Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2018, №1 (44)

Permanent URI for this collectionhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27988

Browse

Now showing 1 - 20 of 22

Статическая оптимизация процессов ректификации с использованием подвижных управляющих воздействий
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Шейкус, А. Р.; Тришкин, В. Я.; Шейкус, А. Р.; Тришкін, В. Я.; Sheikus, A. R.; Trishkin, V. Ya.
RU: Актуальность. Решена актуальная задача многокритериальной статической оптимизации процессов ректификации с использованием подвижных управляющих воздействий, которые заключаются в изменении места ввода сырья в колонну, а также исследована эффективность их использования при различных статических режимах процесса. Цель работы – повышение производительности процесса ректификации и снижение энергетических затрат на его ведение путем использования при управлении процессом подвижных управляющих воздействий и многокритериального подхода к расчету их оптимальных величин. Метод. Предложены методы расчета оптимальной тарелки питания совместно с расчетами оптимальных величин традиционных управляющих воздействий – расхода пара в куб колонны и выхода целевого продукта – на основании критериев максимизации производительности и минимизации энергозатрат с использованием нормализованного критерия оптимизации. Расчеты проводятся с использованием нелинейной математической модели процесса, описывающей процессы тепло- и массообмена на каждом контактном устройстве установки. Расчет оптимальной точки на границе рабочей области ректификационной колонны в координатах традиционных управляющих воздействий предложено вести методом секущих. Так как величина искомого подвижного управляющего воздействия может принимать только дискретные, целочисленные значения, то для решения оптимизационной задачи предложен метод сканирования. Результаты. Разработанный оптимизационный метод использовался для расчетов оптимальных статических режимов ректификационной колонны для разделения смеси метанол-вода при изменении значений параметров модели в широких пределах. Доказана экстремальная зависимость от величины подвижного управляющего воздействия как частных критериев, так и нормализованного критерия оптимизации. Результаты моделирования показали, что достигаемое использованием подвижных управляющих воздействий повышение производительности составляет 1–5% при экономии тепла в кубе колонны на 6–8%. Выводы. Проведенные исследования доказали эффективность многокритериального подхода к решению задачи статической оптимизации процессов ректификации с использованием подвижных управляющих воздействий, что позволяет использовать его на практике. Предложенные методы статической оптимизации применимы для процессов многокомпонентной, сложной ректификации. Дальнейшие исследования в данном направлении заключаются в разработке методов и алгоритмов статической оптимизации процессов ректификации с использованием непрерывных подвижных управляющих воздействий, подвижных воздействий с двумя степенями свободы, в моделировании переходных процессов в ректификационных колоннах при подвижном управлении. UK: . Вирішено актуальну задачу багатокритеріальної статичної оптимізації процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих дій, які полягають у зміні місця введення сировини в колону, а також досліджено ефективність їх використання при різних статичних режимах процесу. Мета роботи – підвищення продуктивності процесу ректифікації і зниження енергетичних витрат на його ведення шляхом використання при управлінні процесом рухливих керуючих впливів і багатокритеріального підходу до розрахунку їх оптимальних величин. Метод. Запропоновано методи розрахунку оптимальної тарілки живлення спільно із розрахунками оптимальних величин тради-ційних керуючих впливів – витрати пари в куб колони і виходу цільового продукту – на підставі критеріїв максимізації продуктивності і мінімізації енерговитрат з використанням нормалізованого критерію оптимізації. Розрахунки проводяться з використанням нелінійної математичної моделі процесу, яка описує процеси тепло- і масообміну на кожному контактному пристрої установки. Розрахунок оптимальної точки на межі робочої області ректифікаційної колони в координатах традиційних керуючих дій запропоновано вести методом січних. Так як величина шуканого рухливого керуючого впливу може приймати тільки дискретні, цілочисельні значення, то для вирішення оптимізаційної задачі запропоновано метод сканування. Результати. Розроблений оптимізаційний метод використовувався для розрахунків оптимальних статичних режимів ректифікаційної колони для поділу суміші метанол-вода при зміні значень параметрів моделі в широких межах. Доведено екстремальну залежність від величини рухливого керуючого впливу як окремих критеріїв, так і нормалізованого критерію оптимізації. Результати моделювання показали, що використанням рухливих керуючих впливів досягається підвищення продуктивності на 1–5% при економії тепла в кубі колони на 6–8%. Висновки. Проведені дослідження довели ефективність багатокритеріального підходу до вирішення задачі статичної оптимізації процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих впливів, що дозволяє використовувати його на практиці. Запропоновані методи статичної оптимізації застосовні для процесів багатокомпонентної, складної ректифікації. Подальші дослідження в даному напрямку полягають в розробці методів і алгоритмів статичної оптимізації процесів ректифікації з використанням неперервних рухливих керуючих впливів, рухливих впливів з двома ступенями свободи, в моделюванні перехідних процесів в ректифікаційних колонах при рухливому керуванні. EN: . The actual task of multi-criteria static optimization of rectification processes with the use of mobile control actions that consist in changing the place of input of raw materials into a column is solved, and the efficiency of their use in various static modes of the process is investigated. Objective – increasing the productivity of the process of rectification and reducing the energy costs by using mobile control actions and a multi-criteria approach to the calculation of their optimal values. Method. Methods are proposed for calculating the optimum feed plate together with calculations of the optimal values of traditional control actions - steam flow to the column cube and the yield of the target product – based on the criteria for maximizing productivity and minimizing energy consumption using the normalized optimization criterion. Calculations are carried out using a nonlinear mathematical model of the process, describing the heat and mass transfer processes on each column contact device. Calculation of the optimal point at the boundary of the working region of the rectifying column in the coordinates of traditional control actions is suggested to be carried out by the method of secants. Since the magnitude of the desired mobile control action can only take on discrete, integer values, a scanning method is proposed to solve the optimization problem. Results. The developed optimization method was used to calculate the optimal static regimes of the rectification column for separating the methanol-water mixture when the values of the model parameters vary widely. Extremal dependence on the magnitude of the mobile control action of both individual criteria and a normalized optimization criterion is proved. The results of the simulation showed that the increase in productivity achieved by the use of mobile control actions is 1 to 5%, while the heat savings in the reboiler of the column are 6–8%. Conclusions. The carried out researches have proven the effectiveness of the multi-criteria approach to the solution of the problem of static optimization of rectification processes using mobile control actions, which allows using it in practice. The proposed methods of static optimization are applicable for processes of multicomponent, complex rectification. Further research in this direction include the development of methods and algorithms of the static optimization of rectification processes using continuous mobile control actions, mobile actions with two degrees of freedom, modeling of transient responses in rectification columns at mobile control.
Improvement of a system controlling a process of railcars unloading in the context of changes in temperature mode while operating
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Turpak, S. M.; Taran, I. O.; Ostrohliad, O. O.; Турпак, Сергій Миколайович; Таран, І. О.
