, из которых в качестве результирующего преобразования выбирает наилучшее в системе заданных критериев на основе минимизации числа коллизий, при которых экземпляры разных классов и разными значениями исходных признаков, получают одинаковые хэши. Это позволяет автоматизировать формирование хэширующих преобразований, исключить необходимость решения оптимизационных задач перебора случайных проекций, обеспечив сокращение затрат времени, а также делает хэширующее преобразование более свободным от навязывания данным разбиения признакового пространства, неприсущей им природы, что позволяет повысить обобщающие свойства и точность преобразований. Предложены критерии оценивания качества хэширующих преобразований, включающие определение числа позитивных и негативных коллизий, а также оценивания на их основе вероятностей соответствующих коллизий. Это позволяет автоматизировать анализ и выбор хэширующих преобразований для сокращения размерности данных в задачах распознавания и диагностирования. Результаты. Проведено экспериментальное исследование, подтвердившее работоспособность предложенных методов при решении практических задач. Выводы. Разработанное математическое обеспечение может быть рекомендовано для решения задач сокращения размерности данных. UK: Актуальність. Для скорочення розмірності даних в задачах розпізнавання та діагностування на основі гешування виникає необхідність скорочення витрат часу на формування гешувального перетворення. Мета. Мета роботи – зменшення витрат часу на скорочення розмірності даних шляхом створення методу гешування, що не потребує вирішення оптимізаційної задачі пошуку найкращого випадкового перетворення, а також зменшення втрат локальних властивостей простору ознак. Метод. Запропоновано метод формування гешу, який переводить координати екземплярів з вихідної системи ознак у багатовимірну полярну систему координат, на основі яких, дискретизуючи полярні координати, за допомогою евристик різним способами кодує і комбінує значення дискретизованих полярних координат, формуючи геші екземплярів, з яких в якості результуючого перетворення вибирає найкраще у системі заданих критеріїв на основі мінімізації кількості колізій, при яких екземпляри різних класів і різних значеннях вихідних ознак, отримують однакові геши. Це дозволяє автоматизувати формування гешувальних перетворень, виключити необхідність вирішення оптимізаційних задач перебору випадкових проекцій, забезпечивши скорочення витрат часу, а також робить гешувальне перетворення більш вільним від нав'язування даним розбиття простору ознак, непритаманної їм природи, що дозволяє підвищити узагальнюючі властивості і точність перетворень. Запропоновано критерії оцінювання якості гешувальних перетворень, що містять визначення кількостей позитивних і негативних колізій, а також оцінювання на їхній основі ймовірностей відповідних колізій. Це дозволяє автоматизувати аналіз і вибір гешувальних перетворень для скорочення розмірності даних в задачах розпізнавання та діагностування. Результати. Проведено експериментальне дослідження, яке підтвердило працездатність запропонованих методів при вирішенні практичних завдань. Висновки. Розроблене математичне забезпечення може бути рекомендовано для вирішення завдань скорочення раз-мірності даних. EN: Context. To reduce the data dimensionality of in recognition and diagnostics problems based on hashing, it becomes necessary to reduce the time spent on generating a hashing transformation. Objective. The purpose of the work is to reduce the time spent on reducing the dimension of data by creating a hashing method that does not require solving the optimization problem of finding the best random transformation, as well as reducing the loss of local properties of the feature space. Method. A hash generation method is proposed. It converts the instance coordinates from the original feature system into a multidimensional polar coordinate system, on which basis discretize polar coordinates using heuristics, in various ways encodes and combines the values of the discretized polar coordinates, forming hashes of instances, from which as the resulting transformation selects the best one in the system of given criteria based on minimizing the number of collisions in which instances of different classes and different values of the original features receive the same hashes. This makes possible to automate the formation of hashing transformations, eliminate the need to solve optimization problems of enumerating random projections, ensuring a reduction in time consumption, and also makes the hashing transformation freer from imposing the data on the partitioning of the feature space, of a non-inherent nature, which allows increase the generalizing properties and accuracy of transformations. Criteria for evaluating the quality of hashing transformations are proposed, including determining the number of positive and negative collisions, as well as evaluating the probabilities of the corresponding collisions on their basis. This makes it possible to automate the analysis and selection of hashing transformations to reduce the dimension of the data in the problems of recognition and diagnosis. Results. An experimental study has been carried out, which has confirmed the efficiency of the proposed methods in solving practical problems. Conclusions. The developed mathematical support can be recommended for solving problems of data dimension reduction.
Limited method for the case of algorithmic classification tree
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Povhan, I. F.; Повхан, І. Ф.
EN: Context. The general problem of constructing the algorithmic recognition (classification) trees on the basis of a limited method in the artificial intelligence theory has been considered. The object of the present study is a concept of classification tree (a limited method-based algorithmic classification tree). The relevant methods, algorithms and schemes (a limited method) of constructing the algorithmic classification trees are the subject of this study. Objective. The goal of this work is to develop a simple and efficient limited method of constructing the tree-like recognition and classification models on the basis of the algorithmic classification trees for training selection of a large-volume discrete information that is characterized by a structure of classification trees obtained from independent recognition algorithms assessed in accordance with their general efficiency calculation functional for a wide class of applied tasks. Method. A limited method of constructing the algorithmic classification tree is suggested that constructs a tree-like structure for the preset initial training selection (an ACT model) consisting of a set of autonomous classification/recognition algorithms assessed at each ACT construction step (stage) in accordance with the initial classification. In other words, the limited method of constructing the algorithmic classification tree is suggested, and its idea is a step-by-step approximation of the arbitrary volume/structure selection by a set of independent classification/recognition algorithms. This method provides formation of a current algorithmic tree vertex (node, the generalized ACT attribute) with the selection of the most efficient (high-quality) autonomous classification algorithms from the initial set and construction completion of only those ACT structure paths, where the largest number of classification errors occurs. Such approach at constructing the resultant classification tree (the ACT model) allows the tree size and complexity (i.e. the total number of transitions, structure vertices and layers) to be reduced considerably, the quality of the next analysis (interpretability) and the possibility of decomposition to be increased as well as the ACT structures to be built given the limited hardware resources. The above limited method of constructing the algorithmic classification tree enables one to construct diverse tree-like recognition models with a preset accuracy for a wide class of the artificial intelligence theory tasks. Results. The limited method of constructing the algorithmic classification tree developed and presented in this work has software realization and was investigated and compared to the logical classification tree methods (on the basis of elementary attribute set selection) and the algorithmic tree classification methods (first and second-type ones) when solving the task of real geological data recognition. Conclusions. The experiments carried out in the present work have proved the