Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2021, №1 (56)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27182

Browse

Now showing 1 - 20 of 20

Identification of marine emergency response of electronic navigation operator
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Nosov, P. S.; Cherniavskyi, V. V.; Zinchenko, S. M.; Popovych, I. S.; Nahrybelnyi, Ya. А.; Nosova, H. V.; Носов, П. С.; Чернявський, В. В.; Зінченко, С. М.; Попович, І. С.; Нагрибельний, Я. А.; Носова, Г. В.
EN: Context. The article introduces an approach for analyzing the reactions of a marine electronic navigation operator as well as automated identification of the likelihood of the negative impact of the human factors in ergatic control systems for sea transport. To meet the target algorithms for providing information referring to the results of human-machine interaction of an operator in marine emergency response situations while managing increasing complexity of navigation operations’ carrying out are put forward. Objective. The approach delivers conversion of the operator’s actions feature space into a logical-geometric one of p-adic systems making the level of the operator’s intellectual activity by using automated means highly likely to be identified. It is sure to contribute to its dynamic prediction for the sake of further marine emergency situations lessening. Method. Within the framework of the mentioned above approach attaining objective as automated identification of the segmented results of human-machine interactions a method for transforming deterministic fragments of an operator’s intellectual activity in terms of p-adic structures is proposed to be used. To cope with such principles as specification, generalization as well as transitions to different perception spaces of the navigation situation by the operator are said to be formally specified. Having been carried out of simulation modeling has turned out to confirm the feasibility of the proposed above approach causing, on the grounds of temporary identifiers, the individual structure of the operator’s reactions to be determined. As a result, the data obtained has delivered the possibility of having typical situations forecasted by using automated multicriteria methods and tools. This issue for its part is said to be spotted as identification of individual indicators of the operator’s reaction dynamics in complex man-machine interaction. Results. In order to have the proposed formal-algorithmic approach approved an experiment was performed using the navigation simulator Navi Trainer 5000 (NTPRO 5000). Automated analysis of experimental server and video data have furnished the means of deterministic operator actions identification in the form of metadata of the trajectory of his reactions within the space of p-adic structures. Thus, the results of modeling involving automated neural networks are sure to facilitate the time series of the intellectual activity of the electronic marine navigation operator to be identified and, therefore, to predict further reactions with a high degree of reliability. Conclusions. The proposed formal research approaches combined with the developed automated means as well as algorithmic and methodological suggestions brought closer to the objectives for solving the problem of automated identification of the negative impact of the human factors of the electronic navigation operator on a whole new level. The efficiency of the proposed approach is noticed to have been approved by the results of automated processing of experimental data and built forecasts. UK: Актуальність. У статті запропоновано підхід аналізу реакцій оператора морської електронної навігації та автоматизованої ідентифікації негативного впливу його людського фактору в ергатичних системах управління морським транспортом. Запропоновано алгоритми зчитування інформації про результати людино-машинного взаємодії оператора у критичних ситуаціях при виконанні навігаційних операцій підвищеної складності. Мета. Метою дослідження є розробка підходу що дозволяє перетворити простір ознак щодо дій оператора у вигляді логіко-геометричного простору p-адичних систем, в результаті якого з’являється можливість ідентифікації рівня інтелектуальної діяльності оператора за допомогою автоматизованих засобів і спрогнозувати його динаміку для нівелювання критичних ситуацій. Метод. В рамках підходу і з метою автоматизованої ідентифікації сегментованих результатів людино-машинної взаємодії описано метод перетворення детермінованих фрагментів інтелектуальної діяльності оператора в термінах p-адічних структур. Формально описані принципи деталізації, узагальнення, а також переходів у різні простори сприйняття навігаційної ситуації оператором. Проведено імітаційне моделювання що підтверджує доцільність запропонованого підходу і дозволяє на основі часових ідентифікаторів визначити індивідуальну структуру реакцій оператора. Отримані дані дозволяють виконувати прогнозування для типових ситуацій із застосуванням автоматизованих багатокритеріальних методів і засобів, що у свою чергу дає можливість ідентифікувати індивідуальні показники динаміки реакцій оператора у складній людино-машинній взаємодії. Результати. З метою підтвердження запропонованого формально-алгоритмічного підходу був проведений експеримент з використанням навігаційного симулятора Navi Trainer 5000 (NTPRO 5000). Автоматизований аналіз експериментальних серверних даних, даних відеоряду, дозволив ідентифікувати детерміновані дії оператора у вигляді метаданих траєкторії його реакцій в рамках просторів p-адичних структур. Результати моделювання із застосуванням автоматизованих нейронних мереж дозволили отримати часові ряди інтелектуальної діяльності оператора електронної морської навігації та з достатнім ступенем надійності виконувати прогноз подальших реакцій. Висновки. Запропоновані формальні підходи дослідження, в поєднанні із розробленими автоматизованими засобами, а також алгоритмічними і методологічними пропозиціями дозволили на новому рівні підійти до вирішення проблеми автоматизованої ідентифікації негативного прояву людського фактора оператора електронною навігації. Результативність запропонованого підходу була обґрунтована за результатами автоматизованої обробки експериментальних даних і побудованих прогнозів.
Реконфигурируемая вычислительная модульная система
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Шевелев, С. С.; Шевельов, С. С.; Shevelev, S. S.
RU: Актуальность. Современные универсальные вычислительные машины способны реализовать любой алгоритм, но при решении определенных задач по скорости обработки не могут конкурировать со специализированными вычислительными модулями. Специализированные устройства имеют высокое быстродействие, эффективно решают задачи по обработке массивов, задач искусственного интеллекта, используются в качестве управляющих устройств. Применение специализированных микропроцессорных модулей, которые реализуют обработку строк символов, логических и числовых значений, представленных в виде целых и действительных чисел, позволяет повысить быстродействие выполнения арифметических операций за счет использования параллелизма при обработке данных. Цель. Разработать принципы построения микропроцессорных модулей для вычислительной модульной системы с перестраиваемой структурой, арифметико-символьного процессора, специализированных вычислительных устройств, коммутационных систем способных конфигурировать микропроцессоры и специализированные вычислительные модули в мультиконвейерную структуру для повышения быстродействия выполнения арифметических и логических операций, высокоскоростных алгоритмов проектирования специализированных процессоров-акселераторов символьной обработки. Разработать алгоритмы, структурные и функциональные схемы специализированных математических модулей, выполняющих арифметические операции в прямых кодах на нейроподобных элементах и систем децентрализованного управления работы блоков. Метод. Построен информационный граф вычислительного процесса модульной системы с перестраиваемой структурой. Разработаны структурные и функциональные схемы, алгоритмы, реализующие построение специализированных модулей для выполнения арифметических и логических операций, поисковых операций и функций замены вхождений в обрабатываемых словах. Разработано программное обеспечение моделирования работы арифметико-символьного процессора, специализированных вычислительных модулей, систем коммутаций. Результаты. Разработана структурная схема реконфигурируемой вычислительной модульной системы, которая состоит из совместимых функциональных модулей, она способна к статической и динамической реконфигурации, имеет параллельную структуру соединения процессора и вычислительных модулей за счет использование интерфейсных каналов. Система состоит из арифметико-символьного процессора, специализированных вычислительных модулей и систем коммутаций, выполняет специфические задачи символьной обработки информации, арифметические и логические операции. Выводы. Архитектура реконфигурируемых вычислительных систем может динамически изменяться в процессе их функционирования. Появляется возможность адаптации архитектуры вычислительной системы под структуру решаемой задачи, создавать проблемно-ориентированные вычислители, структура которых соответствует структуре решаемой задачи. В качестве основного вычислительного элемента в реконфигурируемых вычислительных системах используются не универсальные микропроцессоры, а программируемые логические интегральные схемы, которые объединены с помощью высокоскоростных интерфейсов в единое вычислительное поле. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные системы на основе полей являются эффективным средством для решения потоковых задач обработки информации и управления. UK: Актуальність. Сучасні універсальні обчислювальні машини здатні реалізувати будь-який алгоритм, але при вирішенні певних завдань по швидкості обробки не можуть конкурувати зі спеціалізованими обчислювальними модулями. Спеціалізовані пристрої мають високу швидкодію, ефективно вирішують завдання з обробки масивів, задач штучного інтелекту, використовуються у якості керуючих пристроїв. Застосування спеціалізованих мікропроцесорних модулів, які реалізують обробку рядків символів, логічних і числових значень, представлених у вигляді цілих і дійсних чисел, дозволяє підвищити швидкодію виконання арифметичних операцій за рахунок використання паралелізму при обробці даних. Мета. Розробити принципи побудови мікропроцесорних модулів для обчислювальної модульної системи з перебудовуваною структурою, арифметико-символьного процесора, спеціалізованих обчислювальних пристроїв, комутаційних систем, здатних конфігурувати мікропроцесори і спеціалізовані обчислювальні модулі у мультиконвейєрну структуру для підвищення швидкодії виконання арифметичних і логічних операцій, високошвидкісних алгоритмів проєктування спеціалізованих процесорів-акселераторів символьної обробки. Розробити алгоритми, структурні і функціональні схеми спеціалізованих математичних модулів, що виконують арифметичні операції в прямих кодах на нейроподібних елементах і систем децентралізованого управління роботи блоків. Метод. Побудований інформаційний граф обчислювального процесу модульної системи з перебудовуваною структурою. Розроблено структурні та функціональні схеми, алгоритми, що реалізують побудову спеціалізованих модулів для виконання арифметичних і логічних операцій, пошукових операцій і функцій заміни входжень в оброблюваних словах. Розроблено програмне забезпечення моделювання роботи арифметико-символьного процесора, спеціалізованих обчислювальних модулів, систем комутацій. Результати. Розроблено структурну схему реконфігурованою обчислювальної модульної системи, яка складається з сумісних функціональних модулів, вона здатна до статичної та динамічної реконфігурації, має паралельну структуру сполуки процесора і обчислювальних модулів за рахунок використання інтерфейсних каналів. Система складається з арифметико-символьного процесора, спеціалізованих обчислювальних модулів і систем комутацій, виконує специфічні завдання символьної обробки інформації, арифметичні і логічні операції. Висновки. Архітектура реконфігурованих обчислювальних систем може динамічно змінюватися в процесі їх функціонування. З’являється можливість адаптації архітектури обчислювальної системи під структуру розв’язуваної задачі, створювати проблемно-орієнтовані обчислювачі, структура яких відповідає структурі розв’язуваної задачі. В якості основного обчислювального елемента в реконфігурованих обчислювальних системах використовуються не універсальні мікропроцесори, а програмовані логічні інтегральні схеми, які об’єднані за допомогою високошвидкісних інтерфейсів в єдине обчислювальне поле. Реконфігуровані мультіконвейерние обчислювальні системи на основі полів є ефективним засобом для вирішення потокових задач обробки інформації та управління. EN: Reconfigurable computing modular system Context. Modern general purpose computers are capable of implementing any algorithm, but when solving certain problems in terms of processing speed they cannot compete with specialized computing modules. Specialized devices have high performance, effectively solve the problems of processing arrays, artificial intelligence tasks, and are used as control devices. The use of specialized microprocessor modules that implement the processing of character strings, logical and numerical values, represented as integers and real numbers, makes it possible to increase the speed of performing arithmetic operations by using parallelism in data processing. Objective. To develop principles for constructing microprocessor modules for a modular computing system with a reconfigurable structure, an arithmetic-symbolic processor, specialized computing devices, switching systems capable of configuring microprocessors and specialized computing modules into a multi-pipeline structure to increase the speed of performing arithmetic and logical operations, high-speed design algorithms specialized processors-accelerators of symbol processing. To develop algorithms, structural and functional diagrams of specialized mathematical modules that perform arithmetic operations in direct codes on neural-like elements and systems for decentralized control of the operation of blocks. Method. An information graph of the computational process of a modular system with a reconstructed structure has been built. Structural and functional diagrams, algorithms that implement the construction of specialized modules for performing arithmetic and logical operations, search operations and functions for replacing occurrences in processed words have been developed. Software has been developed for simulating the operation of an arithmetic-symbolic processor, specialized computing modules, and switching systems. Results. A block diagram of a reconfigurable computing modular system has been developed, which consists of compatible functional modules, it is capable of static and dynamic reconfiguration, has a parallel structure for connecting the processor and computing modules through the use of interface channels. The system consists of an arithmetic-symbolic processor, specialized computing modules and switching systems, performs specific tasks of symbolic information processing, arithmetic and logical operations. Conclusions. The architecture of reconfigurable computing systems can change dynamically during their operation. It becomes possible to adapt the architecture of a computing system to the structure of the problem being solved, to create problem-oriented computers, the structure of which corresponds to the structure of the problem being solved. As the main computing element in reconfigurable computing systems, not universal microprocessors are used, but programmable logic integrated circuits, which are combined using high-speed interfaces into a single computing field. Reconfigurable multipipeline computing systems based on fields are an effective tool for solving streaming information processing and control problems.