EN: Context. The problems of cost minimizing for the delivery of raw materials, fuel and materials, while meeting all the requirements of end user in terms of transportation, condition, quality and amount of the cargo, the compliance of the rolling stock with the equipment of unloading points, etc. are still the key problems of efficient transportation management. A problem to improve a system controlling a process of cargo operations performance at industrial enterprises during the cold season, when well-managed process is considerably complicated by the influence of stochastic fluctuations in the environmental temperature remains to be topical one. Delivery cost experiences significant increase due to the growth of power consumption for the cargo defrosting. The objective of the paper is to improve a system controlling a process of railcars unloading in terms of expectations of the negative changes in the temperature mode owing to optimization of the railcars distribution among the unloading points by the criterion of the idle time minimization. Method. Two temperature modes are singled out: standard operating mode in terms of positive temperatures and a mode of necessity to recover looseness of frozen cargos. The method of operative disbalance of incoming cargo flows has been developed to provide more rational distribution of cargos within cargo loading/unloading complexes during the periods of temperature changes being typical for Ukrainian climate. A new procedure to solve dynamic transportation problem with the varying intensity factor of incoming cargo flows in terms of time has been developed. A factor of minimum period for cargo operation has been proposed as an optimization criterion. Results. Methodology has been developed basing upon a method of operative disbalance of incoming cargo flows. Experiments concerning the methodology application have been carried out to improve the system controlling the process of railcars unloading in terms of changes in temperature mode. Conclusions. Analysis of the research results has shown that the proposed approach decreases significantly the idle time of the railcars in terms of temperature mode changes, reduces expenses connected with the railcars use as well as the expenses connected with the recovery cargo looseness and operation of locomotives. UK: Актуальність. Головними задачами ефективного управління на транспорті залишаються завдання мінімізації витрат на доставку сировини, палива та матеріалів за умов дотримання всіх вимог кінцевого споживача щодо термінів перевезень, стану, якості та кількості вантажу, відповідності рухомого складу обладнанню вантажоприймальних пунктів та ін. Серед цих завдань актуальною є задача удосконалення системи управління процесом виконання вантажних робіт на промислових підприємствах в холодний період року, коли відрегульований процес виконання вантажних робіт значним чином ускладнюється під впливом стохастичних коливань температури навколишнього середовища. Вартість доставки суттєво збільшуються через зростання витрати енергоносіїв на розморожування вантажів. Мета роботи – удосконалення системи управління процесом розвантаження вагонів в умовах очікування негативних змін температурного режиму роботи за рахунок оптимізації розподілу вагонів по пунктах вивантаження за критерієм мінімізації часу простою. Метод. Виділено звичайний режим роботи при позитивних показниках температури та режим необхідності відновлення сипкості вантажів, які змерзаються. Розроблено метод оперативного дисбалансу вхідних вантажопотоків, який забезпечує більш раціональний розподіл вантажів по вантажним фронтам в періоди зміни температурних режимів, який є характерним для клімату України. Була розроблена нова процедура розв’язку динамічної транспортної задачі зі змінним фактором інтенсивності вхідних вантажопотоків за часом. В якості критерію оптимізації запропоновано показник мінімального часу виконання вантажних операції. Результати. На основі методу оперативного дисбалансу вхідних вантажопотоків розроблено методику та проведено експерименти по її застосуванню для удосконалення системи управління процесом розвантаження вагонів в умовах зміни температурного режиму роботи. Висновки. Аналіз результатів досліджень показав, що при запропонованому підході значно скорочується простій вагонів в умовах зміни температурних режимів, зменшуються витрати на плату за користування вагонами, на відновлення сипкості вантажу та експлуатацію локомотивів.
Control of technical systems based on prediction of their individual resource
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Nahorny, V. V.; Lavrov, E. A.; Fedotova, N. A.; Kuznetsov, E. G.; Нагорний, В. В.; Лавров, Є. А.; Федотова, Н. А.; Кузнєцов, Е. Г.
EN: Contex. The actual task of forecasting an individual resource of a variety of design and design of technical systems was solved. Objective. The purpose of the work is to develop a methodology for managing the operation of complex technical systems based on the forecasting of their individual resource. Method. Modern management methods allow you to make advance management decisions to prevent accidents and the consequent technogenic catastrophes. These decisions are based on extrapolating the value of the monitored signal to the maximum permissible level. However, the norms are compiled based on average statistical data, which can only relate to a controlled sample of the machine with a certain degree of probability. This is the cause of errors in predicting the moment when this sample is stopped for repairs. This problem is especially urgent for complex and responsible technical systems manufactured in small series or even in single specimens. Such systems do not have statistical data to create these norms. To solve this problem, another management methodology was developed that excludes the extrapolation procedure and allows determining the operating time of the technical system prior to repair based on the identification results of the model, describing the time variation of the value of the monitored parameter. Results. The methodology of management of technical systems is developed, ensuring the control of their current technical condition based on information on their individual resource. The methodology was used to control the gradual deterioration of the technical state of the hydro turbine, which resulted in its catastrophic destruction. Conclusions. The performed calculations confirmed the efficiency of the proposed methodology for managing the operation of technical systems based on the forecasting of their individual resource, which makes it possible to recommend it for use in practice when solving problems of controlling the operation of complex technical systems, thus preventing their accidents, often leading to man-made disasters. Prospects for further research will be the development of a forecasting - diagnostic complex, the software of which reflects the algorithm for applying the developed methodology of forecasting an individual resource of various designs and designation of technical systems. UK: Вирішено актуальне завдання прогнозування індивідуального ресурсу різноманітних по конструкції і призначенню технічних систем. Мета роботи – розробка методології управління роботою складних технічних систем на основі прогнозування їх індивідуального ресурсу. Метод. Сучасні методи управління дозволяють заздалегідь приймати управлінські рішення для запобігання аварій і наступних за цим техногенних катастроф. Ці рішення ґрунтуються на екстраполяції величини контрольованого сигналу до гранично допустимого за нормами рівня. Однак норми складені на основі середньо статистичних даних, які можуть тільки з певною часткою ймовірності ставитися до контрольованого зразком машини. Це є причиною помилок при прогнозуванні моменту зупинки даного зразка на ремонт. Особливо актуальна ця проблема для складних і відповідальних технічних систем, виготовлених малими серіями або взагалі в одиничних екземплярах. У подібних систем статистичні дані для створення зазначених норм відсутні. Для вирішення даної проблеми була розроблена інша методологія управління, яка виключає процедуру екстраполяції і дозволяє визначати напрацювання технічної системи до ремонту за результатами ідентифікації моделі, яка описує зміну в часі величини контрольованого параметра. Результати. Розроблено методологію управління технічними системами, що забезпечує контроль їх поточного технічного стану на основі інформації про їх індивідуальний ресурс. Методологія була використана при контролі за поступовим погіршенням технічного стану гідротурбіни, що закінчилося її катастрофічним руйнуванням. Висновки. Проведені розрахунки підтвердили працездатність запропонованої методології управління роботою технічних систем на основі прогнозування їх індивідуального ресурсу, що дозволяє рекомендувати її для використання на практиці при вирішенні завдань управління роботою складних технічних систем, запобігаючи тим самим їх аварії, яки часто призводять до техногенних катастроф. Перспективи подальших досліджень будуть спрямовані на розробку прогнозно-діагностичного комплексу, програмне забезпечення якого буде відображати алгоритм застосування розробленої методології прогнозування індивідуального ресурсу різноманітних по конструкції і призначенню технічних систем.
Понятие гарантированного решения по функционалу для многомерной задачи о ранце и методы его построения
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Мамедов, К. Ш.; Мамедов, Н. Н.; Мамедов, К. Ш.; Мамедов, Н. Н.; Mamedov, К. Sh.; Mamedov, N. N.
RU: Актуальность. Рассмотрена задача построения гарантированного субоптимального (приближенного) решения по функционалу в одномерной и многомерной задачах о ранце. Объектом исследования являлась модель с приращением коэффициентов целевой функции. Цель работы. Разработка методов построения гарантированного субоптимального решения по функционалу в одномерной и многомерной задачах о ранце, т. е. найти такие минимальные изменения коэффициентов функционала в заданных интервалах, чтобы найденное решение гарантировало значения функционала не меньше, чем заранее фиксированного. Метод. Введены понятия допустимого, гарантированного и гарантированного субоптимального решений по функционалу в многомерной задаче о ранце. В заданных интервалах необходимо найти такие минимальные изменения коэффициентов функционала, чтобы найденное решение гарантировало значение функционала не меньше, чем заранее фиксированного. Такое решение называем гарантированным решением по функционалу для одномерной и многомерной задачи о ранце. Разработаны методы их построения. Составлен программный комплекс для нахождения этих решений и проведены многочисленные вычислительные эксперименты над случайными задачами большой размерности. Результаты. Разработан алгоритм для построения гарантированного субоптимального решения по функционалу в одномерной и многомерной задачах о ранце. Выводы. Составлен программный комплекс для нахождения гарантированного субоптимального решения по функционалу и проведены многочисленные вычислительные эксперименты над случайными задачами большой размерности. UK: Актуальність. Розглянуто задачу побудови гарантованого субоптимального (наближеного) рішення по функціоналу в одновимірній та багатовимірній задачах про ранець. Об’єктом дослідження є модель з приростом коефіцієнтів цільової функції. Мета роботи. Розробка методів побудови гарантованого субоптимального рішення по функціоналу в одновимірній та багатовимірній задачах про ранець, тобто знайти такі мінімальні зміни коефіцієнтів функціонала в заданих інтервалах, щоб знайдене рішення гарантувало значення функціоналу не менше, ніж заздалегідь фіксоване. Метод. Введено поняття допустимого, гарантованого і гарантованого субоптимального рішень по функціоналу в багатовимірній задачі про ранець. У заданих інтервалах необхідно знайти такі мінімальні зміни коефіцієнтів функціонала, щоб знайдене рішення гарантувало значення функціоналу не менш, ніж заздалегідь фіксоване. Таке рішення називаємо гарантованим рішенням по функціоналу для одновимірної і багатовимірної задачі про ранець. Розроблено методи їх побудови. Створено програмний комплекс для знаходження цих рішень і проведені численні обчислювальні експерименти над випадковими завданнями великої розмірності. Результати. Розроблено алгоритм для побудови гарантованого субоптимального рішення по функціоналу в одновимірній та багатовимірній задачах про ранець. Висновки. Створено програмний комплекс для знаходження гарантованого субоптимального рішення по функціоналу і проведені численні обчислювальні експерименти над випадковими завданнями великої розмірності. EN: Contex. The problem of constructing a guaranteed suboptimal (approximate) solution with respect to a functional in one-dimensional and multidimensional knapsack problems is considered. The object of the study was a model with an increment of the coefficients of the objective function. Objective. The methods of constructing guaranteed suboptimal solution through the functional in one-dimensional and multidimensional knapsack problem has been developed. That is it is necessary to find such minimal changes coefficient of the objective function in the set of integer intervals so that the solution found guarantees the value of the functional not less than the predetermined value. Method. The concept of guaranteed solution and guaranteed suboptimal solution relative to the objective function in the satchel problem is introduced. It is necessary to find such minimal changes coefficient of the objective function in the set of integer intervals so that the solution found guarantees the value of the functional not less than the predetermined value. Such kind of solution we name as guaranteed solution through the functional for one-dimensional and multidimensional knapsack problem. The methods of their construction has been developed. A software package was developed to find these solutions and numerous computational experiments were performed on random large-dimensional problems. Results. The algorithm of constructing guaranteed suboptimal solution through the functional in one-dimensional and multidimensional knapsack problem has been developed. Conclusions. A software package was developed to find the concept of guaranteed solution and guaranteed suboptimal solutions and numerous computational experiments were performed on random large-dimensional problems.