performance capabilities of the software suggested and demonstrate the possibility of its promising utilization for the solution of a wide spectrum of applied recognition/classification problems. The outlook of further studies and approbations may be related to the creation of methods of other-type algorithmic classification trees that introduce a stopping criterion for the procedure of a tree model in accordance with the structure depth, optimization of its software realizations and to the experimental studies of this method for a wider circle of practical tasks. UK: Актуальність. Розглянута загальна задача побудови алгоритмічних дерев розпізнавання (класифікації) на основі обмеженого методу в теорії штучного інтелекту. Об’єктом даного дослідження є концепція дерева класифікації (алгоритмічного дерева класифікації на базі обмеженого методу). Предметом дослідження є актуальні методи, алгоритми та схеми (обмежений метод) побудови алгоритмічних дерев класифікації. Мета. Метою даної роботи є створення простого та ефективного обмеженого методу побудови деревоподібних моделей розпізнавання та класифікації на основі алгоритмічних дерев класифікації для навчальних вибірок дискретної інформації великого об’єму – який характеризується структурою отриманих дерев класифікації з незалежних алгоритмів розпізнавання оцінених на основі функціоналу розрахунку їх загальної ефективності для широкого класу прикладних задач. Метод. Пропонується обмежений метод побудови алгоритмічних дерев класифікації, який для заданої початкової навчальної вибірки довільного розміру будує деревоподібну структуру (модель АДК), яка складається з набору автономних алгоритмів класифікації та розпізнавання оцінених на кожному кроці (етапі) побудови АДК за даною початковою вибіркою. Тобто пропонується обмежений метод побудови алгоритмічного дерева класифікації основна ідея якого полягає в по кроковій апроксимації начальної вибірки довільного об’єму та структури набором незалежних алгоритмів класифікації та розпізнавання. Даний метод при формуванні поточної вершини алгоритмічного дерева (вузла, узагальненої ознаки АДК) забезпечує виділення найбільш ефективних (якісних) автономних алгоритмів класифікації з початкового набору та добудову лише тих шляхів в структурі АДК де відбувається найбільша кількість помилок класифікації. Такий підхід при побудові результуючого дерева класифікації (моделі АДК) дозволяє значно скоротити розмір та складність дерева (загальну кількість переходів, вершин та ярусів структури) підвищити якість його наступного аналізу (інтерпретабельність), можливість декомпозиції, та будувати структури АДК в умовах обмежених апаратних ресурсів. Запропонований обмежений метод побудови алгоритмічного дерева класифікації дозволяє будувати різнотипні деревоподібні моделі розпізнавання з наперед заданою точністю для широкого класу задач теорії штучного інтелекту. Результати. Розроблений та представлений в даній роботі обмежений метод алгоритмічного дерева класифікації отримав програмну реалізацію та був досліджений і порівняний з методами логічних дерев класифікації (на основі селекції набору елементарних ознак), методами алгоритмічного дерева класифікації (першого та другого типу) при розв’язку задачі розпізнавання реальних даних геологічного типу. Висновки. Проведені в даній роботі експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення та показують можливість його перспективного використання для розв’язку широкого спектру практичних задач розпізнавання та класифікації. Перспективи подальших досліджень та апробацій можуть полягати в створенні методів алгоритмічного дерева класифікації інших типів, які полягають в веденні критерію зупинки процедури побудови моделі дерева за глибиною структури, оптимізації його програмних реалізацій, а також експериментальних дослідженнях даного методу на більш широке коло практичних задач.
Multitopic text clustering and cluster labeling using contextualized word embeddings
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Ostapiuk, Z. V.; Korotyeyeva, T. O.; Остапюк, З. В.; Коротєєва, Т. О.
EN: Context. In the current information era, the problem of analyzing large volumes of unlabeled textual data and its further grouping with respect to the semantic similarity between texts is emerging. This raises the need for robust text analysis algorithms, namely, clustering and extraction of key data from texts. Despite recent progress in the field of natural language processing, new neural methods lack interpretability when used for unsupervised tasks, whereas traditional distributed semantics and word counting techniques tend to disregard contextual information. Objective. The objective of the study is to develop an interpretable text clustering and cluster labeling methods with respect to the semantic similarity that require no additional training on the user’s dataset. Method. To approach the task of text clustering, we incorporate deep contextualized word embeddings and analyze their evolution through layers of pretrained transformer models. Given word embeddings, we look for similar tokens across all corpus and form topics that are present in multiple sentences. We merge topics so that sentences that share many topics are assigned to one cluster. One sentence can contain a few topics, it can be present in more then one cluster simultaneously. Similarly, to generate labels for the existing cluster, we use token embeddings to order them based on how much they are descriptive of the cluster. To do so, we propose a novel metric – token rank measure and evaluate two other metrics. Results. A new unsupervised text clustering approach was described and implemented. It is capable of assigning a text to different clusters based on semantic similarity to other texts in the group. A keyword extraction approach was developed and applied in both text clustering and cluster labeling tasks. Obtained clusters are annotated and can be interpreted through the terms that formed the clusters. Conclusions. Evaluation on different datasets demonstrated applicability, relevance, and interpretability of the obtained results. The advantages and possible improvements to the proposed methods were described. Recommendations for using methods were provided, as well as possible modifications. UK: Актуальність. У сучасній інформаційній ері все частіше виникає проблема аналізу великих обсягів текстових даних та їх групування із урахуванням семантичної схожості. Як результат, збільшується необхідність в надійних алгоритмах аналізу тексту, а саме – для кластеризації та виокремлення ключових слів із текстових даних. Незважаючи на недавній прогрес у галузі опрацювання мови, результати нових нейронних методів складно інтерпретувати при використанні для завдання кластеризації, тоді як традиційні методи розподіленої семантики та підрахунку слів, як правило, не враховують контекстну інформацію. Метою роботи є розробити методи кластеризації тексту, результати яких можна легко інтерпретувати, та анотації кластерів із врахуванням семантичної подібності, які не потребують додаткового навчання на наборах даних користувача. Метод. Щоб вирішити завдання кластеризації тексту, ми використовуємо контекстуалізовані слова-вектори та аналізуємо їх еволюцію між шарами попередньо натренованих моделей трансформерів. Ми шукаємо схожі лексеми у всьому корпусі за допомогою слів-векторів та формуємо теми, які можуть бути присутні у кількох реченнях. Ми об’єднуємо теми так, що речення, які поділяють багато тем, присвоюються одному кластеру. Оскільки одне речення може містити декілька тем, воно може бути присутнім у кількох кластерах одночасно. Аналогічно, для створення анотацій для існуючого кластера ми використовуємо слова-вектори, щоб упорядкувати слова залежно від того, наскільки добре вони описують кластер. Для цього ми пропонуємо нову міру відповідності кластеру – ранг слова. Результати. Описано та реалізовано новий підхід кластеризації тексту. Він здатний віднести один текст до одного та більше кластерів на основі семантичної подібності з іншими текстами групи. Розроблено та застосовано підхід до виокремлення ключових слів як для кластеризації тексту, так і для завдання анотації кластерів. Отримані кластери анотовані та можуть бути інтерпретовані через терміни, з яких сформовані відповідні теми. Висновки. Оцінка на різних наборах даних продемонструвала застосовність, відповідність та легкість інтерпретації отриманих результатів. Описано переваги та можливості вдосконалення запропонованих методів. Були надані рекомендації щодо використання методів, а також можливі їх модифікації.