Influence of digital images preliminary noising on statistical stegdetectors performance
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Progonov, D. O.; Прогонов, Д. О.
EN: Context. The problem of sensitive information protection during data transmission in communication systems was considered. The case of reliable detection of stego images formed according to advanced embedding methods was investigated. The object of research is digital images steganalysis of adaptive steganographic methods. Objective. The goal of the work is performance analysis of statistical stegdetectors for adaptive embedding methods in case of preliminary noising of analyzed image with thermal and shot noises. Method. The image pre-processing (calibration) method was proposed for improving stego-to-cover ratio for state-of-the-art adaptive embedding methods HUGO, MG and MiPOD. The method is aimed at amplifying negligible changes of cover image caused by message hiding with usage of Gaussian and Poisson noises. The former one is related to influence the thermal noise of charge-coupled device (CCD) based image sensor during data acquisition. The latter one is related to shot noise that originates from stochastic process of electron emission by photons hitting of CCD elements. During the research, parameters of thermal noise were estimated with two-dimensional Wiener filter, while sliding window of size 5∙5 pixels was used for parameters evaluation for shot noise. Results. The dependencies of detection error on cover image payload for advance HUGO, MG and MiPOD embedding methods were obtained. The results were presented for the case of image pre-noising with both Gaussian and Poisson noises, and varying of feature pre-processing methods. Conclusions. The conducted experiments confirmed effectiveness of proposed approach for image calibration with Poisson noise. Obtained results allow us to recommend linearly transformed features to be used for improving stegdetector performance by natural image processing. The prospects for further research may include investigation usage of special noises, such as fractal noises, for improving stego-to-cover ratio for advanced embedding methods. UK: Актуальність. Розглянуто проблему захисту конфіденційної інформації під час передачі даних у системах зв’язку. Досліджено випадок виявлення стеганограм, сформованих згідно новітніх методів приховання повідомлень. Об’єктом дослідження є методи виявлення стеганограм з даними, вбудованими згідно адаптивними стеганографічними методами. Метод. Запропоновано метод попередньої обробки зображень (калібрування) для підвищення співвідношення стего-контейнер для сучасних адаптивних методів вбудовування HUGO, MG та MiPOD. Метод спрямований на посилення незначних змін зображення-контейнеру, обумовлених прихованням повідомлень. Підвищення досягається шляхом внесення до зображення додаткових шумів, що мають гаусовий або пуасоновий розподіл. Перший тип шуму пов'язаний з тепловим шумом, який впливає на матрицю фотоелементів під час формування зображення. Другий тип шуму пов'язаний зі стохастичною природою процесу випромінювання електронів фотонами, що потрапляють на елементи матриці фотоелементів. Дисперсія теплових шумів оцінювалася з використанням двовимірного фільтра Вінера при варіації розміру ковзного вікна. Параметри розподілу Пуассона було визначено з використанням ковзного вікна розміром 5∙5 пікселів. Результати. Побудовано залежності помилки виявлення від ступеня заповнення зображення-контейнеру стегоданими для методів вбудовування HUGO, MG та MiPOD. Результати представлені для випадку внесення до зображень шуму з гаусовим та пуасоновим розподілами, а також застосуванні різних методів попередньої обробки характеристик. Висновки. Проведені експерименти підтвердили ефективність запропонованого підходу до калібрування зображень з використанням пуасонівських шумів. Отримані результати дозволяють рекомендувати використання декартових і лінійно трансформованих ознак стеганограм для підвищення точності роботи стегодетектору. Перспективи подальших досліджень можуть включати вивчення ефективності застосування спеціальних типів шумів, зокрема фрактальних шумів, з метою підвищення співвідношення стегодані-контейнер для сучасних стеганографічних методів.
Ігрова модель онтологічної підтримки проектів
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Кравець, П. О.; Литвин, В. В.; Висоцька, В. А.; Kravets, P.; Lytvyn,V.; Vysotska, V.
UK: Актуальність. У сучасному інформаційному суспільстві із розвиненими засобами телекомунікації за допомогою мобільних пристроїв та комп’ютерних мереж актуальним є формування різноманітних віртуальних організацій та спільнот. Такі віртуальні об’єднання людей за професійними або іншими інтересами призначені для оперативного розв’язування різноманітних задач: для виконання проектних завдань, створення стартапів з метою залучення інвесторів, організації мережного маркетингу, організації дистанційного навчання, вирішення складних питань в науці, економіці та державному управлінні, побудови різноманітних Інтернет-сервісів, обговорення політичних і соціальних процесів тощо. Метою дослідження є розроблення адаптивного марковського рекурентного методу на основі стохастичної апроксимації модифікованої умови доповняльної нежорсткості, справедливої у точках рівноваги за Нешем для розв’язування задачі ігрового покриття проектів. Метод. У цій роботі розроблена багатоагентна ігрова модель для формування віртуальних команд виконавців проектів на основі бібліотек предметних онтологій. Необхідні для виконання проектів компетенції та здібності агентів задаються наборами онтологій. Інтелектуальні агенти випадково, одночасно і незалежно вибирають один із проектів у дискретні моменти часу. Агенти, що обрали один і той же проект, визначають поточний склад команди його виконавців. Для команд агентів обчислюється поточний штраф за недостатнє покриття компетенцій об’єднаними здібностями агентів. Цей штраф використовується для адаптивного перерахунку змішаних стратегій гравців. Збільшуються імовірності вибору тих команд, поточний склад яких призвів до зменшення штрафу за непокриття онтологій. У ході повторювальної стохастичної гри агенти сформують вектори змішаних стратегій, які забезпечать мінімізацію усереднених штрафів за непокриття проектів. Результати. Для розв’язування задачі ігрового покриття проектів розроблено адаптивний марковський рекурентний метод на основі стохастичної апроксимації модифікованої умови доповняльної нежорсткості, справедливої у точках рівноваги за Нешем. Висновки. Комп’ютерне моделювання підтвердило можливість застосування моделі стохастичної гри для формування команд виконавців проектів з необхідною онтологічною підтримкою в умовах невизначеності. Збіжність ігрового методу забезпечується дотриманням фундаментальних умов та обмежень стохастичної оптимізації. Достовірність експериментальних досліджень підтверджується повторювальністю отриманих результатів для різних послідовностей випадкових величин. EN: Context. In today’s information society with advanced telecommunications through mobile devices and computer networks, it is important to form a variety of virtual organizations and communities. Such virtual associations of people by professional or other interests are designed to quickly solve various tasks: to perform project tasks, create startups to attract investors, network marketing, distance learning, solving complex problems in science, economics and public administration , construction of various Internet services, discussion of political and social processes, etc. Objective of the study is to develop an adaptive Markov recurrent method based on the stochastic approximation of the modified condition of complementary non-rigidity, valid at Nash equilibrium points for solving the problem of game coverage of projects. Method. In this work the multiagent game model for formation of virtual teams of executors of projects on the basis of libraries of subject ontologies is developed. The competencies and abilities of agents required to carry out projects are specified by sets of ontologies. Intelligent agents randomly, simultaneously and independently choose one of the projects at discrete times. Agents who have chosen the same project determine the current composition of the team of its executors. For agents’ teams, a current penalty is calculated for insufficient coverage of competencies by the combined capabilities of agents. This penalty is used to adaptively recalculate mixed player strategies. The probabilities of selecting those teams whose current composition has led to a reduction in the fine for non-coverage of ontologies are increasing. During the repetitive stochastic game, agents will form vectors of mixed strategies that will minimize average penalties for non-coverage of projects. Results. For solve the problem of game coverage of projects, an adaptive Markov recurrent method based on the stochastic approximation of the modified condition of complementary non-rigidity, valid at Nash equilibrium points, was developed. Conclusions. Computer simulation confirmed the possibility of using the stochastic game model to form teams of project executors with the necessary ontological support in conditions of uncertainty. The convergence of the game method is ensured by compliance with the fundamental conditions and limitations of stochastic optimization. The reliability of experimental studies is confirmed by the repeatability of the results obtained for different sequences of random variables.
Improving the functioning reliability of the information management system elements, using built-in diagnostic tools
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Kleiman, L. A.; Freyman, V. I.; Клейман, Л. А.; Фрейман, В. І.