Adaptive optimal control system of ore large crushing process
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Korniienko, V. I.; Matsiuk, S. M.; Udovyk, I. M.; Корнієнко, В. І.; Мацюк, С. М.; Удовик, І. М.
EN: The task of efficiency increase of power-hungry ore large crushing process by creation of optimal control system of it is decided. Objective is a improvement of control quality of ore large crushing process in conditions of information uncertainty about its state by synthesis of optimal control based on identification of the process predictive model during control system functioning. Method. It is developed the adaptive optimal control system of the ore large crushing process, which realizes the following procedures: estimation of the controlled process state, its structural-parametric identification, prediction of the process progress, as well as synthesis of optimal control. The solution of problem of synthesis of large crushing process optimal control is carried out during system functioning by the principle of minimum of the generalized work on the sliding optimization interval with attraction of information about controlled process state to the new interval of optimization and its future state by the predictive model that allows to simplify the solution of problem of synthesis for nonlinear large crushing process and to compensate disturbances. The large crushing process identification is carried out by definition of the operating mode and dimension of its state, based on which it is performed the model structure and parameters with the help of composition of methods of global and local optimization that allows to increase the model accuracy. Results. It is determined that for large crushing process the offered optimal control with prediction provides the decrease of the control error in ~2 times and increase of productivity of the process of ore self-grinding, the next one in the technological line, (due to stabilization of content of class +100 mm in its input ore) on 3.8%. Conclusions. The scientific novelty of the work consists in development of adaptive system of large crushing process optimal control, in which the optimal control is formed in the course of functioning of control system by the principle of minimum of generalized work with the current estimation of the state of operated process and its future state by the predictive model that provides the control system invariance to the changes of operating modes of the equipment and the disturbing environment, and therefore, the improvement of control quality. The practical significance of results of the work consists in development of algorithms of the current estimation and prediction of large crushing process state, its identification and synthesis of optimal control realizing control system. UK: Актуальність. Вирішено завдання підвищення ефективності енергоємного процесу крупного дроблення руди шляхом створення системи оптимального керування ним. Мета роботи – підвищення якості керування процесом крупного дроблення руди в умовах невизначеності інформації про його стан шляхом синтезу оптимального керування на основі ідентифікації прогнозуючої моделі процесу в ході функціонування системи керування. Метод. Розроблена адаптивна система оптимального керування процесом крупного дроблення, що реалізовує процедури: оцінки стану керованого процесу, його структурно-параметричної ідентифікації, прогнозування ходу процесу, а також синтезу оптимального керування. Рішення задачі синтезу оптимального керування здійснюється в ході функціонування системи за принципом мінімуму узагальненої роботи на ковзному інтервалі оптимізації із залученням інформації про стан керованого процесу до нового інтервалу оптимізації і його майбутнього стану за прогнозуючою моделлю, що дозволяє спростити рішення задачі синтезу для нелінійного процесу крупного дроблення руд і компенсувати збурення. Ідентифікація процесу крупного дроблення руди здійснюється шляхом визначення режиму роботи і розмірності його стану, на основі чого за допомогою композиції методів глобальної і локальної оптимізації визначається структура і параметри прогнозуючої моделі, що дозволяє підвищити її точність. Результати. Визначено, що пропоноване оптимальне керування з прогнозуванням забезпечує зниження в 2 рази помилки керування і підвищення продуктивності наступного в технологічній лінії процесу самоздрібнювання руди (за рахунок стабілізації вмісту класу +100 мм в його вхідній руді) на 3.8%. Виводи. Наукова новизна роботи полягає в розробці системи керування процесом крупного дроблення руди, в якій оптимальне керування формується в процесі функціонування системи за принципом мінімуму узагальненої роботи з поточним оцінюванням стану керованого процесу і оцінюванням його майбутнього стану за прогнозуючою моделлю, що забезпечує інваріантність системи керування до змін режимів роботи устаткування та збурюючого середовища, й, таким чином, підвищення якості керування. Практична значущість результатів роботи полягає в розробці алгоритмів поточного оцінювання і прогнозування стану процесу, його ідентифікації і синтезу оптимального керування, які дозволяють реалізувати систему керування ним.
Optimal controlling path determination with the help of hybrid optional functions distributions
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Goncharenko, A. V.; Гончаренко, А. В.
EN: Context. The problem of the determination of the optimal value of the augmentation coefficient of a proportional governor included into an inertness-less linear object control system on the basis of a synthesized model is solved. The object of the presented study is the optimal control process. Objective. The goal of the work is a creation of a method for a problematic situation of the optimum definition, evaluation, and determination solving at the control system. Method. A rough model of the phenomenon, and simplified dependence of optimal controlling trajectory upon the cost, of control in an inertness-less linear controlling system equipped with a proportional governor are proposed. The accuracy of the behavior of the investigated linear object of control has been chosen in the given consideration as an initial target value which needs to be minimized. The method of the model building with regards to an expenditures principle is offered. It provides taking into account the cost of controlling process. It allows finding the optimal controlling value on the multi-optional basis. There applied a certain analogue to the subjective entropy maximum principle of the subjective analysis in order to obtain a specific optimal distributions for the objective value in the view of the composed functional. The method of the uncertainty degree of the options extremization is improved by a continuous optional value introduction that allows forming the value distribution density. The optional synthesized model of the control process is built. Results. The developed theoretical models allow obtaining, and have been implemented in, finding the hybrid optional density as an optimal solution of a variational problem with two independent variables, which maximal value is the sought optimal controlling path delivering minimum to the integrated expenses pertaining with the process. Conclusions. The numerical experiments on the proposed methods studying in the problem of optimization are conducted. The discovered dependencies are substantiated as a result of these experiments. Their use in practice makes it possible, and is recommended, to carryout optimal control in the described systems. The prospects for further research may include creations of models for the optimal control trajectories findings on conditions involving rates of the considered values varying and in probabilistic, stochastic, undetermined problem settings. RU: Актуальность. Решена задача определения оптимального значения коэффициента усиления пропорционального регулятора, включенного в систему управления безынерционного линейного объекта, на основе синтезированной модели. Цель работы – создание метода для отыскания решения при наличии проблемной ситуации связанной с определением и оценкой оптимума в системе управления. Метод. Предложены грубая модель явления, и упрощенная зависимость оптимальной траектории управления от стоимости, управления в безынерционной линейной системе управления оснащенной пропорциональным регулятором. Точность поведения исследуемого линейного объекта управления выбрана в данном рассмотрении в качестве начальной целевой величины нуждающейся в минимизации. Предложен метод построения модели с учетом затратного принципа, который обеспечивает расчет стоимости контролируемого процесса, что позволяет найти оптимальное управляющее значение на мульти-опционной основе. Применен некоторый аналог принципа максимума субъективной энтропии из субъективного анализа с целью получения специфичных оптимальных распределений для целевой величины взятой в виде составленного функционала. Метод экстремизации степени неопределенности опций усовершенствован посредством введения непрерывной опционной величины, что позволяет сформировать плотность распределения этой величины. Построена опционная синтезированная модель процесса управления. Результаты. Разработанные теоретические модели позволяют получить, и были внедрены при ее нахождении, гибридную опционную плотность в качестве оптимального решения вариационной задачи с двумя независимыми переменными, чье максимальное значение является искомой оптимальной траекторией управления, доставляющей минимум интегральным расходам присущим данному процессу. Выводы. Проведены численные эксперименты по исследованию предложенных методов в данной задаче оптимизации. В результате этих экспериментов выявленные зависимости являются обоснованными, их применение на практике позволяет выполнять, и является рекомендуемым при необходимости определять, оптимальное управление в описанных системах. Перспективы дальнейших исследований могут заключаться в создании моделей для определения оптимальных траекторий управления, в условиях предусматривающих скорости изменений рассматриваемых величин, а также в вероятностной, стохастической, недетерминированной постановке.