Класифікація зображень на підставі ансамблю статистичних розподілів за класами еталонів для компонентів структурного опису
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Гороховатський, В. О.; Гадецька, С. В.; Стяглик, Н. І.; Власенко, Н. В.; Gorokhovatsky, V. A.; Gadetska, S. V.; Stiahlyk, N. I.; Vlasenko, N. V.
UK: Актуальність. Сучасні системи комп’ютерного зору потребують дієвих класифікаційних рішень на підґрунті поглибленого аналізу природи оброблюваних даних. Статистичні розподіли є на сьогодні першорядним засобом аналізу у системах розпізнавання образів. У випадку, якщо опис розпізнаваного об’єкту подано чималою множиною векторів, статистичний апарат стає фундаментальним способом ефективного прийняття рішення про клас розпізнаваного об’єкту. Це викликає необхідність застосування універсального апарату розподілів у загальному виді для системи багатовимірних дескрипторів опису за встановленими класами даних, що визначаються заданою базою еталонів. Класифікатор створює або організовує нову просторову структуру векторів із елементів аналізованого об’єкту, яка загалом має деяку оцінювану подібність до структури чи складу елементів еталону, а класифікація здійснюється шляхом оптимізації міри цієї подібності на множині еталонів. Ймовірнісна модель породження даних виступає ключовим практичним підходом до формалізації задачі навчання класифікатора, суть якої полягає у встановленні статистичних розподілів об’єктів чи їх складових з наступною процедурою агрегації компонентних рішень та подальшої оптимізації у середовищі класів. Цінним представляється також вивчення та застосування критеріїв оцінювання ефективності у задачі класифікації, що ґрунтується на статистичних засадах. Мета роботи. Розроблення методу результативної класифікації зображень шляхом впровадження ансамблевих статистичних рішень для складу компонентів опису. Метод. Запропоновано спосіб класифікації зображень на основі побудови узагальненого рішення ансамблю компонент, для яких попередньо обчислюються статистичні розподіли за класами даних. Результати. Здійснено синтез методу класифікації шляхом застосування ансамблевого рішення компонентів опису. Підтверджено працездатність і ефективність розробленого класифікатора. На прикладах застосування методу для синтезованих даних із використанням традиційних критеріїв експериментально оцінена його результативність. Висновки. Досліджені способи побудови класифікатора зображень засновані на ансамблі часткових рішень даних статистичного аналізу для складових структурного опису у вигляді множини дескрипторів ключових точок. Статистичний підхід забезпечує виявлення пріоритетного класифікаційного рішення для компонентів опису, за множиною яких формується результуюче рішення ансамблю. Наукову новизну дослідження складає розроблення методу класифікації зображень на підставі ансамблю рішень компонентів опису, що засновані на їх статистичних розподілах за класами даних. Практична значущість роботи полягає у підтвердженні працездатності та результативності запропонованих методів на демонстраційних прикладах. EN: Context. Modern computer vision systems require effective classification solutions based on in-depth analysis of the nature of the data being processed. Statistical distributions are currently the primary means of analysis in image recognition systems. If the description of the recognized object is given by a large number of vectors, the statistical apparatus becomes a fundamental way to effectively decide on the class of the recognized object. This requires the use of a universal distribution apparatus in general for a system of multidimensional descriptions for established classes of data, defined by a given database of etalons. The classifier creates or organizes a new spatial structure of vectors from the elements of the analyzed object, which generally has some estimated similarity to the structure or composition of the etalon elements, and the classification is done by optimizing the degree of this similarity on the set of etalons. The probabilistic model of data generation is a key practical approach to formalizing the task of classifier training, the essence of which is to establish statistical distributions of objects or their components, followed by the procedure of aggregation of component solutions and further optimization in the environment of etalon classes. It is also valuable to study and apply criteria for evaluating the effectiveness in classification problem based on statistical principles. Objective. Development of a method of effective classification of images by introduction of ensemble statistical decisions for structure of components of the description. Method. A method for classifying images based on the construction of a generalized solution of an ensemble of components for which statistical distributions by data classes are preliminarily calculated is proposed. Results. The synthesis of the classification method by applying the ensemble solution of the components of the description is carried out. The efficiency and effectiveness of the developed classifier are confirmed. On the examples of application of the method for synthesized data using traditional criteria, its effectiveness was experimentally evaluated. Conclusions. The investigated methods of constructing an image classifier are based on an ensemble of partial solutions of statistical analysis data for the components of the structural description in the form of a set of key point descriptors. The statistical approach provides identification of the priority classification decision for components of the description on which set the resulting decision of ensemble is formed. The scientific novelty of the study is the development of image classification method based on an ensemble of solutions of the component description, based on their statistical distributions by data classes. The practical significance of the work lies in confirming the efficiency and effectiveness of the proposed methods on demonstration examples.
Teletraffic model based on HE2/H2/1 systems with ordinary and with shifted input distributions
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Tarasov, V. N.; Bakhareva, N. F.; Тарасов, В. Н.; Бахарева, Н. Ф.