EN: Context. In the modern world, information management systems have become widespread. This make it possible to automate the technological processes of enterprises of various sizes. Many information management systems include wireless and autonomous elements. Autonomy, in this case, means the ability of the system elements to function for a certain time without additional energy supply. In this regard, such a parameter of operational reliability as the battery life of a system element becomes one of the most important. One of the main tools for improving the reliability and fault tolerance of information management system elements – is the use of a modern diagnostic system. Objective. The aim of the work is to develop a method for increasing the reliability of the functioning of autonomous elements of information management systems. It includes the creation of a model of an information management system and an algorithm for reasonable redistribution of diagnostic functions, as well as a software implementation of the developed algorithm, which confirms its higher reliability indicators in comparison with other algorithms. Methods. The basic model was the Preparata-Metz-Chen model. On its basis, a new model of the system was built, including the structural and logical description of the elements and the determination of the way of their interaction. The elements were classified by the degree of criticality of the functions performed in the system. On the basis of the developed model and description of the elements, an algorithm was developed for the reasonable redistribution of the diagnostic load, which made it possible to reduce the average energy consumption of the elements and thereby improve the reliability indicators. A software implementation of the developed algorithm was created, which allows to numerically evaluate its advantages. The developed and existing algorithms were compared. Results. A model of information management system has been developed. In such a system, it is proposed to use an integrated test diagnostics system. This diagnostic system implements algorithms for redistributing the diagnostic load. To determine the importance of the characteristics taken into account, a linear criterion was chosen, as the most studied and fastest in application. A software model, that implements the developed algorithm and makes it possible to compare it with existing algorithms, has been developed. A study of the software model with various parameters was carried out and, based on the results of the software simulation, conclusions were drawn about the possibilities of improving the algorithm and directions for further scientific research were formulated. Conclusions. The usage of the developed algorithm makes it possible to increase such a characteristic of the reliability of the elements of the information and control system as the mean time of failure-free operation (mean time between failures) by increasing the operating time of autonomous elements without recharging. When carrying out software modeling of the developed and existing algorithms, the advantages of the first were confirmed, and theoretical possibilities for its improvement were formulated. UK: Актуальність. У сучасному світі широкого поширення набули інформаційно-керуючі системи, які дозволяють автоматизувати технологічні процеси підприємств різних масштабів. Багато інформаційно-керуючі системи мають в своeм складі бездротові і автономні елементи. Під автономністю, в даному випадку, мається на увазі можливість елементів системи функціонувати определeнное час без додаткового підведення енергії. У зв'язку з цим, такий параметр надійності функціонування як час автономної роботи елемента системи стає одним з найважливіших. Одним з основних інструментів підвищення надeжность і відмовостійкості елементів ІКС є використання сучасної системи діагностування. Мета роботи. Метою роботи є розробка методу підвищення надійності функціонування автономних елементів інформаційно-керуючих систем, в тому числи створення моделі інформаційно-керуючої системи і алгоритму обґрунтованого перерозподілу діагностичних функцій, а також програмна реалізація розробленого алгоритму, що підтверджує його більш високі показники достовірності порівняно з іншими алгоритмами. Методи. Базовою моделлю була обрана модель Препарату-Метца-Чена. На еe основі була побудована нова модель системи, що включає в себе структурно-логічне опис елементів і визначення способу їх взаємодії. Була проведена класифікація елементів за ступенем критичності виконуваних в системі функцій. На основі розробленої моделі та опису елементів був розроблений алгоритм обґрунтованого перерозподілу діагностичної навантаження, що дозволило знизити середнє енергоспоживання елементів і за счeт цього поліпшити показники надійності. Була створена програмна реалізація розробленого алгоритму, що дозволяє чисельно оцінити його переваги. Було проведено порівняння розробленого і існуючого алгоритмів. Результати. Розроблено модель ІКС, для підвищення показників надійності якої пропонується використовувати інтегровану систему тестової діагностики. Для визначення важливості враховуються характеристик був обраний лінійний критерій як достатній для вирішення поставлених завдань. Створено математичну модель для расчeта основних показників функціонування елементів ІУС. Розроблено алгоритм перерозподілу діагностичної навантаження, які використовують результати расчeтов за запропонованою моделі і дозволяють підвищити показники працездатності елементів системи.Розроблена програмна модель, що реалізує розроблений алгоритм і дозволяє порівнювати його з існуючими алгоритмами. Було проведено дослідження моделі програмного забезпечення з різними параметрами і за результатами моделювання програмного забезпечення були зроблені висновки про можливості покращення алгоритму, сформульовані напрямки подальших наукових досліджень. Висновки. Застосування розробленого алгоритму дозволяє підвищити таку характеристику надійності елементів що інформаційно-управляє системи, як середній час безвідмовної роботи (середнє напрацювання на відмову) за рахунок збільшення часу роботи автономних елементів без підзарядки. При проведенні програмного моделювання розробленого і існуючого алгоритмів були підтверджені переваги першого, а також сформульовані теоретичні можливості для його поліпшення.
Delay tolerant networking support for creation high-accuracy magnetic field maps
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Babeniuk, G. M.; Бабенюк, Г. М.
EN: Context. The main purpose of Correlation Extremal Navigation system is finding coordinates in case of absence of Global Positioning System signal and as a result high-accuracy maps as the main source of information for finding coordinates are very important. Magnetic field map as the main source of information can include errors values, as an example: not good enough equipment or human factor can cause error value of measurements. Objective. In order to create high-accuracy maps given work proposes to improve the process of creating magnetic field maps. The given work represents delay tolerant networking as an additional approach for data transmission between magnetic observatory and magnetic station and its improvement. Method. Improved Dijkstra’s algorithm together with Ford-Fulkerson’s algorithm for finding path with minimum capacity losses, earliest delivery time and maximum bit rate in case of overlapping contacts should be represented in the given work because nowadays, delay tolerant networking routing protocols do not take into account the overlap factor and resulting capacity losses and it leads to big problems Results. For the first time will be presented algorithm that chooses the route that guarantees the minimum of capacity losses, earliest delivery time and maximum bit rate in the delay tolerant networking with overlapping contacts and increases the probability of successful data transmission between magnetic stations and magnetic observatories. Conclusions. In order to perform high-accuracy measurement of magnetic field group of people allocate their equipment for magnetic field measurement in remote areas in order to avoid the influence of environment on measurements of magnetometer. Since magnitude of magnetic field can vary dependent on temperature, proximity to the ocean, latitude (diurnal variation of magnetic field) and magnetic storms magnetic station from time to time adjusts its measurements with a help of reference values of magnetic field (magnetic station sends request for reference values to magnetic observatory). The problem of the given approach is that remote areas usually are not covered by network (no Internet) and as a result the adjustment of measurements is impossible. In order to make adjustment of measurements possible and as a result improve accuracy of magnetic maps given work proposed the usage of Delay Tolerant Networking that delivers internet access to different areas around the world and represented its improvement to make its approach even better.The results are published for the first time. UK: Актуальність. Основним призначенням кореляційно-екстремальної навігаційної системи є пошук координат у разі відсутності сигналу глобальної системи позиціонування, і як результат високоточні карти як основне джерело інформації для пошуку координат дуже важливі. Магнітометрична карта як основне джерело інформації може включати похибки, на приклад: недостатньо добре обладнання або людський фактор може спричинити похибку вимірювань. Мета роботи. З метою створення високоточних карт дана робота пропонує вдосконалити процес створення магнітометричних карт. Дана робота представляє мережу стійку до розривів як додатковий підхід до передачі даних між магнітною обсерваторією та магнітною станцією а також її вдосконалення. Метод. Покращений алгоритм Дейкстрі разом з алгоритмом Форда-Фалкерсона що використовуються для пошуку шляху з мінімальними втратами даних, найшвидшого та з максимальною швидкістю передачі даних у разі перекриття контактів повинні бути представлені в даній роботі, оскільки в наш час протоколи мережі стійкої до розривів не враховують факт перекриття контактів і це призводить до великих проблем. Результати. Вперше буде представлений алгоритм, який вибирає маршрут, що гарантує мінімум втрат даних є найшвидшим та має максимальну швидкістю передачі даних в мережах стійких до розривів з перекриттям контактів та збільшує ймовірність успішної передачі даних між магнітними станціями та магнітними обсерваторіями. Висновки. Для проведення високоточних вимірювань магнітного поля група людей розміщує своє обладнання для вимірювання магнітного поля у віддалених районах, щоб уникнути вплив навколишнього середовища на показники магнітометра. Оскільки величина магнітного поля може змінюватися в залежності від температури, відстані до океану, широти (добової зміни магнітного поля) та магнітних бур, магнітна станція час від часу коригує свої виміри за допомогою еталонних значень магнітного поля (магнітна станція надсилає запит на еталонні значення до магнітної обсерваторії). Проблема даного підходу полягає в тому, що віддалені райони, як правило, не охоплені мережею (немає Інтернету), і в результаті коригування вимірювань є неможливим. Для того, щоб зробити можливим коригування вимірювань і, як результат, підвищити точність магнітних карт, в даній роботі пропонується використовувати мережу стійку до розривів, яка забезпечить доступ до Інтернету в різних регіонах світу та її вдосконалення, щоб зробити даний підхід ще кращим. Отримані результати публікуються вперше.
Deep reinforcement learning with sparse distributed memory for “Water World” problem solving
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Novotarskyi, M. A.; Stirenko, S. G.; Gordienko, Y. G.; Kuzmych ,V. A.; Новотарський, М. А.; Стіренко, С. Г.; Гордієнко, Ю. Г.; Кузьмич, В. А.
EN: Context. Machine learning is one of the actively developing areas of data processing. Reinforcement learning is a class of machine learning methods where the problem involves mapping the sequence of environmental states to agent’s actions. Significant progress in this area has been achieved using DQN-algorithms, which became one of the first classes of stable algorithms for learning using deep neural networks. The main disadvantage of this approach is the rapid growth of RAM in real-world tasks. The approach proposed in this paper can partially solve this problem. Objective. The aim is to develop a method of forming the structure and nature of access to the sparse distributed memory with increased information content to improve reinforcement learning without additional memory. Method. A method of forming the structure and modification of sparse distributed memory for storing previous transitions of the actor in the form of prototypes is proposed. The method allows increasing the informativeness of the stored data and, as a result, to improve the process of creating a model of the studied process by intensifying the learning of the deep neural network. Increasing the informativeness of the stored data is the result of this sequence of actions. First, we compare the new transition and the last saved transition. To perform this comparison, this method introduces a rate estimate for the distance between transitions. If the distance between the new transition and the last saved transition is smaller than the specified threshold, the new transition is written in place of the previous one without increasing the amount of memory. Otherwise, we create a new prototype in memory while deleting the prototype that has been stored in memory the longest. Results. The work of the proposed method was studied during the solution of the popular “Water World” test problem. The results showed a 1.5-times increase in the actor’s survival time in a hostile environment. This result was achieved by increasing the informativeness of the stored data without increasing the amount of RAM. Conclusions. The proposed method of forming and modifying the structure of sparse distributed memory allowed to increase the informativeness of the stored data. As a result of this approach, improved reinforcement learning parameters on the example of the “Water World” problem by increasing the accuracy of the model of the physical process represented by a deep neural network. UK: Актуальність. Машинне навчання це одна з галузей обробки даних, яка активно розвивається. Значних успіхів у цій сфері вдалося досягти завдяки використанню DQN-алгоритмів, які стали одними з перших стійких алгоритмів навчання при використанні глибоких нейронних мереж. Основним недоліком такого підходу є стрімке зростання оперативної пам’яті при реалізації задач реального світу. Запропонований в роботі підхід дозволяє частково вирішити цю проблему. Мета. Метою роботи є розробка методу формування структури та характеру доступу до розрідженої розподіленої пам’яті з підвищеною інформативністю для покращення навчання з підкріпленням без залучення додаткової пам’яті. Метод. Запропоновано метод формування структури та модифікації пам’яті з прорідженими даними для зберігання попередніх переходів актора у вигляді прототипів. Метод дозволяє підвищити інформативність збережених даних і, як результат, покращити процес створення моделі досліджуваного процесу шляхом інтенсифікації навчання глибокої нейронної мережі. Підвищення інформативності збережених даних є результатом такої послідовності дій. Спочатку виконуємо порівняння нового переходу та останнього збереженого переходу. Для виконання такого порівняння, в рамках даного методу, введено норму оцінки відстані між переходами. Якщо відстань між новим переходом та останнім збереженим переходом є меншою за заданий поріг, то новий перехід записується на місце попереднього без збільшення обсягу пам’яті. У протилежному випадку створюємо новий прототип в пам’яті з одночасним видаленням прототипу, який зберігався у пам’яті найдовше. Результати. Роботу запропонованого методу було досліджено під час вирішення популярної тестової задачі “Водний світ”. Результати показали збільшення часу виживання актора у ворожому середовищі в 1,5 рази. Такий результат був досягнутий за рахунок підвищення інформативності збережених даних без збільшення обсягу оперативної пам’яті. Висновки. Запропонований метод формування та модифікації структури пам’яті з прорідженими даними дозволив підвищити інформативність збережених даних. В результаті такого підходу було одержано покращені параметри навчання з підкріпленням на прикладі задачі «Водний світ» за рахунок підвищення точності моделі фізичного процесу, представленого глибокою нейронною мережею.