The technique of homotopic skeletonization of bit-mapped drawings of parts of sea transport
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Molchanova, V. S.; Молчанова, В. С.
EN: Context. Skeletonization is used in image processing of technical drawings, including drawings of sea transport parts, since the object’s skeleton reflects its topological structure. Сomparative analysis of the best methods of parallel topological skeletonization of the area objects, using spatial masks, showed that they give iterative distortions to the topology of primitives and their compositions. Therefore, the task of developing a technique for homotopic skeletonization of bit-mapped drawings of sea transport parts is relevant. Objective. To develope technique of improvement of topological equivalence of the skeletons to the сontour of sea transport parts, by means of gradual correction of typical skeleton’s distortions. Method. Сorrection of skeleton’s iterative distortions by modified spatial masks of the basic method of skeletonization and the reconstruction of the resulting skeleton by masks to restore its homotopy to the original, on the basis of developed reconstruction rules. Execution of the proposed technique was carried out on example of the basic method R.Y. Wu & W.H. Tsai. Results. The proposed technique is implemented as a program application that allows to perform quality skeletonization of images of drawings of sea transport parts. Conclusions. The shown examples of results of skeletonization of drawings of parts confirm efficiency of the proposed technique. The technique can be adapted to the methods of topological skeletonization of area objects, based upon application of spatial masks. UK: Актуальність. Скелетизація використовується при обробці зображень технічних креслень, включаючи деталі морського транспорту, бо скелет об’єкту відображує його топологічну структуру. Порівняльний аналіз кращих методів паралельної топологічної скелетизації площадних об’єктів, що використовують просторові маски, показав, що вони дають ітеративні викривлення топології примітивів та їх композицій. Тому, задача розробки методики гомотопної скелетизації растрових об’єктів креслень деталей морського транспорту актуальна. Мета роботи. Розробка методики поліпшення топологічної еквівалентності скелетів контурам деталей морського транспорту за рахунок поетапної корекції типових спотворень скелетів. Метод. Коригування ітеративних спотворень скелета модифікованими масками базового методу скелетизації і реконструкцію результуючого скелета масками відновлення його гомотопності оригіналу на основі розроблених правил реконструкції. Реалізацію запропонованої методики виконано на прикладі базового методу Wu R. Y. & Tsai W. H. Результати. Запропоновану методику реалізовано у вигляді програмного додатку, що дозволяє виконати якісну скелетизацію зображень креслень деталей морського транспорту. Висновки. Показані приклади результатів скелетизації креслень деталей підтверджують ефективність запропонованої методики. Методика може бути адаптована до інших методів топологічної скелетизації площадних об’єктів, заснованих на використанні просторових масок.
Вырожденные S-блоки
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Лисицкий, К. Е.; Lisickiy, K. E.
RU: Актуальность. S-блоки являются одним из основных преобразований многих шифров, и поиску S-блоков с улучшенными криптографическими показателями уделяется громадное внимание в литературе этого направления. Тем самым полагается, что есть подстановки (S-блоки), которые следует считать плохими, т.е. такие, которые не подходят для построения надежных шифров. С другой стороны, одно из направлений совершенствования конструкций шифров, которое развивается в последнее время, связано с построением шифров, в которых могут применяться S-блоки случайного типа. Возникает важный вопрос. А какие же S-блоки не подходят для построения шифрующих преобразований? В этой связи большую актуальность приобретает изучение свойств и особенностей формирования S-блоков вырожденных конструкций, под которыми понимаются подстановки, ухудшающие криптографические показатели шифров. Цель. Изучение свойств и особенностей формирования подстановок вырожденного типа, оценка вероятности их порождения с помощью генератора случайных подстановок. Определение признаков, по которым можно отличить вырожденные подстановки. Метод. Построение поцикловых законов распределения максимумов таблиц дифференциальных разностей и таблиц линейных аппроксимаций для уменьшенных моделей шифров, при использовании в них разных (вырожденных) конструкций S-блоков. Определение закона распределения максимумов XOR таблиц и смещений таблиц линейных аппроксимаций байтовых подстановок. Результаты. Изучены ансамблевые характеристики множества байтовых подстановок. На основе изучения дифференциальных и линейных свойств уменьшенных моделей шифров определены признаки, по которым можно выявить вырожденные подстановки. Вычислительным и экспериментальным путем определена вероятность случайного порождения (выбора) байтовой подстановки вырожденного типа. Выводы. Результатами работы подтверждено, что получение вырожденных байтовых S-блоков при случайном их порождении является маловероятным событием. Это означает, что практически без ограничений в шифрах могут использоваться S-блоки, порождения с помощью генератора случайных подстановок. Научная новизна состоит в том, что изучено влияние вырожденных подстановок на эффективность шифрующих преобразований. Впервые установлено, что использование в шифрах S-блоков, порожденных случайным образом, с очень большой вероятностью не приводит к ухудшению показателей стойкости шифров к атакам дифференциального и линейного криптоанализа. Практическая значимость результатов работы заключается в получении конкретных данных, подтверждающих основное положение развиваемой новой методики оценки стойкости блочных симметричных шифров к атакам дифференциального и линейного криптоанализа о независимости показателей стойкости шифров от применяемых S-блоков, в том числе и S-блоков случайного типа. EN: Context. S-blocks are one of the main transformations of many ciphers, and the search for S-boxes with improved cryptographic indices a great deal of attention in the literature of this direction is paid. Thus, it that there are permutations (S-blocks), which should be considered bad is assumed, i.e. those that are not suitable for building reliable ciphers. On the other hand, one of the directions for improving the design of ciphers, which has been developing recently, with the construction of ciphers is connected, in which S-blocks of random type can be used. There is an important question. Which S-boxes are not suitable for building encryption transformations? In this connection, the study of the properties and features of the formation of S-blocks of degenerate structures, which are interpretations that degrade the cryptographic exponents of ciphers, is becoming increasingly important. Objective. A study of the properties and features of the formation of permutations of a degenerate type, an estimate of the probability of their generation with the aid of a random permutation generator. Determination of the characteristics by which degenerate substitutions can distinguished. Method. Construction of the piecemeal laws of the distribution of the maxima of tables of differential differences and tables of linear approximations for reduced models of ciphers, using different (degenerate) S-block constructions in them. Determination of the law of distribution of maxima of XOR tables and shifts of tables of linear approximations of byte permutations. Results. The ensemble characteristics of the set of byte substitutions are studied. Based on the study of the differential and linear properties of the reduced models of ciphers, the characteristics by which degenerate substitutions can identified are determined. The probability of random generation (by choice) of a byte substitution of a degenerate type is determined computationally and experimentally. Conclusions. The results of the work confirmed that obtaining degenerate byte S-blocks for their random generation is an unlikely event. This means that almost without restrictions in the ciphers, S-blocks can used, generating with the help of the generator of random substitutions. The scientific novelty of the presented results is that the influence of degenerate permutations on the efficiency of encryption transformations has studied. For the first time it established that, the use of S-blocks generated randomly in ciphers with a very high probability does not lead to a deterioration in the ciphers’ resistance to differential and linear cryptanalysis attacks. The practical significance of the results of the work seen in the receipt of specific data confirming the main position of the new technique developed to assess the stability of block symmetric ciphers to attacks of differential and linear cryptanalysis on the independence of cipher strength indicators from the applied S-blocks, including S-blocks of random type.