EN: Context. The problem of deriving a solution for the average waiting time in a closed form queue for an ordinary system with second-order hyper-Erlang and hyperexponential input distributions and a system with shifted hyper-Erlang and hyperexponential input distributions is considered. Objective. Obtaining a solution for the main characteristic of the system – the average waiting time for requirements in the queue for a queuing system of type G/G/1 with conventional and shifted second-order hyper-Erlang and hyperexponential input distributions. Method. To solve this problem, we used the classical method of spectral decomposition of the solution of the Lindley integral equation, which allows us to obtain a solution for the average waiting time for the systems in question in a closed form. The spectral decomposition method for solving the Lindley integral equation occupies an important part of the theory of G/G/1 systems. 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 decompositions of the solution of the Lindley integral equation for both systems were obtained, with the help of which calculation formulas for the average waiting time in the queue for the above systems in closed form are derived. This approach allows you to calculate the average waiting time for these systems in mathematical packages for a wide range of traffic parameters. All other system characteristics are derived from the average waiting time. Conclusions. It is shown that the hypererlang second-order distribution law, as well as the hyperexponential one, which is three-parameter, can be determined by both the first two moments and the first three moments. The choice of this law of probability distribution is because its coefficient of variation covers a wider range than for hyperexponential distribution. For shifted hypererlang and hyperexponential distribution laws, the coefficients of variation decrease and cover an even wider range than for conventional distributions. The introduction of time-shifted distributions expands the scope of QS taking into account the well-known fact from the queuing theory that the average waiting time is associated with the coefficients of variation of the intervals of arrivals and the service time by a quadratic dependence. The spectral decomposition method for solving the Lindley integral equation for a queuing system with second-order hyper-Erlang and hyperexponential input distributions allows us to obtain a solution in a closed form and this solution is published for the first time. The resulting solution complements and extends the well-known queuing theory formula for the average queue waiting time for queuing systems of type G/G/1. UK: Актуальність. Розглянуто задачу виведення рішення для середнього часу очікування в черзі у замкнутій формі для звичайної системи з гіперерлангівськими і гіперекспонеційними вхідними розподілами другого порядку і системи зі зсунутими г гіперерлангівськими і гіперекспонеційними вхідними розподілами. Мета роботи. Отримання рішення для основної характеристики системи – середнього часу очікування вимог у черзі для двох систем масового обслуговування типу G/G/1. 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 у 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 спектральне розкладання рішення інтегрального рівняння Линдли для двох систем, за допомогою якого виведено розрахунковий вираз для середнього часу очікування в черзі у замкнутій формі. Такий підхід дозволяє розрахувати середній час очікування для зазначених систем у математичних пакетах для широкого діапазону зміни параметрів трафіку. Усі інші характеристики систем є похідними від середнього часу очікування. Висновки. Показано, що гіперерлангівський закон розподілу другого порядку, як і гіперекспонеційний є трипараметричним, може визначатися як двома першими моментами, так і трьома першими моментами. Вибір такого закону розподілу ймовірностей обумовлений тим, що його коефіцієнт варіації охоплює більш широкий діапазон, ніж у гіперекспонеційнего розподілу. Для зсунутих гіперерлангівського і гіперекспонеційнего законів розподілів коефіцієнти варіацій зменшуються і охоплюють ще більш широкий діапазон, ніж у звичайних розподілів. Введення зсунутих в часі розподілів розширює сферу застосування систем масового обслуговування з урахуванням відомого факту з теорії масового обслуговування, що середній час очікування пов'язаний з коефіцієнтами варіацій інтервалів надходжень і часу обслуговування квадратичною залежністю. Метод спектрального розкладання рішення інтегрального рівняння Ліндли для системи масового обслуговування з гіперерлангівськими і гіперекспонеційними вхідними розподілами другого порядку дозволяє отримати рішення в замкнутій формі і це рішення публікується вперше. Отримане рішення доповнює і розширює відому формулу теорії масового обслуговування для середнього часу очікування вимог в черзі для системи масового обслуговування типу G/G/1.
Cubature formula for approximate calculation integral of highly oscillating function of tree variables (irregular case)
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Nechuiviter, O. P.; Нечуйвітер, О. П.
EN: Context. The integrals of highly oscillating functions of many variables are one of the central concepts of digital signal and image processing. The object of research is a digital processing of signals and images using new information operators. Objective. The work aims to construct a cubature formula for the approximate calculation of the triple integral of a rapidly oscillating function of a general form. Method. Modern methods of digital signal processing are characterized by new approaches to obtaining, processing and analyzing information. There is a need to build mathematical models in which information can be given not only by the values of the function at points, but also as a set of traces of the function on the planes and as a set of traces of the function on the lines. There are algorithms which are optimal by accuracy for calculating the integrals of highly oscillating functions of many variables (regular case), which involve different types of information in their construction. As a solution of a broader problem for the irregular case, the work presents the cubature formula for the approximate calculation of the triple integral of the highly oscillating function in a general case. The presented algorithm for approximate calculation of the integral is based on the application of operators that restore the function of three variables using a set of traces of functions on the mutually perpendicular planes. Operators use piece-wise splines as auxiliary functions. The cubature formula correlates with a formula of the Filon type. An error estimation of the approximation of the integral from the highly oscillating function by the cubature formula on the class of differential functions is obtained. Results. The cubature formula of the approximate calculation of the triple integral from the highly oscillating function of a general form is researched. Conclusions. The experiments confirm the obtained theoretical results on the error estimation of the approximation triple integral from the highly oscillating function in a general form by the cubature formula. The prospect of further research is to obtain an estimation of the approximation error on wider classes of functions and to prove that the proposed cubature formula is optimal by the order of accuracy. UK: Актуальність. Інтеграли від швидкоосцилюючих функцій багатьох змінних є одним з центральних понять цифрової обробки сигналів та зображень. Об’єктом дослідження є цифрова обробки сигналів та зображень з використанням нових інформаційних операторів. Мета роботи – побудова кубатурної формули наближеного обчислення потрійного інтегралу від швидкоосцилюючої функції загального виду. Інформація про функції задається наборами слідів функцій на площинах. Метод. Сучасні методи цифрової обробки сигналів характеризуються новими підходами до отримання, обробки та аналізу інформації. Є необхідність будувати математичні моделі, в яких інформація може задаватися не тільки значеннями функції в точках, а і як сукупність слідів функції на площинах, як набір слідів функції на лініях. Існують оптимальні за точністю алгоритми обчислення інтегралів від швидкоосцилюючих функцій багатьох змінних (регулярний випадок), які в своїй побудові передбачають різні типи задання інформації. Як розв’язання більш широкої задачі для нерегулярного випадку в роботі представлено кубатурну формулу наближеного обчислення потрійного інтегралу від швидкоосцилюючої функції у загальному виді. Представлений алгоритм наближеного обчислення інтегралу базується на використанні операторів, які відновлюють функцію трьох змінних з використанням набору слідів функцій на взаємоперпендикулярних площинах. Оператори використовують в якості допоміжних функцій кусково-сталі сплайни. Кубатурна формула відноситься до формул типу Файлона. Отримана оцінка похибки наближення інтегралу від швидкоосцилюючої функції кубатурною формулою на класі диференційовних функцій. Результати. Досліджена кубатурна формула наближеного обчислення потрійного інтегралу від швидкоосцилюючої функції загального виду. Висновки. Проведені експерименти підтвердили отримані теоретичні результати щодо оцінки похибки наближення потрійного інтегралу від швидкоосцилюючої функції загального виду кубатурною формулою. Перспективою подальших досліджень є отримання оцінки похибки наближення на більш широких класах функцій. А також довести, що запропонована кубатурна формула є оптимальною за порядком точності.