Method of spectral clustering of payments and raw materials supply for the compliance audit planning
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Neskorodieva, Т. V.; Fedorov, E. E.; Нескородєва, Т. В.; Федоров, Є. Є.
EN: Context. The analytical procedures used in the audit are currently based on data mining techniques. The work solves the problem of increasing the efficiency and effectiveness of analytical audit procedures by clustering based on spectral decomposition. The object of the research is the process of auditing the compliance of payment and supply sequences for raw materials. Objective. The aim of the work is to increase the effectiveness and efficiency of the audit due to the method of spectral clustering of sequences of payment and supply of raw materials while automating procedures for checking their compliance. Method. The vectors of features are generated for the objects of the sequences of payment and supply of raw materials, which are then used in the proposed method. The created method improves the traditional spectral clustering method by automatically determining the number of clusters based on the explained and sample variance rule; automatic determination of the scale parameter based on local scaling (the rule of K-nearest neighbors is used); resistance to noise and random outliers by replacing the k-means method with a modified PAM method, i.e. replacing centroid clustering with medoid clustering. As in the traditional approach, the data can be sparse, and the clusters can have different shapes and sizes. The characteristics of evaluating the quality of spectral clustering are selected. Results. The proposed spectral clustering method was implemented in the MATLAB package. The results obtained made it possible to study the dependence of the parameter values on the quality of clustering. Conclusions. The experiments carried out have confirmed the efficiency of the proposed method and allow us to recommend it for practical use in solving audit problems. Prospects for further research may lie in the creation of intelligent parallel and distributed computer systems for general and special purposes, which use the proposed method for segmentation, machine learning and pattern recognition tasks. UK: Актуальність. В даний час аналітичні процедури, які використовуються в ході аудиторської перевірки, базуються на методах інтелектуального аналізу даних. В роботі вирішується завдання підвищення результативності та ефективності аналітичних процедур аудиту шляхом кластеризації на основі спектрального розкладання. Об’єктом дослідження є процес аудиту відповідності послідовностей оплати і поставок сировини. Мета. Метою роботи є підвищення результативності та ефективності аудиту за рахунок методу спектральної кластеризації послідовностей оплати і поставок сировини при автоматизації процедур перевірки їх відповідності. Методи. Сформовано вектори ознак для об’єктів послідовностей оплати і поставок сировини, які потім використовуються в запропонованому методі. Створений метод вдосконалює традиційний метод спектральної кластеризації за рахунок автоматичного визначення кількості кластерів на основі правила поясненої і вибіркової дисперсії; автоматичного визначення параметра масштабу на основі локального масштабу (використовується правило K-найближчих сусідів); стійкості до шуму і випадковим викидів за рахунок заміни методу k-середніх модифікованим методом PAM, тобто заміни центроїдної кластеризації медоідною кластерізацією. Як і в традиційному підході дані можуть бути розріджені, а кластера можуть мати різну форму і розмір. Обрані характеристики оцінювання якості спектральної кластеризації. Результати. Запропонований метод спектральної кластеризації був програмно реалізований в пакеті MATLAB. Отримані результати дозволили досліджувати залежність значень параметрів на якість кластеризації. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при вирішенні завдань аудиту. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в створенні інтелектуальних паралельних і розподілених комп’ютерних систем загального і спеціального призначення, які використовують запропонований метод для задач сегментації, машинного навчання та розпізнавання образів.
Implementation of the indicator system in modeling of complex technical systems
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Leoshchenko, S. D.; Subbotin, S. A.; Oliinyk, A. O.; Narivs’kiy, O. E.; Леощенко, Сергій Дмитрович; Субботін, Сергій Олександрович; Олійник, Андрій Олександрович; Нарівський, О. Е.
EN: Context. The problem of determining the optimal topology of a neuromodel, which is characterized by a high level of logical transparency in modeling complex technical systems, is considered. The object of research is the process of applying an indicator system to simplify and select the topology of neuromodels. Objective of the work is to develop and use a system of indicators to determine the level of complexity of the modeling problem and gradually select the optimal logically transparent topology of the neuromodel. Method. A method is proposed for selecting an optimal, logically transparent neural network topology for modeling complex technical systems using a system of corresponding indicators. At the beginning, the method determines the overall level of complexity of the modeling task and, using the obtained estimate, determines the method for further optimization of the neuromodel. Then, using Task data and input data characteristics, the method allows to obtain the most optimal structure of the neural model for further modeling of the system. The method reduces trainingvtime and increases the level of logical transparency of neuromodels, which significantly expands the practical use of such models, without using neuroevolution methods, which may not be justified by resource-intensive tasks. Results. The developed method is implemented and investigated in solving the problem of modeling the dynamics of pitting processes of steel alloys. Using the developed method made it possible to reduce the training time of the model by 22%, depending on the computing resources used. The method also increased the level of logical transparency of the model by reducing the number of computing nodes by 50%, which also indicates faster and more efficient use of resources. Conclusions. The conducted experiments confirmed the operability of the proposed mathematical support and allow us to recommend it for use in practice in the design of topologies of neuromodels for further solving modeling, diagnosis and evaluation problems. Prospects for further research may consist in the development of methods for structural optimization of previously synthesized models and the development of new methods for feature selection. UK: Актуальність. Розглянуто задачу визначення оптимальної топології нейромоделі, що відрізняється високим рівнем логічної прозорості при моделюванні складних технічних систем. Об’єктом дослідження є процес застосування індикаторної системи для спрощення та вибору топології нейромоделі. Мета роботи полягає у розробці та використанні системи індикаторів для визначення рівню складності задачі моделювання та поступовому підборі оптимальної логічно прозорої топології нейромоделі. Метод. Запропоновано метод для підбору оптимальної, логічно прозорої топології нейронної мережі для моделювання складних технічних систем з використанням системи відповідних індикаторів. На початку метод визначає загальний рівень складності задачі моделювання та використовуючи отриману оцінку визначає спосіб подальшої оптимізації нейромоделі. Потім використовуючи дані про задачу та характеристики вхідних даних метод дозволяє отримати найбільш оптимальну структуру нейронної моделі для подальшого моделювання системи. Метод дозволяє скоротити час навчання та підвищити рівень логічної прозорості нейромоделі, що значно розширює практичне використання таких моделей, без використання нейроеволюційних методів, що можуть бути не виправдано ресурсоємними при ряді задач. Результати. Розроблений метод реалізовано та досліджено при вирішенні задачі моделювання динаміки піттінгових процесів стальних сплавів. Використання розробленого методу дозволило скоротити час навчання моделі на 22%, в залежності від використовуваних обчислювальних ресурсів. Також метод дозволило підвищити рівень логічної прозорості моделі скоротивши кількість обчислювальних вузлів на 50%, що також свідчить про прискорення та більш раціональне використання ресурсів. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при проектуванні топологій нейромоделей для подальшого вирішення задач моделювання, діагностування та оцінювання. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в розробці методів структурної оптимізації попередньо синтезованих моделей та розробці нових методів відбору інформаційних ознак.
Розробка методу ідентифікації стану комп’ютерної системи на основі алгоритму «Isolation Forest»
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Гавриленко, С. Ю.; Шевердін, І. В.; Gavrylenko, S. Y.; Sheverdin, I. V.
UK: Актуальність. Розглянуто задачу ідентифікації стану комп’ютерної системи. Об’єктом дослідження є процес ідентифікації стану комп’ютерної системи. Предметом дослідження є методи та засоби ідентифікації стану комп’ютерної системи. Мета. Метою роботи є розробка методу ідентифікації стану комп’ютерної системи. Метод. Розроблено метод ідентифікації стану комп’ютерної системи на основі комплексного використання процедури групування нерозмічених вихідних даних та технології машинного навчання на основі алгоритму «Isolation Forest», який надає можливість ідентифікувати стан комп’ютерної системи і виділити назву процесу, який спричинив аномальний стан. Для цього запропоновано процедуру та розроблено програмний додаток для збору статистичних даних у вигляді подій функціонування операційної системи та виконано їх аналіз. Отримано, що найбільш інформативними є операції читання та запису. Для формування єдиного датасету, операції читання та запису зіставлено з назвою процесу та об’єднано в один масив груп подій, що надалі дозволяє виділити процес, який спричиняє аномальний стан комп’ютерної системи. За результатами дослідження, у якості складової методу ідентифікації стану комп’ютерної системи використано ансамблевий алгоритм «Isolation Forest». Проведено оцінку точності та оперативності розробленого методу ідентифікації стану комп’ютерної системи . Результати. Розроблений метод реалізований програмно і досліджений під час розв’язання задачі ідентифікації аномалій функціонування комп’ютерної системи. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу, що надає можливість рекомендувати його для практичного використання з метою підвищення оперативності ідентифікації стану комп’ютерної системи та використання його у якості експрес-методу. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в розробці ансамблю нечітких дерев рішень на основі запропонованого методу, оптимізації його програмних реалізації. EN: Context. The problem of identification a computer system state was investigated. The object of the research is the identification process of the computer system state. The subject of the research is computer system state identifying means and methods. Objective. The purpose of the work is to develop a method for identifying the computer system state. Method. The method has been developed for identifying a computer system state based on integrated use the procedure for grouping unlabeled initial data and using machine learning technology based on the «Isolation Forest» algorithm, which provides to identify a computer system state and to distinguished the process name that initiated the abnormal state. Therefore, for collecting statistical data in the form of operating system functioning events, data method has been proposed and developed along with software. The analysis of functioning events has been performed. The result of analysis showed that the most informative are read and write operations. To set up a single dataset, read and write operations compared with the process name and combined into one array of event groups, so that it is possible to single out the process that causes the abnormal state of the computer system. As a result of the research, the «Isolation Forest» algorithm has been selected as a component of the method for identifying the computer system state. An accuracy and efficiency assessment of the developed method of identifying a computer system state has been carried out. Results. The developed method is implemented and investigated when solving the problem of identifying anomalies in the functioning of computer systems. Conclusions. The experiments carried out confirmed the efficiency of the proposed method. It allows us recommended the method for practical use in order to improve efficiency of identifying the computer system state and use it as an express method. Areas for further research may lie in the creation of the ensemble of fuzzy trees based on the proposed method and optimization of this software implementation.