Evaluation methods of image segmentation quality
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Berezsky, O. M.; Pitsun, O. Y.; Березький, O. M.; Піцун, O. Й.
EN: Context. The basic methods of quantitative evaluation of image segmentation quality are explored. They are used to select segmentation algorithms for specific image classes. The object of the study is cytological and histological images that are used in diagnosing the pathological processes in oncology. The subject of the study is quantitative methods for segmentation algorithms’ quality evaluation. Objective. The purpose of the work is to introduce the Gromov-Frechet metric and develop a metric-based method for quantitative evaluation of segmentation quality for image segmentation algorithms’ comparison. Method. The quantitative evaluation criteria, which are based on comparison with etalon image and without the comparison with etalon image, are analyzed. The algorithms for measuring the distances between images based on the Frechet, Hausdorff, and Gromov-Hausdorff metrics are analyzed. To calculate the distance between the contours of images, the Gromov-Frechet distance was introduced. The condition of identity, symmetry and triangle is proved, and it is shown that the Gromov-Frechet distance is a metric. The metric-based method of quantitative evaluation of segmentation quality is developed. It is based on the use of the Gromov-Hausdorff and Gromov-Frechet metrics. The method is based on the algorithms for non-convex-into-convex polygon transformation, weighted chord algorithm, and algorithms for calculating the Frechet and Hausdorff distances. To calculate the Hausdorff distance between convex regions, the Atalah’s algorithm was used. The Thierry and Manillo algorithm was used to find the discrete Frechet distance. These algorithms have the lowest computational complexity among their class of algorithms. Results. The Gromov-Frechet metric was introduced and the metric-based method of quantitative evaluation of segmentation quality was developed. Conclusions. The conducted experiments on the basis of cytological images confirmed the performance of software for evaluation the distances between images. The developed method showed a high accuracy of estimation the distances between images. The developed software module was used in intelligence systems for diagnosing the breast precancerous and cancerous conditions. The software can be used in various software systems of computer vision. Promising areas for further research are search for new metrics to evaluate the distances between images. UK: Актуальність. Розглянуто основні методи кількісної оцінки якості сегментації зображень. Вони використовуються для вибору алгоритмів сегментації для конкретних класів зображень. Об’єктом дослідження є цитологічні та гістологічні зображення, які використовуються при діагностуванні патологічних процесів в онкології. Предметом дослідження є кількісні методи оцінки якості алгоритмів сегментації. Мета роботи – введення метрики Громова-Фреше та розроблення метричного методу кількісної оцінки якості сегментації для порівняння алгоритмів сегментації зображень. Метод. Проаналізовані критерії кількісної оцінки, які базуються на порівнянні та без порівняння з еталонним зображенням. Проаналізовано алгоритми знаходження відстані між зображеннями на основі метрик Фреше, Хаусдорфа, Громова-Хаусдорфа. Для знаходження відстані між контурами зображень введено відстань Громова-Фреше. Доведено умову тотожності, симетричності та трикутника і показано, що відстань Громова-Фреше є метрикою. Розроблено метричний метод кількісної оцінки якості сегментації. Він базується на використанні метрик Громова-Хаусдорфа та Громова-Фреше. Метод побудований на основі алгоритмів перетворення неопуклих полігонів у опуклі, алгоритму зважених хорд, алгоритмів обчислення відстаней Фреше та Хаусдорфа. Для знаходження відстані Хаусдорфа між опуклими областями використано алгоритм M. Аталаха. Для знаходження дискретної відстані Фреше використано алгоритм Томаса Ейтера і Хейкі Манілли. Дані алгоритми мають найнижчу обчислювальну складність серед свого класу алгоритмів. Результати. Введено метрику Громова-Фреше та розроблено метричний метод кількісної оцінки якості сегментації. Висновки. Проведені експерименти на основі цитологічних зображень підтвердили працездатність програмного забезпечення оцінки відстані між зображеннями. Розроблений метод показав високу точність оцінки відстаней між зображеннями. Розроблений програмний модуль використаний у інтелектуальній системі діагностування передракових і ракових станів молочної залози. Програмне забезпечення може бути використане в різних програмних системах комп’ютерного зору. Перспективними напрямами досліджень є пошук нових метрик для оцінки відстані між зображеннями.
Визначення параметрів ключа методу автентифікації WPA/WPA2 для системи-приманки мережі стандарту IEEE 802.11
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Банах, Р. І.; Banakh, R. I.
UK: Актуальність. Відкритим є питання правильності конфігурування систем-приманок, особливо це стосується систем-приманок, які імітують бездротові мережі, оскільки їх клієнти є мобільними, а контрольована зона часто не є обмеженою. Неправильна конфігурація системи-приманки може стати безкорисним навантаженням у середині автоматизованої системи, особливо це стосується систем-приманок для бездротової мережі стандарту IEEE 802.11. Система-приманка із низьким чи відсутнім рівнем захисту може викликати підозру у досвідченого зловмисника, у гіршому ж випадку вона стане легкою здобиччю порушників метою яких є лише доступ до ресурсу Інтернет. З іншого боку, використання системи-приманки із максимальним рівнем захисту також не має сенсу, оскільки така модель стане неприступною фортецею для зловмисника. Найбільш захищеними вважаються точки доступу на яких використовується метод автентифікації WPA/WPA2, застосування якого, імовірно, дасть впевненість зловмиснику у тому, що він атакує легітимну систему. Метою роботи є розробка діагностичної моделі для систем-приманок бездротових мереж стандарту IEEE 802.11 для умовного захисту якої використовується метод автентифікації WPA/WPA2. Така модель допоможе оцінити поточну конфігурацію точки доступу на імовірність використання відомих вразливостей методу автентифікації WPA/WPA2 з боку зловмисників потрібного рівня підготовленості. Метод. Запропоновано метод оцінки кваліфікованості зловмисника та його технічної оснащеності шляхом підбору параметрів ключа WPA/WPA2 для системи-приманки у бездротовій мережі стандарту IEEE 802.11. Реалізація даного методу дозволить досягти зменшення навантаження на систему-приманку, що передусім створить ілюзію автентичності для зловмисника. Запропоновано метод розподіленої атаки грубої сили на метод автентифікації WPA/WPA2, який забезпечує діагностику стійкості ключа системи-приманки у мережі Wi-Fi. Проведено порівняння апаратної віртуалізації з віртуалізацією на рівні операційної системи за однакових умов у рамках атаки грубої сили на механізм автентифікації WPA/WPA2. Результати. Отримано оптимальні умови для проведення розподіленої атаки грубої сили у віртуальному середовищі, що дає змогу відносно швидко оцінити рівень захищеності системи-приманки. Висновки. Запропоновано метод оцінки стійкості ключа для методу автентифікації WPA/WPA2 мережі стандарту IEEE 802.11 для взаємодії зі зловмисником потрібного рівня кваліфікації і наявного у нього технічного забезпечення. Подальший розвиток отримав метод оцінки захищеності бездротових мереж стандарту IEEE 802.11 за допомогою методу аналізу ієрархій. Запропоновано середовище для проведення оцінки умовної захищеності системи-приманки із умовами застосування масштабованості даної технології; метод генерування словників для проведення оцінки захищеності систем-приманок, який дозволить уникнути повторення ключів і, тим самим, пришвидшить отримання результатів. EN: Context. An issue of correct configuration of honeypots is still opened, especially it is about honeypots that simulate wireless networks as their clients are mobile and zone of control is not limited. Wrong configuration of honeypot may become its usage disinterested inside automated system especially it is applicable to honeypots for IEEE 802.11 wireless networks. Honeypot with open (no authentication) method or with low security may be suspicious for experienced attacker otherwise, it become easy prey for attackers whose goal is just access to Internet. On the other hand, usage of honeypot with strong security level make no sense as well, as this model will become unconquerable for attackers. Most protected access points use authentication method WPA2, usage of which may assure attacker that he/she attacks legitimate system. Objective. The goal of the researching work is to develop diagnostic model for honeypots in IEEE 802.11 wireless networks, which is conditionally secured by authentication method WPA/WPA2. Proposed model can help to assess possibility to leverage known WPA vulnerabilities by attacker on access point with given configuration. Method. An evaluation method of attacker’s qualification and its technical set of equipment in way of WPA/WPA2 encryption key selection for wireless honeypot is offered. Implementation of this method allows to reach load reduction on honeypot what will provide an illusion of system authenticity for attacker. Method of distributed brute force attack on authentication method WPA/WPA2 that provides diagnostic of Wi-Fi honeypot for encryption key resistance is offered. A Comparison between hardware virtualization and OS-level virtualization is provided under the identical conditions in scope of WPA2 handshake brute force task. Results. Optimal conditions for providing brute force attack in virtual environment are obtained, what can give possibility to quickly assess security level honeypot. This information can be used to understand how qualified attacker should be. Conclusions. A method of key perseverance assessment for authentication method WPA/WPA2 in IEEE 802.11 wireless network is proposed, for interaction with attacker with needed qualification level and computing resources. A method of IEEE 802.11 wireless networks security assessment using Analytics Hierarchy Process got further development. The scalable environment for honeypots assessment providing is offered. The method of wordlist generation and rotation that are delivered to assessment system is proposed, what can help to exclude key reduplication what in its turn will help to speedup of assessment results.