Метод побудови планів багатофакторних експериментів з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Кошовий, М. Д.; Дергачов, В. А.; Павлик, Г. В.; Заболотний, О. В.; Кошова, І. І.; Костенко, О. М.; Koshevoy, N. D.; Dergachov, V. A.; Pavlyk, H. V.; Zabolotnyi, O. V.; Koshevaya, I. I.; Kostenko, Е. М.
UK: Актуальність. Вирішено актуальну задачу розробки методу побудови планів багатофакторних експериментів (БФЕ) з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами. Мета роботи: розробка методу та засобів синтезу планів багатофакторних експериментів з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами. Методи. Застосування методів планування експериментів дає можливість зменшити вартісні (часові) витрати при дослідженні різноманітних технологічних процесів, пристроїв та систем. Мінімізація кількості змін рівнів факторів при побудові планів багатофакторних експериментів також призводить до зменшення вартості (часу) на їх реалізацію. Запропонований раніше метод побудови планів багатофакторних експериментів, оснований на застосуванні коду Грея, дає можливість мінімізувати в них кількість змін рівнів факторів. Але ці плани не завжди являються мінімальними за вартісними (часовими) витратами. В зв’язку з цим виникає задача розробки методу та засобів побудови планів багатофакторних експериментів з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами. Суть запропонованого методу полягає в наступному: генерування перестановок з мінімальним числом транспозицій сусідніх елементів; для кожного отриманого плану визначається кількість змін рівнів факторів шляхом розрахунку відстані по Хеммінгу для сусідніх пар двійкових слів; запис плану з мінімальною кількістю змін рівнів факторів в множину D; аналіз двійкових кодів, що входять у множину D, серед яких присутні коди, отримані з коду Грея шляхом Е, Н та (Е, Н) перетворень; пошук серед множини модифікованих кодів Грея G (Е, Н) таких, що відповідають оптимальним за вартісними (часовими) витратами планам експерименту. Результати. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод побудови планів з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами. Програмне забезпечення може синтезувати оптимальні плани експериментів для дослідження об’єктів з кількістю факторів k ≤ 4. Висновки. Проведені комп’ютерні експерименти направлені на побудову оптимальних планів для дослідження таких об’єктів як технологічний процес виготовлення деталей гарячим штампуванням та слідкуюча система підтвердили працездатність та ефективність розробленого методу та програмного забезпечення, що його реалізує. Наукову новизну роботи становить метод, що дозволяє синтезувати плани багатофакторних експериментів з мінімальною кількістю змін рівнів факторів та оптимальних за вартісними (часовими) витратами. Практична значимість результатів роботи в тому, що розроблене програмне забезпечення може знайти широке застосування при дослідженні технологічних процесів, пристроїв та систем, на яких можлива реалізація активного експерименту. EN: Context. Relevant task of developing the method of plans building for multifactorial experiments was solved with minimal number of factor levels measurements and optimal by cost (time) expenses. Objective. To develop method and means of synthesis the plans of multifactorial experiment with minimal number of factor levels measurements and optimal by cost (time) expenses. Methods. Methods of experiment planning gives possibility to reduce cost (time) expenses when researching different technological processes, devices and systems. Quantity of factor levels measurements minimization during the process of building the plans of multifactorial experiments also leads to cost (time) reduction on their implementation. Suggested earlier method of building the plans of multifactorial experiments, based on Grey code application, provides a possibility to minimize number of factor levels measurements. But such plans are not always optimal in relation to cost (time) expenses. That’s why the task appears to develop a method and means of synthesis the plans of multifactorial experiment with minimal number of factor levels measurements and optimal by cost (time) expenses. Essence of a suggested method consists of: generation of permutations with minimal number of transpositions for neighbor elements; number of factor level variations is determined for each obtained plan by calculating the distance after Hamming for neighbor pairs of binary words; recording the plan with minimal number of factor levels measurements into set D; analysis of binary codes that enter set D, among which codes, received form Grey code by E, H and (E, H) transformations are present; searching among modified Grey codes G(E, H) such codes, that are optimal by cost (time) expenses. Results. Software which performs the suggested method of building the plans with minimal number of factor levels measurements and optimal by cost (time) expenses was developed. Software allows to synthesize optimal plans of experiment with k = 3,…, 4 number of factors. Conclusions. Computer experiments, that were carried out to build optimal plans to research such an objects as production of pieces by hot press forming technological process and a tracking system proved workability and effectiveness both of the developed method and software for its performance. Scientific novelty is represented by method, that allows to synthesize plans of multifactorial experiments with minimal number of factor levels measurements and optimal by cost (time) expenses. Practical importance of the results is that developed software can find wide application for technological processes, devices and systems researching, if it is possible to implement active experiment.
Fast rational interpolation of transfer functions of linear dynamic systems with distributed parameters
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Kodnyanko, V. A.; Коднянко, В. А.