Online fuzzy clustering of incomplete data using credibilistic approach and similarity measure of special type
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Bodyanskiy, Ye. V.; Shafronenko, A. Yu.; Klymova, I. N.; Бодянський, Є. В.; Шафроненко, А. Ю.; Клімова, І. М.
EN: Context. In most clustering (classification without a teacher) tasks associated with real data processing, the initial information is usually distorted by abnormal outliers (noise) and gaps. It is clear that “classical” methods of artificial intelligence (both batch and online) are ineffective in this situation.The goal of the paper is to propose the procedure of fuzzy clustering of incomplete data using credibilistic approach and similarity measure of special type. Objective. The goal of the work is credibilistic fuzzy clustering of distorted data, using of credibility theory. Method. The procedure of fuzzy clustering of incomplete data using credibilistic approach and similarity measure of special type based on the use of both robust goal functions of a special type and similarity measures, insensitive to outliers and designed to work both in batch and its recurrent online version designed to solve Data Stream Mining problems when data are fed to processing sequentially in real time. Results. The introduced methods are simple in numerical implementation and are free from the drawbacks inherent in traditional methods of probabilistic and possibilistic fuzzy clustering data distorted by abnormal outliers (noise) and gaps. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the effectiveness of proposed methods of credibilistic fuzzy clustering of distorted data operability and allow recommending it for use in practice for solving the problems of automatic clusterization of distorted data. The proposed method is intended for use in hybrid systems of computational intelligence and, above all, in the problems of learning artificial neural networks, neuro-fuzzy systems, as well as in the problems of clustering and classification. UK: Актуальність. У більшості завдань кластеризації (класифікації без вчителя), пов’язаних з обробкою реальних даних, початкова інформація, у тому чи іншому випадку як правило, спотворюється через аномальні викиди (збурення) та пропуски. Зрозуміло, що «класичні» методи інтелектуального аналізу даних (як пакетні, так і онлайн) в цій ситуації неефективні. Метою роботи було запропонувати процедуру нечіткої кластеризації викривлених даних з використанням достовірного підходу та міри подібності спеціального типу, а також розробка метода достовірної нечіткої кластеризації спотворених даних із використанням теорії довіри, яка була би позбавлена недоліків імовірнісних і можливісних підходів кластеризації викривлених даних. Метод. Процедура нечіткої кластеризації неповних даних із використанням достовірного підходу та міри схожості спеціального типу, заснована на використанні робастних цільових функцій спеціального типу, а також мір подібності, нечутливих до викидів та призначених для роботи як у пакетній, так і в онлайн версії для вирішення проблем Data Stream Mining, коли дані надходять на обробку послідовно в режимі реального часу. Результати. Запропоновані методи є простими в чисельній реалізації та позбавлені недоліків, властивих традиційним методам імовірнісної та можливістної нечіткої кластеризації. Висновки. Проведені експериментальні дослідження підтвердили результативність та якість роботи запропонованих методів достовірної нечіткої кластеризації спотворених даних і дозволяють рекомендувати їх для використання на практиці для вирішення проблем автоматичної кластеризації викривлених даних. Запропонований метод призначений для використання в гібридних системах обчислювального інтелекту і, перш за все, у проблемах навчання штучних нейронних мереж, нейро-фаззі систем, а також у завданнях кластеризації та класифікації.
Математическая модель задержки на основе систем с гиперэрланговским и эрланговским распределениями
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Тарасов, В. Н.; Тарасов, В. Н.; Tarasov, V. N.
RU: Актуальность. Исследования систем G/G/1 в теории массового обслуживания актуальны в связи с тем, что такие системы представляют интерес для анализа задержки систем передачи данных. В тоже время нельзя получить решения для задержки в конечном виде в общем случае при произвольных законах распределений входного потока и времени обслуживания. Поэтому важны исследования таких систем для частных случаев входных распределений. Рассмотрена задача вывода решения для средне задержки в очереди в замкнутой форме для двух систем с обычными и со сдвинутыми гиперэрланговскими и эрланговскими входными распределениями. Цель работы. Получение решения для основной характеристики системы – средней задержки требований в очереди для двух систем массового обслуживания типа G/G/1 с обычными и со сдвинутыми гиперэрланговскими и эрланговскими входными распределениями. Метод. Для решения поставленной задачи использован метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли. Данный метод позволяет получить решение для средней задержки ожидания для рассматриваемых систем в замкнутой форме. Метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли играет важную роль в теории систем G/G/1. Для практического применения полученных результатов использован известный метод моментов теории вероятностей. Результаты. Впервые получены спектральные разложения решения интегрального уравнения Линдли для двух систем, с помощью которых выведены расчетные выражения для средней задержки в очереди в замкнутой форме. Тем самым построены математические модели задержки требований в очереди для этих систем. Выводы. Полученные формулы расширяют и дополняют известную формулу теории массового обслуживания для среднего времени ожидания для систем G/G/1 с произвольными законами распределений входного потока и времени обслуживания. Такой подход позволяет рассчитать среднюю задержку для указанных систем в математических пакетах для широкого диапазона изменения параметров трафика. Кроме средней задержки, такой подход дает возможность определить и моменты высших порядков задержки. Учитывая тот факт, что вариация задержки пакетов (джиттер) в телекоммуникациях определяется как разброс задержки от ее среднего значения, то джиттер можно будет определить через дисперсию задержки. Полученные результаты публикуется впервые. UK: Актуальність. Дослідження систем G/G/1 в теорії масового обслуговування актуальні в зв’язку з тим, що такі системи становлять інтерес для аналізу затримки систем передачі даних. У той же час не можна отримати рішення для часу затримки в кінцевому вигляді в загальному випадку при довільних законах розподілів вхідного потоку і часу обслуговування. Тому є важливими дослідження таких систем для окремих випадків вхідних розподілів. Розглянуто задачу виведення рішення для середньої затримки в черзі у замкнутій формі для двох систем зі звичайними і з зсунутими гиперерлангівськими і ерлангівськими вхідними розподілами. Мета роботи. Отримання рішення для основної характеристики системи – середньої затримки вимог в черзі для двох систем масового обслуговування типу G/G/1 зі звичайними і з зсунутими гиперерлангівським і ерлангівським вхідними розподілами. Метод. Для вирішення поставленого завдання був використаний класичний метод спектрального розкладання розв'язку інтегрального рівняння Ліндлі. Цей метод дозволяє отримати рішення для середньої затримки для розглянутих систем у замкнутій формі. Метод спектрального розкладання розв’язку інтегрального рівняння Ліндлі грає важливу роль у теорії систем G/G/1. Для практичного застосування отриманих результатів було використано відомий метод моментів теорії ймовірностей. Результати. Вперше отримано спектральні розкладання розв’язку інтегрального рівняння Ліндлі для двох систем, за допомогою яких виведені розрахункові формули для середньої затримки в черзі в замкнутій формі. Висновки. Отримано спектральні розкладання розв’язку інтегрального рівняння Ліндлі для розглянутих систем, та з їх допомогою виведені розрахункові формули для середньої затримки в черзі для цих систем в замкнутій формі. Ці формули розширюють і доповнюють відомі формули теорії масового обслуговування для середньої затримки для систем G/G/1 з довільними законами розподілів вхідного потоку і часу обслуговування. Такий підхід дозволяє розрахувати середньої затримки для зазначених систем в математичних пакетах для широкого діапазону зміни параметрів трафіку. Всі інші характеристики систем є похідними часу очікування. Крім середнього часу очікування, такий підхід дає можливість також визначити моменти вищих порядків часу очікування. З огляду на той факт, що варіація затримки пакетів (джиттер) в телекомунікації визначається як дисперсія затримки від його середнього значення, то джиттер можна буде визначити через дисперсію затримки. EN: Context. Studies of G/G/1 systems in queuing theory are relevant because such systems are of interest for analyzing the delay of data transmission systems. At the same time, it is impossible to obtain solutions for the delay in the final form in the general case for arbitrary laws of distribution of the input flow and service time. Therefore, it is important to study such systems for particular cases of input distributions. We consider the problem of deriving a solution for the average queue delay in a closed form for two systems with ordinary and shifted hypererlangian and erlangian input distributions. Objective. Obtaining a solution for the main characteristic of the system – the average delay of requests in the queue for two queuing systems of the G/G/1 type with ordinary and with shifted hypererlangian and erlangian input distributions. Method. To solve this problem, we used the classical method of spectral decomposition of the solution of the Lindley integral equation. This method allows to obtaining a solution for the average delay for systems under consideration in a closed form. The method of spectral decomposition of the solution of the Lindley integral equation plays an important role in the theory of systems G/G/1. For the practical application of the results obtained, the well-known method of moments of probability theory is used. Results. For the first time, spectral expansions of the solution of the integral Lindley equation for two systems are obtained, with the help of which calculation formulas for the average delay in a queue in a closed form are derived. Thus, mathematical models of queuing delay for these systems have been built. Conclusions. These formulas expand and supplement the known queuing theory formulas for the average delay G/G/1 systems with arbitrary laws distributions of input flow and service time. This approach allows us to calculate the average delay for these systems in mathematical packages for a wide range of traffic parameters. In addition to the average delay, such an approach makes it possible to determine also moments of higher orders of waiting time. Given the fact that the packet delay variation (jitter) in telecommunications is defined as the spread of the delay from its average value, the jitter can be determined through the variance of the delay.
Universal method for computational modeling of threshold phenomenon in the nonsteady biological processes
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Perevaryukha, A. Yu.; Переварюха, А. Ю.