Обобщение математической модели микропрограммного автомата на счетчике
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Бабаков, Р. М.; Бабаков, Р. М.; Babakov, R. M.
RU: . Решена задача разработки структурных модификаций микропрограммного автомата на счетчике, которые могут способствовать снижению аппаратурных затрат в логической схеме микропрограммного автомата по сравнению с известными структурами. Цель работы – обобщение структурных особенностей микропрограммного автомата на счетчике с использованием математической модели на основе промежуточной алгебры переходов. Метод. Проанализирована известная математическая модель микропрограммного автомата на счетчике, основанная на представлении функции переходов в виде двух частичных функций. Использование в структуре автомата инкрементного счетчика выражается в данной модели промежуточной алгеброй переходов, сигнатура которой образована единственной функцией инкремента. При этом аргументом функции является код текущего состояния автомата, интерпретируемый как целое число без знака. Для рассмотренной математической модели сделан ряд обобщений в части количества промежуточных алгебр переходов, их сигнатур и носителей. Проанализированы изменения в математической модели и структуре автомата на счетчике, являющиеся следствием сделанных обобщений. Результаты. На основании сделанных обобщений получены обобщенные структурная схема и математическая модель микропрограммного автомата с неканоническим способом реализации функции переходов. Проведены экспериментальны исследования эффективности разработанной обобщенной структуры МПА по критерию аппаратурных затрат. Выводы. Полученные в данной работе результаты могут быть использованы при разработке новых структур и формальных методов синтеза микропрограммных автоматов с неканонической реализацией функции переходов, ориентированных на оптимизацию аппаратурных затрат в логической схеме автомата. UK: Актуальність. Вирішено задачу розробки структурних модифікацій мікропрограмного автомата на лічильнику, які можуть сприяти зниженню апаратурних витрат в логічній схемі мікропрограмного автомата у порівнянні з відомими структурами. Мета роботи – узагальнення структурних особливостей мікропрограмного автомата на лічильнику з використанням математичної моделі на основі проміжної алгебри переходів. Метод. Проаналізовано відому математичну модель мікропрограмного автомата на лічильнику, засновану на представленні функції переходів у вигляді двох часткових функцій. Використання в структурі автомата інкрементного лічильника виражається в даній моделі проміжною алгеброю переходів, сигнатура якої утворена єдиною функцією інкременту. При цьому аргументом функції є код поточного стану автомата, який інтерпретується як ціле число без знака. Для розглянутої математичної моделі зроблений ряд узагальнень в частині кількості проміжних алгебр переходів, їх сигнатур та носіїв. Проаналізовані зміни в математичній моделі та структурі автомата на лічильнику, які є наслідком зроблених узагальнень. Результати. На підставі зроблених узагальнень отримані узагальнені структурна схема та математична модель мікропрограмного автомата з неканонічним способом реалізації функції переходів. Проведені експериментальні дослідження ефективності розробленої узагальненої структури МПА за критерієм апаратурних витрат. Висновки. Отримані в даній роботі результати можуть бути використані при розробці нових структур і формальних методів синтезу мікропрограмних автоматів з неканонічною реалізацією функції переходів, орієнтованих на оптимізацію апаратурних витрат в логічній схемі автомата. EN: The problem of developing of structural modifications of the microprogram finite state machine on the counter has been solved, which can help reduce hardware expenses in the logical circuit of the microprogram finite state machine in comparison with the known structures. Objective. The goal of the work is to generalize the structural features of the microprogram finite state machine on the counter using a mathematical model based on the intermediate algebra of transitions. Method. The known mathematical model of a microprogram finite state machine on a counter, based on the representation of the transition function in the form of two partial functions, is analyzed. The use of an incremental counter in the structure of the finite state machine is expressed in this model by an intermediate algebra of transitions whose signature is formed by a single incremental function. In this case, the argument of the function is the code of the current state of the finite state machine, interpreted as an unsigned integer. For the considered mathematical model, a number of generalizations are made regarding the number of intermediate algebras of transitions, their signatures and carriers. Changes in the mathematical model and the structure of the finite-state machine on the counter, which are a consequence of the generalizations made, are analyzed. Results. On the basis of the generalizations made, a generalized structural scheme and a mathematical model of a microprogram finite-state machine with a noncanonical way of realizing the transition function are obtained. Experimental research of the effectiveness of the developed generalized structure of MPA on the criterion of hardware costs has been carried out. Conclusions. The results obtained in this paper can be used in the development of new structures and formal methods for the synthesis of microprogram finite state machines with noncanonical realization of the transition function, oriented to optimizing the hardware expenses in the logical circuit of the automaton.
Разработка системы персонализации специализированного веб-портала
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Аксак, Н. Г.; Аксак, Н. Г.; Axak, N. G.