EN: Contex. Fast method of rational interpolation of the transfer function of linear dynamical systems with distributed parameters is described, the values of which can be found by numerical methods or by calculating the transcendental functions of the Laplace integral transform variable. The method makes it possible to determine explicitly the transfer function and, in particular, the characteristic equation of such a degree, which is sufficient to meet the accuracy requirements when calculating the root quality criteria for the dynamics of automatic control systems. Objective. According to the proposed method, rational interpolation is reduced to solving a system of linear equations, the order of which is much lower (more than twice) the order of similar systems used for rational interpolation of functions by known methods. The properties of this system are such that its solution can be obtained by special fast methods of the quadratic order of complexity. Method. An iterative algorithm for calculating the transfer function coefficients of a linear dynamic system with distributed parameters is carried out using the methods of complex variable functions theory using the discrete Laplace transform. The proposed approach made it possible to significantly speed up the calculations by decomposing the system of linear equations with respect to the coefficients of the transfer function to a system of approximately half the order, which allows a quick solution by the methods of Trench, Berlekamp-Massey, or Euclid. Results. An example of the practical use of an iterative algorithm for rational interpolation and calculation with a given accuracy of the root quality criteria for the dynamics of a support with gas lubrication is considered. Conclusions. The method allows to define explicitly the characteristic equation of such a degree, which is sufficient to meet the accuracy requirements when calculating the root quality criteria for the dynamics of automatic control systems. Rational interpolation is reduced to solving a system of linear equations, the order of which is much lower (more than twice) the order of similar systems used for rational interpolation of functions by known methods. The properties of the system are such that its solution can be obtained by special fast methods of the quadratic order of complexity. UK: Актуальність. Викладається швидкий метод раціональної інтерполяції передавальної функції лінійних динамічних систем з розподіленими параметрами, значення якої можуть бути знайдені чисельними методами або розрахунком трансцендентних функцій змінної інтегрального перетворення Лапласа. Метод дозволяє визначити в явному вигляді передавальну функцію і, зокрема, характеристичне рівняння такої міри, яка достатня для задоволення вимог точності при розрахунку кореневих критеріїв якості динаміки систем автоматичного управління. Мета. Відповідно до запропонованого методу раціональна інтерполяція зводиться до вирішення системи лінійних рівнянь, порядок якої значно нижче (більш ніж удвічі) порядку аналогічних систем, що застосовуються для раціональної інтерполяції функцій відомими методами. Властивості цієї системи є такими, що її рішення може бути отримано спеціальними швидкими методами квадратичного порядку складності. Метод. Ітераційний алгоритм розрахунку коефіцієнтів передавальної функції лінійної динамічної системи з розподіленими параметрами проведено з використанням методів теорії функцій комплексної змінної з використанням дискретного перетворення Лапласа. Запропонований підхід дозволив значно прискорити розрахунки за допомогою декомпозиції системи лінійних рівнянь щодо коефіцієнтів передавальної функції до системи приблизно вдвічі меншого порядку, яка допускає швидке рішення методами Тренча, Берлекампа-Мессі або Евкліда. Результати. Розглянуто приклад практичного використання ітераційного алгоритму раціональної інтерполяції і обчислення із заданою точністю кореневих критеріїв якості динаміки опори з газової мастилом. Висновки. Метод дозволяє явно визначити характеристичне рівняння такої міри, яка достатня для виконання вимог точності при обчисленні кореневих критеріїв якості динаміки систем автоматичного управління. Раціональна інтерполяція зводиться до вирішення системи лінійних рівнянь, порядок якої набагато нижче (більш ніж в два рази) порядку аналогічних систем, використовуваних для раціональної інтерполяції функцій відомими методами. Властивості системи такі, що її рішення може бути отримано спеціальними швидкими методами квадратичного порядку складності.
The states final probabilities analytical description in queuing system with an entrance flow of requirements groups, with waiting and leaving the queue
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Gorodnov, V. P.; Kyrylenko, V. A.; Repilo, Iu. E.; Городнов, В. П.; Кириленко, В. А.; Репіло, Ю. E.
EN: Context. The problem of predicting the efficiency of real queuing systems in the event of a possible arrival of requirements groups and leaving of “impatient” requirements from the queue. The aim of the study was to model the operation of such systems to create opportunities to control their operation in real time. Objective. The aim of the research is to obtain an analytical description of the state’s final probabilities in a Markov queuing system with an input flow of requirements groups, with individual service of requirements, with a limited number of waiting places and with individual leaving of “impatient” requirements from the queue that is necessary to predict the values of the queuing system performance indicators. Method. The probabilities of queuing systems states with an input flow of requirements groups with a random composition and with leaving of “impatient” requirements from the queue are described by the Kolmogorov differential equations. In a stationary state, these equations are transformed into a linearly dependent homogeneous system of algebraic equations. The structure of the equations depends on the numerical values of the input flow requirements group’s parameters and the controlled service system. Therefore, an attempt to predict the efficiency of a system is faced with the need to write down and numerically solve a countable set of algebraic equations systems that is quite difficult. The key idea of the proposed method for finding an analytical description of the final probabilities for the specified queuing system was the desire to localize the influence of requirements groups in the input flow on the operation of the queuing system in multiplicative non-ordinary functions. Such functions allow obtaining the required analytical description and assessing the degree of the final probabilities transformation, in comparison with known systems, as well as assessing the predicted values of the noted queuing system efficiency indicators when choosing the parameters for controlling its operation. Results. For the first time analytical expressions are obtained for the final probabilities of the queuing system states with an input flow of random composition requirements groups, with a limited number of waiting places, with individual service and leaving “impatient” requirements from the queue, which makes it possible to evaluate all known indicators of the system’s performance. Conclusions. The resulting description turned out to be a general case for well-known types of Markov queuing systems with non-ordinary and with the simplest input flow of requirements. The results of the numerical experiment testify in favor of the correctness of the obtained analytical expressions for the final probabilities and in favor of the possibility of their practical application in real queuing systems when solving problems of forecasting efficiency, as well as analyzing and synthesizing the parameters of real queuing systems. UK: Актуальність Завдання прогнозування ефективності реальних систем масового обслуговування в разі можливого надходження груп вимог і відходу «нетерплячих» заявок з черги. Метою дослідження було моделювання роботи таких систем для створення можливостей контролю їх роботи в режимі реального часу. Метод. Ймовірності станів систем масового обслуговування з вхідним потоком груп вимог з випадковим складом і з відходом «нетерплячих» вимог з черги описуються диференціальними рівняннями Колмогорова. У стаціонарному стані ці рівняння перетворюються в лінійно залежну однорідну систему алгебраїчних рівнянь. Структура рівнянь залежить від числових значень параметрів груп вимог вхідного потоку і керованої системи обслуговування. Тому спроба прогнозувати ефективність системи стикається з необхідністю написати і чисельно вирішити рахункову безліч систем алгебраїчних рівнянь, що досить складно. Ключовою ідеєю запропонованого методу пошуку аналітичного опису фінальних ймовірностей для згаданої системи масового обслуговування було прагнення локалізувати вплив груп вимог у вхідному потоці на роботу системи масового обслуговування в мультиплікативних функціях неординарності. Такі функції дозволяють отримати необхідний аналітичний опис і оцінити ступінь трансформації фінальних ймовірностей в порівнянні з відомими системами, а також оцінити прогнозні значення відомих показників ефективності системи масового обслуговування при виборі параметрів управління її роботою. Результати. Вперше отримано аналітичні вирази для фінальних ймовірностей станів системи масового обслуговування з вхідним потоком груп вимог випадкового складу, з обмеженою кількістю місць очікування, з індивідуальним обслуговуванням і відходом «нетерплячих» вимог з черги, що дає можливість оцінити всі відомі показники роботи системи Висновки. Отриманий опис виявився загальним випадком для відомих типів марковских систем масового обслуговування з неординарним і найпростішим вхідним потоком вимог. Результати чисельного експерименту свідчать на користь коректності отриманих аналітичних виразів для фінальних ймовірностей і на користь можливості їх практичного застосування в реальних системах масового обслуговування при вирішенні завдань прогнозування ефективності, а також аналізу і синтезу параметрів. реальних систем масового обслуговування.
Telemetrical information evaluation about geophysical processes at conditions of noise
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Kupriyanov, V. V.; Купріянов. В. В.