EN: Context. In modern conditions occur abrupt changes in ecosystems. The species composition of Caspian Sea is changing rapidly. The dynamics of populations acquires an extreme character with the development of rapid invasions. The mathematical description of scale transformations requires new modeling methods. Complicated population regimes of changes have features of the threshold phenomenon in process of its development. Objective. We set the goal of computational modeling of practically important scenarios – groups of situations that relate to extreme and transitional dynamics of ecosystems, like outbreaks at the onset of dangerous invasions. We are developing a method that, on the basis of the survival model of generations, will conduct a description of sudden transitions to rapid but limited outbreak of numbers or, on contrary, a collapse of stocks like Atlantic cod in 1992 or Peruan anchovy Engraulis ringens in 1985. The purpose of our modeling is to improve the accuracy of forecasts of the population size when experts are estimates a rational strategy for the exploitation of biological resources. Method. Situations of abrupt but short-term changes in population processes cannot be calculated by traditional mathematical models and expressed in terms of asymptotic dynamics – closed limit trajectory sets. The basis of the idea of the method proposed by us is the formalization of nonlinear efficiency of reproduction, which changes in a threshold manner only in strictly defined environmental conditions. We use continuous-discrete time in the model for early ontognosis of the cod fish and insect pests. The method with triggers allows us to take into account in simulation experiments logic and motivation of making decisions by experts, people who manage the strategy of exploiting biological resources. Models assess variability for development of situations Results. We have implemented new method of bounded trigger functionals into hybrid system of the equations, that acting in selected specific states of biosystems. Analysis of new model scenarios with modifications of functionals in the basic hybrid system for extreme situations in fish and insect pests is carried out. Conclusions. We consider the method to be universal, since selection of the functional can be adapted to a wide class of models using differential equations on a fixed interval. UK: Актуальність. В сучасних умовах відбуваються різкі зміни в екосистемах. Стрімко змінюється видовий склад біоценозів. Динаміка популяцій набуває екстремальний характер при розвитку стрімких інвазій. Для математичного опису масштабних трансформацій потрібні нові методи моделювання. Складні популяційні режими змін мають ряд особливостей порогового розвитку. Нами розвивається методика гібридних обчислень для опису нелінійних ефектів в екодінамікі. Мета роботи. Ми ставимо завдання обчислювального моделювання практично важливих сценаріїв – групи ситуацій, які відносяться до екстремальної та перехідною динаміці екосистем, як спалахів при початку небезпечних інвазій. Розвиваємо спосіб, який буде на основі моделі виживання поколінь проводити опис раптових переходів до стрімкої, але обмеженою спалаху чисельності. Аналогічно, метод можна застосовувати до аналізу ситуацій колапсу біоресурсів – швидкої і несподіваної деградації запасів риб, що не змінюється відновленням всупереч прогнозам і розрахунками фахівців. Метод. Ситуації різких, але нетривалих зміни в популяційних процесах неможливо розрахувати традиційними математичними моделями і висловити термінами асимптотической динаміки – замкнутими граничними множинами траєкторії. В основі ідеї пропонованого нами методу формалізація нелінійної ефективності відтворення, яка змінюється пороговим чином тільки в суворо визначених умовах середовища, для чого використано безперервно-дискретний час. Результати. У гібридній системі рівнянь реалізований метод тригерних функціоналів, що діють в виділених особливих станах біосистем. Проводиться аналіз нових модельних сценаріїв з модифікаціями функціоналів в базовій гібридній системі для екстремальних ситуацій у риб і комах-шкідників. Висновки. Метод ми вважаємо універсальним, так підбір функціонала може бути адаптований до широкого класу моделей, що використовують диференціальні рівняння на фіксованому інтервалі.
Прогнозування параметрів багатовимірних просторово-часових рядів з урахуванням властивості нестаціонарності розподілу часової складової
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Новожилова, М. В.; Андронов, В. А.; Мележик, Р. С.; Novozhylova, M. V.; Andronov, V. A.; Melezhik, R. S.
UK: Актуальність. Актуальність роботи полягає в розробці методів збору, аналізу та обробки просторово-часової інформації, а саме рядів даних, розподілених як у просторі, так і у часі та побудові на цій основі комп’ютерної ймовірнісної моделі процесу прогнозування виникнення та розвитку надзвичайних ситуацій техногенного характеру на інженерній інфраструктурі міста. Просторово-часовий характер рядів даних визначає додаткові вимоги до процедур ідентифікації математичної моделі ряду, отже, в статті пропонується низка підходів до виявлення його структури та побудови моделі ряду. Мета. Створення, методична та програмна реалізація комп’ютерної моделі просторово-часового ряду, що використовуватиметься для прогнозування майбутніх значень локацій та часу виникнення надзвичайних ситуацій на інженерній інфраструктурі мегаполісу і підвищення ефективності прийняття рішень. Метод. Розроблено проекційний підхід, що передбачає незалежне визначення випадкових просторових параметрів аварійних ланок інженерної інфраструктури як послідовності двох одновимірних рівномірних розподілів та визначення часового розподілу моментів виникнення аварій як нестаціонарного розподілу Пуассона. Запропоновано інтегральний підхід, який включає побудову точок-генераторів, потужність яких (характеристика складності аварії) визначається на основі реалізації підходу порівнювальної статики з так званим накопичувальним ефектом у межах певного часу. Побудовано релаксаційний підхід до визначення параметрів моделі вихідного просторово-часового ряду, що базується на кластеризації просторової складової за відповідною часовою характеристикою. Проведено формалізацію просторово-часового поля, побудовано процедури інформаційного забезпечення процесу прогнозування параметрів просторово-часового ряду, виконано типізацію вихідних даних для проведення чисельних експериментів на прикладі мережі водопостачання та водовідведення комунального підприємства «Харківводоканал», м. Харків. Результати. Запропоновано дуальну методологію щодо визначення параметрів імітаційної моделі просторово-часового ряду, що містить як проекційний так і інтегральний підходи, а також комбіновану методику – релаксаційний підхід. Проведено чисельні експерименти на основі побудованої моделі, що є теоретичною основою для здійснення та побудови прогнозу з використанням великого обсягу історичних даних. Висновки. В роботі одержав подальший розвиток метод прогнозування параметрів просторово-часових рядів з урахуванням властивості нестаціонарності розподілу часової складової. Застосування запропонованих інструментальних засобів комп’ютерного моделювання дозволяє підвищити точність прогнозу локації, часу настання та тяжкості можливої аварії на інженерній інфраструктурі мегаполісу. EN: Context. The urgency of the research is to develop methods for analyzing and processing space-time information, namely the set of data distributed both in space and time and creating on this basis a computer probabilistic model of the process of predicting man-made emergencies on city engineering infrastructure. The spatio-temporal nature of data series causes additional requirements for the identification procedures of the mathematical model of a series, therefore, the number of approaches identifying its structure and construction of a series model has been proposed. Objective is methodical and software implementation of a computer model of the space-time series being intended to predict the future values of locations and times of man-made emergencies on the engineering infrastructure of the metropolis and increase decision-making efficiency. Method. A projection approach providing independent determination of random spatial parameters defining location of emergency units on engineering infrastructure as a sequence of two one-dimensional uniform distributions and describing time distribution of moments of accidents as non-stationary Poisson distribution has been developed. Proposed is an integrated approach which includes the construction of generator points, the power of which (characteristic of the accident complexity) based on the implementation of the comparative statics approach with so-called cumulative effect within a certain time. A relaxation approach based on the reduction of a two-dimensional simulation model of determining the city of possible emergency location to a set of independent one-dimensional non-stationary (including stationary) distributions to generate the time of occurrence has been constructed. Formalization of the space-time field, procedures of information support of the process of forecasting the parameters of a possible emergency, typification of initial data for numerical experiments on the implementation of methods for forecasting the parameters of a possible emergency on the example of water supply and sewerage network of utility company Kharkivvodokal, city Kharkiv have been developed. Results. A dual methodology to determine the simulation model parameters of the space-time series, which contains both projection and integral approaches, as well as a combined method  relaxation approach, have been proposed. Numerical experiments based on the constructed model were performed. The model being considered is the theoretical basis to construct the forecast using a large amount of historical data. Conclusions. The method to predict the parameters of space-time series considering the nonstationarity property of the time component distribution has been further developed. Using the proposed computer simulation tools allows to increase the accuracy of the forecast of the location, time of occurrence and severity of a possible accident on the engineering infrastructure of the metropolis.
Application of the “jumping frogs” algorithm for research and optimization of the technological process
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Koshevoy, N. D.; Muratov, V. V.; Kirichenko, A. L.; Borisenko, S. A.; Кошовий, М. Д.; Муратов, В. В.; Кириченко, О. Л.; Борісенко, С. А.
EN: Context. An application of the method of a “jumping frogs” search algorithm to construct optimal experiment plans for cost (time) in the study of technological processes and systems that allow the implementation of an active experiment on them is proposed. The object of study are optimization methods for cost (time) costs of experimental designs, based on the application of a “jumping frogs” search algorithm. Objective. To obtain optimization results by optimizing the search of a “jumping frogs” search algorithm for the cost (time) costs of plans for a full factorial experiment. Method. A method is proposed for constructing a cost-effective (time) implementation of an experiment planning matrix using algorithms for searching for “jumping frogs”. At the beginning, the number of factors and the cost of transitions for each factor level are entered. Then, taking into account the entered data, the initial experiment planning matrix is formed. Then, taking into account the entered data, the initial matrix of experiment planning is formed. The “jumping frogs” method determines the “successful frog” by the lowest cost of transitions between levels for each of the factors. After that, the permutations of the “frogs” are performed. The «frog» strives for the most “successful” and, provided it stays close, remains in the location. Then the gain is calculated incomparison with the initial cost (time) of the experiment. Results. Software has been developed that implements the proposed method, which was used to conduct computational experiments to study the properties of these methods in the study of technological processes and systems that allow the implementation of an active experiment on them. The experimental designs that are optimal in terms of cost (time) are obtained, and the winnings in the optimization results are compared with the initial cost of the experiment. A comparative analysis of optimization methods for the cost (time) costs of plans for a full factorial experiment is carried out. Conclusions. The conducted experiments confirmed the operability of the proposed method and the software that implements it, and also allows us to recommend it for practical use in constructing optimal experiment planning matrices. UK: Актуальність. Запропоновано застосування методу «стрибаючих жаб» для побудови оптимальних планів експериментів за вартісними (часовими) витратами при дослідженні технологічних процесів та систем, що дозволяють здійснювати над ними активний експеримент. Об’єкт. Методи оптимізації за вартісними (часовими) витратами, основані на застосуванні алгоритму пошуку «стрибаючих жаб». Метою роботи є отримання результатів оптимізації шляхом оптимізації за допомогою алгоритму «стрибаючих жаб» за вартісними (часовими) витратами планів повного факторного експерименту. Метод. Запропоновано метод побудови за вартісними (часовими) витратами реалізації матриці планування експерименту з використанням алгоритму «стрибаючих жаб». На початку вводиться кількість факторів і вартість переходів для кожного рівня факторів. Потім з урахуванням введених даних формується початкова матриця планування експерименту. Метод «стрибаючих жаб» визначає найбільш «успішну жабу» та найменшу вартість переходів між рівнями для кожного з факторів. Після цього виконуються перестановки «жаб». «Жаба» прагне до найбільш «успішних» і, за умови, що вона залишається поруч, залишається на місці. Також розраховується виграш порівняно з початковою вартістю (часом) експерименту. Результати. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод, який використовувався для проведення обчислювальних експериментів для вивчення властивостей цих методів при вивченні технологічних процесів і систем, що дозволяють здійснювати над ними активний експеримент. Отримані результати оптимальних планів експериментів за вартісними (часовими) витратами порівнюються з початковою вартістю експерименту та розраховується виграш у порівнянні з початковим планом експерименту. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу та програмного забезпечення, яке його реалізує, а також дозволяє рекомендувати його для практичного використання при побудові оптимальних матриць планування експериментів.