RU: Актуальность. Решена актуальная задача персонификации веб-портала, предоставляющего бизнес сервисы (телемедицина, консультации, удаленный мониторинг, дистанционное образование и т. д.). Цель работы – разработка системы персонификации веб-портала, предоставляющего специализированные услуги, что позволяет учитывать предпочтения пользователей с целью улучшения качества обслуживания, ускорения информационного поиска, исключения неинтересных страниц, а также удержания клиентов. Метод. Предложена обобщенная модель процесса персонализации Интернет-сервиса, в которой на основе сочетания агентских и нейросетевых технологий предложен метод адаптации веб-ресурса, автоматически генерирующий контент для определенных категорий Интернет-пользователей. Также предложена объектная модель документов сайта в виде графа для поиска актуальной информации, что позволило осуществить персонализацию. Использование мультиагентной структуры позволило осуществить взаимодействие компонентов разработанной модели. Метод включает совокупность следующий действий: автоматическая выработка гипотез, что дает возможность определить наличие или отсутствие целевых свойств пользователя; анализ поведения пользователя по его серфингу в Интернете, что позволяет выдавать более релевантные результаты; построение информационного портрета для сбора статистически значимой совокупности информационных характеристик с целью планирования дальнейших действий; параллельная кластеризация пользователей с использованием самоорганизующихся карт Кохонена с целью ускорения обработки больших данных. Для ускорения вычислений самоорганизующиеся карты Кохонена адаптированы под симметричные мультипроцессоры системы. Показано, что для уменьшения времени вычислений необходимо выбирать конфигурацию вычислительной системы кратную размерности входных данных. Результаты. Разработаны программное обеспечение и веб-интерфейс, реализующие предложенные модели и метод, используемые при проведении вычислительных экспериментов по верификации модели, оценки адекватности и исследованию свойств модели и метода. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенных моделей и методов. Применение совокупности методов и средств может быть использовано на практике для продвижения товаров и услуг в сети, для предоставления различных сервисов или отдельных его составных частей, для развития бизнеса. UK: Актуальність. Вирішено актуальне завдання персоніфікації веб-порталу, який надає бізнес сервіси (телемедицина, консультації, віддалений моніторинг, дистанційна освіта і т.д.). Мета роботи – розробка системи персоніфікації веб-порталу, який надає спеціалізовані послуги, що дозволяє враховувати переваги користувачів з метою поліпшення якості обслуговування, прискорення інформаційного пошуку, виключення нецікавих сторінок, а також утримання клієнтів. Метод. Запропоновано узагальнену модель процесу персоналізації Інтернет-сервісу, в якій на основі поєднання агентських і нейромережевих технологій запропонований метод адаптації веб-ресурсу, що автоматично генерує контент для певних категорій Інтернет-користувачів. Також запропонована об’єктна модель документів сайту у вигляді графа для пошуку актуальної інформації, що дозволило здійснити персоналізацію. Використання мультиагентної структури дозволило здійснити взаємодію компонентів розробленої моделі. Метод включає сукупність наступний дій: автоматичне вироблення гіпотез, що дає можливість визначити наявність або відсутність цільових властивостей користувача; аналіз поведінки користувача на його серфінгу в Інтернеті, що дозволяє видавати більш релевантні результати; побудова інформаційного портрета для збору статистично значущою сукупності інформаційних характеристик з метою планування подальших дій; паралельна кластеризація користувачів з використанням самоорганізуючих карт Кохонена з метою прискорення обробки великих даних. Для прискорення обчислень самоорганізуючі карти Кохонена адаптовані під симетричні мультипроцесори системи. Показано, що для зменшення часу обчислень необхідно вибирати конфігурацію обчислювальної системи кратну розмірності вхідних даних. Результати. Розроблено програмне забезпечення та веб-інтерфейс, що реалізують запропоновані моделі і метод, що використовуються при проведенні обчислювальних експериментів по верифікації моделі, оцінки адекватності, дослідженню властивостей моделі та методу. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованих моделей та методів. Застосування сукупності методів і засобів може бути використано на практиці для просування товарів і послуг в мережі, для надання різних сервісів або окремих його складових частин, для розвитку бізнесу. EN: Context. The actual task of personifying a Web portal providing business services (telemedicine, consultations, remote monitoring, distance education, etc.) has been solved. Objective – development of a personalization system for a web portal that provides specialized services, which allows to take into account preferences of users for the improvement of quality of service, an acceleration of information search, an exception of uninteresting pages, and а customer retention. Method. The generalized process personalization model of Internet service is offered. The method of adaptation of the Web-resource based on the combination of agent and neural network technologies is proposed in a model which automatically generates content for certain categories of Internet users. The document object model of site in a graph form to search of relevant information was proposed that allows the site personalization. The use of multi-agent structure allowed to realize interaction of the components of the developed model. The method includes the following actions: automatic generation of hypotheses, which determines the presence or absence of target properties of the user; analysis of the user’s behavior on his surfing the Internet that allows to give more relevant results; construction of information portrait for collection statistically significant set of information characteristics for the purpose of planning of further actions; parallel clustering of users with use of the self-organizing Kohonen maps for the purpose of an acceleration of processing big data. The self-organizing Kohonen maps are adapted to symmetric multiprocessing system for accelerating computations. Thus, the configuration of the computing system shall be a multiple of the dimension of the input data for reduction of computation time. Results. For the proposed models and method, software and a web interface are developed. They are used to realization computing experiments to verification of the models, valuation of the adequacy and study the properties of the model and method. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the proposed models and methods. The use of a set of methods and tools can be used in practice to promote goods and services in the network, to provide various services or individual parts of it, for business development.
Методы количественного решения проблемы несбалансированности классов
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Каврин, Д. А.; Субботин, Сергей Александрович; Каврін, Д. А.; Субботін, Сергій Олександрович; Kavrin, D. А.; Subbotin, S. A.
RU: Актуальность. Решена задача восстановления баланса классов в несбалансированных выборках для повышения эффективности диагностических и распознающих моделей. Цель работы – модификация существующего метода восстановления баланса классов и сравнительный анализ показателей его производительности с некоторыми современными методами. Метод. Предложен метод предварительной обработки несбалансированной выборки, который базируется на объединении стратегии undersampling и технологии кластерного анализа. Метод позволил восстановить баланс классов и сократить объем выборки, при этом были сохранены важные топологические свойства выборки, высокий показатель точности и приемлемое время работы. Результаты. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный метод, которое было использовано при проведении вычислительных экспериментов по исследованию свойств метода и сравнительному анализу с другими методами восстановления баланса классов. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность, предложенного метода и реализующего его программного обеспечения. Метод позволил уменьшить мажоритарный класс до размеров миноритарного класса, соответственно уменьшив обучающую выборку (выборка считается несбалансированной, если размер миноритарного класса составляет менее 10% от размера исходной выборки), при этом продемонстрировал самые лучшие среди исследуемых методов показатели точности модели и сравнимую скорость формирования выборки. Это позволяет рекомендовать их для применения на практике при решении задач формирования обучающих выборок в условиях несбалансированности классов для диагностических и распознающих моделей. UK: Актуальність. Вирішено завдання відновлення балансу класів в незбалансованих вибірках для підвищення ефективності діагностичних та розпізнавальних моделей. Мета роботи – модифікація існуючого методу відновлення балансу класів та порівняльний аналіз показників його продуктивності з деякими сучасними методами. Метод. Запропоновано метод попередньої обробки незбалансованої вибірки, який базується на об’єднанні стратегії undersampling та технології кластер-аналізу. Метод дозволив відновити баланс класів та зменшити об’єм вибірки, при цьому було збережено важливі топологічні властивості, високі показники точності та прийнятний час роботи. Результати. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод, яке було використано при виконанні обчислювальних експериментів властивостей методу та порівняльному аналізу з іншими методами відновлення балансу класів. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу та програмного забезпечення, що його реалізує. Метод дозволив зменшити мажоритарний клас до розмірів міноритарного класу, зменшивши таким чином навчальну вибірку (вибірка вважається незбалансованою, коли розмір міноритарного класу становить менш ніж 10% від розміру вихідної вибірки), при цьому продемонстрував найкращі серед досліджених методів показники точності моделі та прийнятний час формування вибірки. Результати експериментів дозволяють рекомендувати їх для використання на практиці при вирішенні задач формування навчальних вибірок в умовах незбалансованості класів для діагностичних та розпізнавальних моделей. EN: Context. The problem of recovery the classes’ balance in imbalanced samples is solved to increase the efficiency of diagnostic and recognition models. Objective. The purpose of the work is to modify the existing method of recovery classes’ balance and to conduct comparative analysis of performance indicators with some modern methods. Method. The proposed data preprocessing method is based on combining the undersampling and cluster-analysis technologies. The method has allowed restoring the balance and reducing the sample while maintaining important topological properties of the sample, high accuracy and acceptable operating time. Results. The software that implements in proposed method has been developed and used in the computational experiments on the study of method’s properties and comparative analysis with other methods of restoring classes’ balance. Conclusions. The experiments confirmed the efficiency of the proposed method and its implemented software. The method has allowed reducing the majority class to the size of the minority class, thus reducing the training sample (the sample is considered imbalanced if the size of the minority class is less than 10% of the original sample size), while demonstrating the best indicators of model accuracy and comparable sampling speed. It can be recommended for the practical application in solving problems of imbalance data for diagnostic and recognition models.
Simulation of 3D transient flow passing through an intestinal anastomosis by lattice-Boltzmann method
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Novotarskyi, M. A.; Stirenko, S. G.; Gordienko, Y. G.; Новотарський, М. А.; Стіренко, С. Г.; Гордієнко, Ю. Г.