EN: Context. The problem of minimizing information losses during discrete measurement of methane content during the extraction of coal in coal mines is considered. Objective. The object of the study was the methodology for assessing the loss of telemetric information about geophysical processes in mines under noise conditions. The purpose of the work is to create a set of discrete and block schemes for obtaining information to assess its losses in the presence of distortions based on an information approach. Method. The results of a study of the methodology for solving the problem of minimizing information loss when measuring methane content in coal mines are presented. A measure of distortions arising from the discrete display of the set of states of the geophysical process in the measurement space under noise and error conditions in the elements of the automated methane control subsystem is proposed. Along with this measure, a model is also proposed for determining the lower boundary of the expected information for given distortions, based on the solution of the optimization problem. The characteristics of some discrete and block schemes for obtaining information are investigated. The proposed block schemes take into account the grouping of transition probability values in three, five, seven, ten, and fifteen-dimensional versions. By varying the size of the grouping in blocks, the technique allows one to obtain various levels of detail of the boundaries of the expected information. Results. The developed schemes were implemented in software and investigated to solve the problem of minimizing information loss while monitoring methane contents in coal mines. Conclusions. The experiments carried out confirmed the operability of the proposed software and allow us to recommend it for use in practice when constructing n-dimensional schemes for obtaining information. Prospects for further research may lie in an experimental study of the proposed schemes on a larger set of practical tasks of a different nature, as well as in the creation of promising measuring systems based on the principles of information analysis. UK: Актуальність. Розглянуто задачу мінімізації втрат інформації при дискретному вимірюванні вмісту метану в період виймання вугілля у вугільних шахтах. Об’єктом дослідження була методика оцінки втрат телеметричної інформації про геофізичних процесах в шахтах в умовах шумів. Мета роботи – створення набору дискретних і блокових схем отримання інформації для оцінки її втрат при наявності спотворень на основі інформаційного підходу. Метод. Подані результати дослідження методики розв’язання задачі мінімізації втрат інформації при вимірюванні вмісту метану в вугільних шахтах. Запропоновано міру спотворень, що виникають при дискретному відображенні множини станів геофізичного процесу, в просторі вимірювань в умовах шумів і помилок в елементах подсистеми автоматизованого контролю метану. Поряд з цим заходом також запропонована модель для визначення нижньої границі очікуваної інформації при заданих викривленнях, заснована на рішенні оптимізаційної задачі. Досліджено характеристики деяких дискретних і блокових схем отримання інформації. Запропоновані блокові схеми враховують угруповання значень перехідних ймовірностей по трьох, п’яти, семи, десяти і пятнадцятимірних варіантах. Варіюючи розмір угруповання в блоках, методика дозволяє отримувати різні рівні деталізації меж очікуваної інформації. Результати. Розроблені схеми реалізовані програмно і досліджені під час вирішення завдання мінімізації втрат інформації при контролі вмістів метану у вугільних шахтах. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при побудові n-мірних схем отримання інформації. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в експериментальному дослідженні запропонованих схем на більшому комплекті практичних завдань різної природи, а також у створенні перспективних вимірювальних систем, заснованих на принципах інформаційного аналізу.
Удосконалена методика розрахунку антени у вигляді відкритого кінця круглого хвилеводу
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Каращук, Н. М.; Рихальський, О. Р.; Заєць, Ю. О.; Сабадаш, С. С.; Karashchuk, N. N.; Rykhalskyi, A. R.; Zaiets, Yu. A.; Sabadash, S. S.
UK: Актуальність. Спрямовані (слабоспрямовані) антени сантиметрового діапазону хвиль того чи іншого типу можуть застосовуватись як окремі випромінювачі та бути у складі антенних решіток. Необхідність забезпечити мінімізацію втрат потужності сигналу в таких антенах є досить важливим та актуальним науково-практичним завданням в будь-якому випадку. Тому для мінімізації втрат потужності сигналу в антенах сантиметрового діапазону хвиль слід розробляти нові (удосконалювати існуючі) підходи до зменшення зазначених втрат. Мета. Метою дослідження є вдосконалення методики розрахунку антени у вигляді відкритого кінця круглого хвилеводу, яка живиться коаксіальною лінією із циліндричним діелектричним узгоджувальним трансформатором, завдяки врахуванню методом еквівалентних схем торцевих ємностей цього трансформатора. Метод. Для досягнення мети дослідження використовуватися наближений апертурний метод, що базується на принципі Гюйгенса-Кірхгофа, метод еквівалентних схем, методи чисельного дослідження та натурного експерименту. Результати. Удосконалено та виведено нові розрахункові формули, що враховують вплив торцевих ємностей, які показують наступні особливості: довжина циліндричного діелектричного узгоджувального трансформатора повинна бути меншою чверті довжини хвилі, за цього величина зменшення визначається ємністю торців; торцеві ємності збільшують необхідний хвильовий опір цього трансформатора; смуга пропускання антени збільшується за зменшення перепаду опорів, які підлягають узгодженню. Практичним значенням результатів дослідження є зменшення втрат потужності сигналу в антені за рахунок покращення узгодження, що визначено за зміною коефіцієнта стоячих хвиль за напругою в заданій смузі частот круглого хвилеводу. Для відкритого кінця хвилеводу круглого перетину із циліндричним діелектричним узгоджувальним трансформатором, розрахованим за удосконаленою методикою, діаграми спрямованості як у площині Е, так і в площині Н наближаються до діаграм спрямованості круглого хвилеводу із синфазним розкривом. Висновки. Перевірку запропонованої методики здійснено шляхом порівняння теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень зміни коефіцієнта стоячої хвилі за напругою у смузі частот і діаграми спрямованості в площинах Е та Н за використання відомої та удосконаленої методик. EN: Context. Directional (slightly directed) antennas of a centimeter wave range of one type or another can be used as separate radiants and be part of antenna arrays. The need to minimize signal power losses in such antennas is a very important and relevant scientific and practical task in any case. Therefore, to minimize signal power losses in antennas of the centimeter wave range, new (improve existing) approaches to reducing these losses should be developed. Objective. The goal of the study is to improve the calculation method of the antenna in the form of an open end of a circular waveguide, which is fed by a coaxial line with a cylindrical dielectric matching transformer, due to the consideration of the end capacitance of this transformer by the equivalent circuit method. Method. To achieve the research objective, the aperture method was used, based on the Huygens-Kirchhoff principle, the method of equivalent schemes, the methods of numerical verification, and natural experiment were applied. Results. New calculation formulas are improved and derived, taking into account the influence of end capacities, which show the following features: the length of a cylindrical dielectric matching transformer should be less than a quarter of the wavelength, therefore the reduction value is determined by the end capacitance; end tanks increase the necessary wave impedance of this transformer; antenna bandwidth increases with decreasing resistance drop, which must be negotiated. The practical value of the research results is to reduce the signal power loss in the antenna due to improved matching, which is determined by the change in the coefficient of standing waves by voltage in a given frequency band of a circular waveguide. For the open end of a circular waveguide with a cylindrical dielectric matching transformer, calculated according to an improved methodology, the radiation patterns both in the E plane and in the H plane approach the radiation patterns of a circular waveguide with in-phase opening. Conclusions. The proposed method was verified by comparing theoretical calculations and experimental studies of the variation of the standing wave coefficient with respect to voltage in the frequency band and radiation pattern in the E and H planes using the well-known and improved methods.