Математичні моделі продуктивності кластерної системи на базі Raspberry Pi 3B+
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Бабчук, С. М.; Гуменюк, Т. В.; Романів, І. Т.; Babchuk, S. M.; Humeniuk, Т. V.; Romaniv, I. T.
UK: Актуальність. Для вирішення багатьох наукових задач та для роботи з складними прикладними завданнями необхідні високопродуктивні обчислювальні системи. Раніше реальну паралельну обробку даних підтримували тільки суперкомп’ютери, доступ до яких є дуже обмеженим і ускладненим. В даний час одним із шляхів вирішення даної проблеми є побудова невеликих дешевих кластерів на базі одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi. Мета. Розробити комплексний критерій ефективності роботи кластерної системи, який би міг належним чином охарактеризувати роботу такої системи та знайти залежності продуктивності кластерної системи на базі Raspberry Pi 3B+ від кількості плат в ній при різних системах охолодження. Метод. Запропоновано застосовувати при аналізі невеликих кластерних комп’ютерних систем комплексний критерій ефективності роботи кластерної системи, який буде враховувати загальну продуктивність кластерної комп’ютерної системи, продуктивність одного обчислювального елементу в кластерній комп’ютерній системі, споживання електроенергії кластерною системою, споживання електроенергії з розрахунку на один обчислювальний елемент, собівартість обчислення 1 Гфлопс кластерною комп’ютерною системою, загальну вартість кластерної комп’ютерної системи. Результати. Розроблений комплексний критерій ефективності роботи кластерної системи використано при створенні дослідної кластерної системи на базі одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi 3B+. Також розроблено математичні моделі залежності продуктивності невеликої кластерної системи на базі одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi 3B+ в залежності від кількості плат в ній при різних системах охолодження. Висновки. Проведені експерименти підтвердили доцільність використання розробленого комплексного критерію ефективності роботи кластерної системи та дозволяють рекомендувати його до використання на практиці при створенні невеликих кластерних систем. Перспективи подальших досліджень полягають у визначенні вагових коефіцієнтів складових елементів комплексного критерію ефективності роботи кластерної системи, а також в експериментальному вивченні запропонованих вагових коефіцієнтів. EN: Context. High-performance computing systems are needed to solve many scientific problems and to work with complex applied problems. Previously, real parallel data processing was supported only by supercomputers, which are very limited and difficult to access. Currently, one way to solve this problem is to build small, cheap clusters based on single-board computers Raspberry Pi. Objective. The goal of the work is the creation of a complex criterion for the efficiency of the cluster system, which could properly characterize the operation of such a system and find the dependences of the performance of the cluster system based on Raspberry Pi 3B+ on the number of boards in it with different cooling systems. Method. It is offered to apply in the analysis of small cluster computer systems the complex criterion of efficiency of work of cluster system which will consider the general productivity of cluster computer system, productivity of one computing element in cluster computer system, electricity consumption by cluster system, electricity consumption per one computing element, the cost of calculating 1 Gflops cluster computer system, the total cost of the cluster computer system. Results. The developed complex criterion of cluster system efficiency was used to create an experimental cluster system based on single-board computers Raspberry Pi 3B+. Mathematical models of the dependence of the performance of a small cluster system based on single-board computers Raspberry Pi 3B+ depending on the number of boards in it with different cooling systems have also been developed. Conclusions. The conducted experiments confirmed the expediency of using the developed complex criterion of efficiency of the cluster system and allow to recommend it for use in practice when creating small cluster systems. Prospects for further research are to determine the weights of the constituent elements of the complex criterion of efficiency of the cluster system, as well as in the experimental study of the proposed weights.
Self-timed look up table for ULAs and FPGAs
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Tyurin, S. F.; Skornyakova, A. Yu.; Stepchenkov, Y. A.; Diachenko, Y. G.; Тюрін, С. Ф.; Скорнякова, А. Ю.; Степченков, Ю. А.; Дьяченко, Ю. Г.
EN: Context. Self-Timed Circuits, proposed by D. Muller on the rise of the digital era, continues to excite researchers’ minds. These circuits started with the task of improving performance by taking into account real delays. Then Self-Timed Circuits have moved into the field of green computing. At last, they are currently positioned mainly in the field of fault tolerance. There is much redundancy in Self-Timed Circuits. It is believed that Self-Timed Circuits approaches will be in demand in the nano-circuitry when a synchronous approach becomes impossible. Strictly Self-Timed Circuits check transition process completion for each gate’s output. For this, they use so-called D. Muller elements (C-elements, hysteresis flip-flops, G-flip-flops). Usually, Self-Timed Circuits are designed on Uncommitted Logic Array. Now an extensive base of Uncommitted Logic Array Self-Timed gates exists. It is believed that Self-Timed Circuits are not compatible with FPGA technology. However, attempts to create self-timed FPGAs do not stop. The article proposes a Self-Timed Lookup Table for the Self-Timed Uncommitted Logic Array and the Self-Timed FPGA, carried out either by constants or utilizing additional memory cells. Authors proposed 1,2 – Self-Timed Lookup Table and described simulation results. Objective. The work’s goal is the analysis and design of the Strictly Self-Timed universal logic element based on Uncommitted Logic Array cells and pass-transistors circuits. Methods. Analysis and synthesis of the Strictly Self-Timed circuits with Boolean algebra. Simulation of the proposed element in the CAD “ARC”, TRANAL program, system NI Multisim by National Instruments Electronics Workbench Group, and layout design by Microwind. The reliability theory and reliability calculations in PTC Mathcad. Results. Authors designed, analyzed, and proved the Self-Timed Lookup Table’s workability for the Uncommitted Logic Arrays and FPGAs. Layouts of the novel logic gates are ready for manufacturing. Conclusions. The conducted studies allow us to use proposed circuits in perspective digital devices. UK: Актуальність. Самосинхронні схеми, запропоновані Д. Маллером на зорі цифрової ери, продовжують хвилювати уми дослідників. Ці схеми стартували із завдань підвищення продуктивності з урахуванням реальних затримок. Потім самосинхронні схеми перейшли в область «зелених» обчислень і, нарешті, в даний час позиціонуються в основному в області відмовостійкості. У самосинхронних схем багато надмірності. Вважається, що підходи самосинхронних схем будуть задіяні в нано схемотехниці, коли синхронний підхід стане неможливим. Строго самосинхронні схеми аналізують закінчення перехідного процесу на виходах кожного вентиля, використовуючи так звані елементи Маллера (C-елементи, гістерезисні тригери, G-тригери). Зазвичай самосінхронні схеми розробляються для базових матричних кристалів. Є велика база самосинхронних схем базових матричних кристалів. Вважається, що самосинхронні схеми несумісні з технологією FPGA. Але спроби створення самосинхронних ПЛІС не припиняються. У статті пропонується самосинхронний генератор функцій для самосинхронних схем базових матричних кристалів та самосинхронних FPGA, конфігурація яких здійснюється або константами, або за допомогою додаткових елементів пам’яті. Автори запропонували 1,2 – LUT-самосинхронний і описали результати моделювання. Мета. Метою даної роботи є аналіз і проектування самосинхронного універсального логічного елемента LUT-самосинхронний, заснованого на елементах БМК і на схемах передачі транзисторів. Методи. Аналіз і синтез строго самосинхронних схем за допомогою булевої алгебри. Моделювання запропонованого елемента в САПР «Ковчег», програмою TRANAL, системах NI Multisim від National Instruments Electronics Workbench Group і топологічного проектування Microwind. Теорія надійності і відповідні розрахунки в СКА Mathcad. Результати. Автори розробили, проаналізували і довели працездатність самосинхронного генератора функцій для базових матричних кристалів і для ПЛІС. Топології нових логічних елементів готові до виготовлення. Висновки. Проведені дослідження дозволяють використовувати запропоновані схеми в перспективних цифрових пристроях.
Approximate solutions for the Kolmogorov-Wiener filter weight function for continuous fractional Gaussian noise
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Gorev, V. N.; Gusev, A. Yu.; Korniienko, V. I.; Горєв, В. М.; Гусєв, О. Ю.; Корнієнко, В. І.
EN: Context. We consider the Kolmogorov-Wiener filter for forecasting of telecommunication traffic in the framework of a continuous fractional Gaussian noise model. Objective. The aim of the work is to obtain the filter weight function as an approximate solution of the corresponding Wiener-Hopf integral equation. Also the aim of the work is to show the convergence of the proposed method of solution of the corresponding equation. Method. The Wiener-Hopf integral equation for the filter weight function is a Fredholm integral equation of the first kind. We use the truncated polynomial expansion method in order to obtain an approximate solution of the corresponding equation. A set of Chebyshev polynomials of the first kind is used. Results. We obtained approximate solutions for the Kolmogorov-Wiener filter weight function for forecasting of continuous fractional Gaussian noise. The solutions are obtained in the approximations of different number of polynomials; the results are obtained up to the nineteen-polynomial approximation. It is shown that the proposed method is convergent for the problem under consideration, i.e. the accuracy of the coincidence of the left-hand and right-hand sides of the integral equation increases with the number of polynomials. Such convergence takes place due to the fact that the correlation function of continuous fractional Gaussian noise, which is the kernel of the corresponding integral equation, is a positively-defined function. Conclusions. The Kolmogorov-Wiener filter weight function for forecasting of continuous fractional Gaussian noise is obtained as an approximate solution of the corresponding Fredholm integral equation of the first kind. The proposed truncated polynomial expansion method is convergent for the problem under consideration. As is known, one of the simplest telecommunication traffic models is the model of continuous fractional Gaussian noise, so the results of the paper may be useful for telecommunication traffic forecast. UK: Наближені розв’язки для вагової функції фільтра Колмогорова-Вінера для неперервного фрактального Гауссового шуму Актуальність. Розглянуто фільтр Колмогорова-Вінера для прогнозування телекомунікаційного трафіку в рамках моделі неперервного фрактального гауссового шуму. Мета роботи. Метою роботи є отримати вагову функцію фільтра як наближений розв’язок відповідного інтегрального рівняння Вінера-Хопфа. Метою роботи також є показати збіжність запропонованого методу розв’язання даного рівняння. Метод. Інтегральне рівняння Вінера-Хопфа на вагову функцію фільтра є інтегральним рівнянням Фредгольма першого роду. Ми використовуємо метод обірваного розвинення за ортогональними поліномами з метою отримати наближений розв’язок відповідного рівняння. Використано поліноми Чебишева першого роду. Результати. Нами отримано наближені розв’язки для вагової функції фільтра Колмогорова-Вінера для прогнозування неперервного фрактального гауссового шуму. Розв’язки отримано у наближеннях різної кількості поліномів, результати отримано до наближення дев’ятнадцяти поліномів включно. Показано, що для задачі, що розглядається, запропонований метод є збіжним, тобто точність співпадіння лівої та правої частин інтегрального рівняння зростає зі зростом кількості поліномів. Така збіжність має місце, бо кореляційна функція фрактального гауссового шуму, яка є ядром відповідного інтегрального рівняння, є позитивно визначеною функцією. Висновки. Вагова функція фільтра Колмогорова-Вінера для прогнозування неперервного фрактального гауссового шуму отримана як наближений розв’язок відповідного інтегрального рівняння Фредгольма першого роду. Запропонований метод обірваного розвинення за ортогональними поліномами є збіжним для задачі, що розглядається. Як відомо, однією з найпростіших моделей телекомунікаційного трафіку є модель неперервного фрактального гауссового шуму, тож результати статті можуть бути корисними для прогнозування телекомунікаційного трафіку.
The optimization of the shape and size of the injection contacts of the integrated p-i-n-structures on the base of using the conformal mapping method
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Bomba, A. Ya.; Moroz, I. P.; Boichura, M. V.; Бомба, А. Я.; Мороз, І. П.; Бойчура, М. В.
EN: P-i-n-diodes are widely used in a microwave technology to control the electromagnetic field. The field is controlled by the formation of an electron-hole plasma in the region of an intrinsic semiconductor (i-region) under the influence of a control current. The development of control devices on p-i-n-diodes has led to the emergence of integral p-i-n-structures of various types, the characteristics of which (for example, switching speed, switched power level, etc.) exceed the similar characteristics of volume diodes. The properties of p-i-n-structures are determined by a number of processes: the diffusion-drift charge transfer process, the recombination-generation, thermal, injection, and the so on. Obviously, these processes should be taken into account (are displayed) in the mathematical model of the computer-aided design system for control devices of a microwave systems. Integrated process accounting leads to the formulation of complex tasks. One of them is the task of optimizing the shape, geometric dimensions and placement of the injected contacts (an active region). Objective. The goal of the work is the development of a mathematical model and the corresponding software of the process of a microwave waves interaction with electron-hole plasma in an active region of the surface-oriented integral p-i-n-structures with ribbon-type freeform contacts to optimize an active region shape and its geometric dimensions. Method. The main idea of the developed algorithm is to use the conformal mapping method to bring the physical domain of the problem to canonical form, followed by solving internal boundary value problems in this area for the ambipolar diffusion equation and the wave equation using numerical-analytical methods (the finite difference method; partial domains method using projection boundary conditions similar to the Galerkin method). The optimization algorithm is based on a phased solution of the following problems (the shape and geometric dimensions of the active region are specified at each stage): a computational grid of nodes for the physical regions of the problem is being found, in an active region the carriers concentration distribution is being determined and the energy transmitted coefficient in the system under study is being calculated, which is used in the proposed optimization functional. The extreme values of the functional are found by the uniform search method. Results. The proposed mathematical model and the corresponding algorithm for optimizing the shape and geometric dimensions of the active region (i-region) of integrated surface-oriented p-i-n-structures expands the tool base for the design of semiconductor circuits of microwave frequencies (for example, similar to CST MICROWAVE STUDIO). Conclusions. An algorithm has been developed to optimize the shape and geometrical dimensions of the active region of integrated surface-oriented p-i-n-structures with in-depth contacts intended for switching millimeter-wave electromagnetic signals. The universality of the algorithm is ensured by applying the method of conformal transformations of spatial domains. The example of the application of the proposed algorithm to search for the optimal sizes of wedge-shaped (in cross-section) contacts of silicon structures is considered. UK: Актуальність. P-i-n-діоди широко використовуються у техніці надвисоких частот для управління електромагнітним полем. Керування полем здійснюється за рахунок формування в області власного напівпровідника (і-області) електронно-діркової плазми під дією керуючого струму. Розвиток керуючих пристроїв на p-i-n-діодах привів до появи інтегральних p-i-n-структур різних типів, характеристики яких (наприклад, швидкодія, рівень комутованої потужності тощо) перевищують аналогічні характеристики об’ємних діодів. Властивості p-i-n-структур визначають ряд процесів: дифузійно-дрейфовий процес перенесення зарядів, рекомбінаційно-генераційні, теплові, інжекції тощо. Очевидно, що зазначені процеси повинні враховуватись (знаходити відображення) у математичній моделі системи комп’ютерного проектування керуючих пристроїв надвисокочастотних систем. Комплексне врахування процесів приводить до постановки складних задач. Одна із них – задача оптимізації форми, геометричних розмірів та розміщення інжектуючих контактів (активної області). Мета. Полягає у розробці математичної моделі та відповідного їй програмного комплексу процесу взаємодії надвисокочастотних хвиль з електронно-дірковою плазмою в активній області напівпровідникових комутуючих поверхнево-орієнтованих інтегральних p-i-n-структур з контактами стрічкового типу для проведення процедури оптимізації форми та геометричних розмірів активної області. Метод. Основна ідея розробленого алгоритму – застосування методу конформних відображень для приведення фізичної області задачі до канонічного вигляду з подальшим розв’язанням на даній області внутрішніх крайових задач для рівняння амбіполярної дифузії та хвильового рівняння чисельно-аналітичними методами (використано метод скінченних різниць, частинних областей із застосуванням проекційних граничних умов, аналог методу Гальоркіна). В основі оптимізаційного алгоритму лежить поетапне розв’язання (при заданих на кожному етапі формі та геометричних розмірах активної області) наступних задач: знаходиться розрахункова сітка вузлів для фізичних областей задачі, розраховується розподіл концентрації носіїв заряду в активній області, обчислюється коефіцієнт передачі енергії в досліджуваній системі, який входить в запропонований оптимізаційний функціонал. Екстремальні значення функціоналу знаходяться методом рівномірного пошуку. Результати. Запропонована математична модель та відповідний результативний алгоритм оптимізації форми та геометричних розмірів активної області (і-області) інтегральних поверхнево-орієнтованих p-i-n-структур розширює інструментальну базу для проектування напівпровідникових схем надвисоких частот (аналогічних, наприклад, CST MICROWAVE STUDIO). Висновки. Розроблено алгоритм оптимізації форми та геометричних розмірів активної області інтегральних поверхнево-орієнтованих p-i-n-структур з заглибленими контактами, що призначені для комутації електромагнітних сигналів міліметрового діапазону. Універсальність алгоритму забезпечується застосуванням методу конформних відображень просторових областей. Розглянуто приклад застосування запропонованого алгоритму для пошуку оптимальних розмірів клиновидних (в поперечному розрізі) контактів кремнієвих структур.
Комбінований критерій вибору маршрутизації на основі D2D технології
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Булашенко, А. В.; Bulashenko, А. V.
UK: Актуальність. Мережі 5G здатні покращувати існуючі послуги та забезпечувати нову якість послуг. Мережі зв’язку 5G об’єднують в собі різні радіотехнології та технології фіксованих мереж зв’язку, тому їх часто називають гетерогенними, що підкреслює їх різницю від інших мереж. Одними із основних особливостей таких мереж є надщільність та ультра малі затримки. Саме Інтернет речей є базовою складовою концепції надщільних мереж. 3GPP пропонує планувати мережі 5G виходячи із умови, що в 1 км2 є один мільйон пристроїв. Також мережі зв’язку з ультра малими затримками мають великий вплив на методи побудови мереж, особливо для концепції Тактильного Інтернету. Такі мережі потребують децентралізації внаслідок вимоги до затримки в 1 мс. Це вимагає нових підходів побудови мереж нового покоління, що є причиною розвитку нових технологій. Однією із таких технологій є технологія пристрій-пристрій D2D. Ця технологія дає можливість зменшити навантаження на ядро мережі завдяки використанню значної долі трафіка безпосередньо між пристроями і дає можливість зменшити затримку при забезпеченні послуг мережі. Мета. Мета роботи полягає в тому, щоб створити оптимальний комбінований критерій вибору ефективних маршрутів трафіка у безпровідній мережі на основі технології D2D. Метод. Багато сучасних робіт присвячено вивченню технології D2D, але вони не є повністю дослідженими у питаннях вивчення маршрутизації в таких мережах. Досить об’єктивним є дослідження мереж, що побудовані на основі взаємодії пристроїв між собою по технології D2D, оскільки такі взаємодії виявилися ефективною технологією. Це, в свою чергу, вимагає розробку відповідних методів маршрутизації у мережах, що використовують технологію D2D, особливо із врахуванням властивості надщільності мереж 5G. У роботі запропонований критерій вибору маршрутів з врахуванням завад всередині каналів, що утворюють вузли мережі. Цей критерій поєднує в собі вибір маршрутів за критеріями довжини та за критерієм максимума пропускной здатності. Результати. Розроблений комбінований критерій вибору маршрутизації трафіка у безпровідній мережі, що використовує технологію D2D. Результати дослідження проілюстровані графічними даними. Висновки. Проведені дослідження підтвердили працездатність та ефективність розробленого методу та дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при вибору маршруту із врахуванням тих властивостей мережі, що в найбільшій степені відображаються на якості маршруту. EN: Context. 5G network is able to improve existing services and provide a new quality of services. 5G communication networks combine various radio technologies and technologies of fixed communication networks, therefore they are often called heterogeneous, which emphasizes their difference from other networks. One of the main features of such networks is over-density and ultra-low latency. It is the Internet of things that is the basic component of the concept of super dense networks. 3GPP suggests planning 5G networks based on the condition that 1 million devices is 1 km2. Also, ultra-low latency communications networks have a big impact on networking methods, especially for the tactile Internet concept. Such networks require decentralization through 1 ms delay requirements. This requires new approaches to building a new generation of networks, which is the reason for the development of new technologies. One such technology is D2D (device-to-device) technology. This technology allows you to reduce the load on the core of the network due to the use of a significant proportion of the traffic directly between devices and reduces the delay in providing services. Objective. The goal of the work is to create an optimal combined criterion for choosing effective traffic routes in a wireless network based on D2D technology. Method. Many modern works are devoted to the study of D2D technology, but they are not exhaustive in the study of routing in such networks. It is objective enough to study networks built on the basis of the interaction of devices with each other using D2D technology, since such interactions have proven to be effective technologies. This, in turn, involves the development of appropriate routing methods in networks using D2D technology, especially taking into account the property of over-density 5G networks. The paper proposes a criterion for selecting routes, taking into account interference within the channels forming the network nodes. This criterion combines the choice of routes according to the length criteria and the criterion of maximum throughput. Results. A developed combined criterion for selecting traffic routing in a wireless network that uses D2D technology. The results of the study are shown in graphic data. Conclusions. The experiments confirmed the efficiency and effectiveness of the developed method and allow us to recommend this method for practical use as a result of route selection, taking into account those network properties that are more likely to affect the quality of the route.

Browse

Recent Submissions