The formation method of complex signals ensembles by frequency filtration of pseudo-random sequences with low interaction in the time domain
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2020) Indyk, S. V.; Lysechko, V. P.; Zhuchenko, O. S.; Kitov, V. S.; Індик, С. В.; Лисечко, В. П.; Жученко, О. С.; Кітов, В. С.
EN: Context. The problem of forming complex signal ensembles on the basis of frequency band filtering and research of their properties is considered. The object of research is the process of synthesis of signal ensembles based on frequency filtering of pseudo-random sequences of short video pulses with low interaction in the time domain. Objective. It is to form complex signal ensembles with satisfactory values of intercorrelation properties, which are close to the signals with minimal energy interaction. Method. The results of the application of forming complex signal ensembles method by frequency filtering of pseudo-random sequences with low interaction in the time domain are presented. As a result of the spectral band selection of the studied pseudo-random short video pulse sequences due to the use of bandpass filters based on the Chebyshev filter of the first kind, new samples of sequences with spectrum restriction are obtained. By applying intercorrelation analysis to the obtained sequence samples, the values of the maximum emissions of the side lobes of the cross-correlation functions (CCF) for all possible signal pairs are estimated. If the values of the maximum emissions of the side lobes of the CCF signals exceed the limit values, the sequence of the analyzed pair with a smaller value of the number of pulses is removed from the ensemble. In case of satisfactory value – the received signals are accepted for the signal ensemble formation with the minimum power interaction. Thus, a new set of values of the maximum emissions of the side lobes of the CCF is formed. This approach increases the number of signals in ensembles with satisfactory values of statistical characteristics with limited signal spectrum width, and the correlation properties of such sequences approach the signals with minimal energy interaction, which reduces the level of multiple access interference. As a result, complex signal ensembles obtained by frequency filtering should be used in cognitive radio systems with code division multiplexing. Results. Based on the software implementation of the method of forming complex signal ensembles by frequency filtering of pseudo-random sequences with low interaction in the time domain, signals with satisfactory values of statistical characteristics with limited signal spectrum width with intercorrelation properties close to signals with minimal energy interaction and higher ensemble volume were selected. Conclusions. The application of frequency filtering to pseudo-random sequences of short video pulses with a low level of cross-correlation allows to obtain complex signal ensembles, which will be similar in correlation properties to sequences with minimal energy interaction. It will reduce the level of multiple access interference. The analysis revealed that the use of frequency filtering of sequences will slightly worsen the mutual correlation properties of signals, possibly due to suboptimal synthesis of values of maximum emission levels of side lobes of CCF signals, but, nevertheless, it is possible to use such signals in modern cognitive systems radio access multiple access with code division multiplexing. UK: Актуальність. Розглянуто задачу формування ансамблів складних сигналів на основі фільтрацій смуг частот та дослідження їх властивостей. Об’єктом дослідження є процес синтезу ансамблів сигналів на основі частотної фільтрації псевдовипадкових послідовностей коротких відеоімпульсів з низькою взаємодією у часовій області. Мета роботи. Формування ансамблів складних сигналів із задовільними значеннями взаємокореляційних властивостей, які наближаються до сигналів з мінімальною енергетичною взаємодією. Метод. Наведено результати застосування методу формування ансамблів складних сигналів шляхом частотної фільтрації псевдовипадкових послідовностей з низькою взаємодією у часовій області. У результаті виділення смуг спектру досліджуваних псевдовипадкових послідовностей коротких відеоімпульсів за рахунок використання смугових фільтрів, побудованих на основі фільтра Чебишева першого роду, отримують нові вибірки послідовностей з обмеженням по спектру. Шляхом застосування взаємокореляційного аналізу до отриманих вибірок послідовностей здійснюють оцінку значень максимальних викидів бокових пелюсток функцій взаємної кореляції (ФВК) для усіх можливих пар сигналів. Якщо значення максимальних викидів бічних пелюсток ФВК сигналів перевищують граничні значення, то послідовність пари, що аналізується, з меншим значенням кількості імпульсів видаляється із ансамблю. В випадку задовільного значення – отримані сигнали приймаються для формування ансамблю сигналів з мінімальною енергетичною взаємодією. Таким чином формують новий ряд значень максимальних викидів бічних пелюсток ФВК. Завдяки такому підходу в ансамблях збільшується кількість сигналів із задовільними значеннями статистичних характеристик при обмеженій ширині спектра сигналу, а взаємокореляційні властивості таких послідовностей наближаються до сигналів з мінімальною енергетичною взаємодією, що призводить до зменшення рівня завад множинного доступу. У результаті ансамблі складних сигналів, отримані шляхом частотної фільтрації доцільно використовувати в когнітивних системах радіозв’язку з кодовим розділенням каналів. Результати. На основі програмної реалізації методу формування ансамблів складних сигналів шляхом частотної фільтрації псевдовипадкових послідовностей з низькою взаємодією у часовій області було відібрано сигнали із задовільними значеннями статистичних характеристик при обмеженій ширині спектра сигналу, із взаємокореляційними властивостями, що наближені до сигналів з мінімальною енергетичною взаємодією та із збільшеним об’ємом ансамблю. Висновки. Застосування частотної фільтрації до псевдовипадкових послідовностей коротких відеоімпульсів з низьким рівнем взаємної кореляції дозволяє отримувати ансамблі складних сигналів, які будуть подібними за взаємокореляційними властивостями до послідовностей з мінімальною енергетичною взаємодією, що дає можливість знизити рівень завад множинного доступу. У результаті проведеного аналізу виявлено, що застосування частотної фільтрації послідовностей незначно погіршить взаємні кореляційні властивості сигналів, за рахунок, можливо, неоптимального синтезу значень рівнів максимальних викидів бічних пелюсток ФВК сигналів, але, не зважаючи на це, існує можливість застосовувати такі сигнали в сучасних когнітивних системах радіозв’язку множинного доступу із кодовим розділенням каналів.

Browse

Recent Submissions