EN: Context. Recently, the number of reconstructive operations on the digestive tract has significantly increased. Such operations have predictable negative consequences associated with disruptions of hydrodynamic processes in the anastomosis area. These negative consequences can be partially avoided by choosing anastomosis anatomical form based on mathematical modeling. Known mathematical models are cumbersome and do not allow to obtain results in real time. The proposed approach using lattice Boltzmann method allows solving this problem. Objective. The purpose of the work is to develop a three-dimensional mathematical model of anastomosis for research of hydrodynamic parameters of fluids with complex structure in real time. Method. The method of constructing and analyzing the mathematical model of anastomosis of the digestive tract based on lattice Boltzmann method is proposed. The method differs in that it provides simultaneous analysis of hydrodynamic parameters of the liquid and determines the nature of movement of fine-grained inclusions in the anastomosis area. The main stages of the method are the development of technology for determining the modeling area, discretization of the three-dimensional Boltzmann equation with the choice of lattice and the nature of the collision operator, taking into account the complex structure of the liquid; development of the technology of transition from the density distribution function to the distribution of pressure at the mesoscopic level, taking into account the properties of the liquid, the creation of the process of transforming the set of mesoscopic parameters into the macroscopic parameters of the liquid. Results include determining the distribution of the velocity field in the anastomosis area to modify its geometry. The study of the influence of gravity on the nature of motion of fine-grained inclusions has been carried out. The quantitative characteristics of the delay of particles in the area of anastomosis, depending on the dynamic viscosity of the liquid, are determined. Conclusions. The three-dimensional mathematical model discussed in this paper is based on the application of the lattice Boltzmann method for calculating the hydrodynamic parameters of the motion of fluid in the study area. The distinctive feature of the model is that it accounts for the complex nature of the liquid having fine-grained inclusions. The model allows determining the behavior of these inclusions and the field of speed with sufficient accuracy in real time. UK: Актуальність. Останнім часом істотно зросла кількість реконструктивних операцій на травному тракті людини. Результати таких операцій мають прогнозовані негативні наслідки, що пов’язані з порушеннями гідродинамічних процесів у зоні анастомозу. Ці негативні наслідки можливо частково усунути шляхом вибору форми анастомозу на основі математичного моделювання. Відомі математичні моделі є громіздкими і не дозволяють отримувати результати в реальному масштабі часу. Запропонований в роботі підхід з використанням решітчастого методу Больцмана дозволяє вирішити цю проблему. Метою роботи є розробка тривимірної математичної моделі області анастомозу для дослідження з достатньою точністю гідродинамічних параметрів рідини зі складною структурою в реальному масштабі часу. Метод. Запропоновано метод побудови та аналізу математичної моделі анастомозу травного тракту на основі решітчастого методу Больцмана. Метод відрізняється тим, що забезпечує одночасний аналіз гідродинамічних параметрів рідини та визначає характер руху дрібнозернистих включень у зоні анастомозу. Основні етапи методу: розробка технології задавання області моделювання, дискретизація тривимірного рівняння Больцмана з вибором решітки та характеру оператора колізій, який враховує складну структуру рідини; розробка технології переходу від функції розподілу густини до розподілу тиску на мезоскопічному рівні з урахуванням особливостей властивостей рідини, перехід від мезоскопічних до макроскопічних параметрів рідини. Результати моделювання включають визначення розподілу поля швидкостей в зоні анастомозу з метою модифікації його геометрії. Проведено дослідження впливу сили тяжіння на характер руху дрібнозернистих включень. Визначено кількісну характеристику затримки частинок в області анастомозу в залежності від динамічної в’язкості рідини. Висновки. Розглянута в даній роботі тривимірна математична модель базується на застосуванні решітчастого методу Больцмана при обчисленні гідродинамічних параметрів руху рідини в області дослідження. Особливість моделі полягає в урахуванні складного характеру рідини, яка включає дрібнозернисті включення. Модель дозволяє визначати характер поведінки цих включень та поле швидкостей з достатньою точністю в реальному масштабі часу.
Computer simulation of electromagnetic field with application the frequency adaptation method
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Yarymbash, D. S.; Yarymbash, S. T.; Kotsur, M. I.; Litvinov, D. O.; Яримбаш, Дмитро Сергійович; Яримбаш, Сергій Тимофійович; Коцур, Михайло Ігорович; Літвінов, Дмитро Олександрович
EN: A modern stage of powerful radio-electronic and electrotechnical systems development, with a power more than 1 MW, imposes increased requirements to their energy equipment, uninterrupted operation and power supply reliability in various operational modes. Field simulation of such systems class is based on modern numerical realization methods of boundary value problems for Helmholtz and Maxwell equations, both in single-connected and multi-connected domains. It imposes increased requirements to resources, computer hardware speed and software computing efficiency, defining the relevance of a new mathematical apparatus development or its elaboration, including combinations of analytical and approximate numerical methods. Objective. The purpose of work is the elaboration a new numerical realization methods of field models taking into account AC electrophysical processes with high frequency on the basis of Helmholtz equations in frequency formulations, adapted to software packages use with a free license. Method. A new method of frequency adaptation is elaborated, which provides systems of Helmholtz equations reduction in vector magnetic potential formulations to the recurrent modified Maxwell’s equations, in analogies of DC formulation, and also provides high precision and field simulation efficiency. Results. The generalized spatial mathematical model of interrelated electromagnetic and electrothermal processes AC energy conversion in current-conducting wires of powerful radio-electronic and electrotechnical systems is offered. This model considers operational modes, nonlinear dependences of electrophysical properties in electrotechnical materials, replacement effects and outer superficial effects, self- and mutual induction. A new method of frequency adaptation is elaborated, based on Helmholtz system of equations reduction in the vector magnetic potential formulations, in frequency domain, to the recurrent modified Maxwell’s equations, in analogies of DC formulation, and also provides high precision and field simulation efficiency. At numerical realization of frequency adaptation methods and finite elements, the number of freedom degrees decreases twice. It is caused by step-by-step solution the recurrent modified Maxwell’s equations, in analogies of DC formulations, for real and imaginary components of electric and vector magnetic potentials. Conclusions. The elaborated new frequency adaptation method significantly expands possibilities of production design preparation for powerful radio engineering systems. It allows using the software packages with a free license, reduces requirements to computing resources, reduces time costs and provides high precision in electromagnetic fields simulation. UK: Сучасний етап розвитку потужних радіоелектронних і електротехнічних систем з потужністю понад 1 МВт висуває підвищені вимоги до їх енергоозброєння, безперебійності та надійності енергозабезпечення в різних експлуатаційних режимах. Польове моделювання такого класу систем базується на сучасних методах чисельної реалізації крайових задач для рівнянь Гельмгольца та Максвелла як в однозв’язних, так і в багатозв’язних областях. Це висуває підвищені вимоги до ресурсів, швидкодії засобів обчислювальної техніки та до обчислювальної ефективності програмного забезпечення, визначаючи актуальність розробки нового або розвиток існуючого математичного апарату, в тому числі комбінацій аналітичних і наближених чисельних методів. Метою роботи є розробка нових методів чисельної реалізації польових моделей електрофізичних процесів змінного струму високої частоти на основі частотних формулювань рівнянь Гельмгольца, адаптованих до використання пакетів програм з вільною ліцензією. Метод. Розроблено новий метод частотної адаптації, що забезпечує редукцію систем рівнянь Гельмгольца в формулюваннях векторного магнітного потенціалу до рекурентних модифікованим рівнянням Максвелла в аналогіях формулювань постійного струму, високу точність і ефективність польового моделювання. Результати. Запропоновано узагальнену просторову математичну модель взаємозалежних електромагнітних процесів перетворення енергії змінного струму в струмопровідах потужних радіоелектронних та електротехнічних систем, яка враховує експлуатаційні режими, нелінійні залежності електрофізичних властивостей електротехнічних матеріалів, ефекти витіснення і зовнішні поверхневі ефекти, само- та взаємоіндукції. Розроблено новий метод частотної адаптації, заснований на редукції систем рівнянь Гельмгольца в формулюваннях векторного магнітного потенціалу в частотній області до рекурентних модифікованим рівнянням Максвелла в аналогіях постійного струму, що забезпечує високу точність і обчислювальну ефективність. При чисельній реалізації методів частотної адаптації і скінчених елементів число ступенів свободи зменшується в два рази, що зумовлено поетапним рішенням рекурентних модифікованих рівнянь Максвелла в аналогіях формулювань постійного струму для дійсних і уявних складових електричних і векторних магнітних потенціалів. Висновки. Розроблений новий метод частотної адаптації істотно розширює можливості конструкторської підготовки виробництва потужних радіоелектронних та електротехнічних систем, дозволяє використовувати пакети програм з вільною ліцензією, знижує вимоги до обчислювальних ресурсів, скорочує витрати часу і забезпечує високу точність моделювання електромагнітних полів.
Полиинтервальная математика и оптимизация в условиях неопределенности
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Левин, В. И.; Левін, В. І.; Levin, V.I.
RU: В последние десятилетия в гражданской и военной сферах все чаще встречаются новые информационные технологии, основанные на новых подходах к описанию различных видов неопределенности. Эти технологии широко применяются в технике, экономике, социальной сфере. Для их поддержки необходимы новые достаточно мощные математические модели и методы. В связи с этим данная статья, посвященная разработке новой модели неопределенности (полиинтервал) и математических методов и моделей для ее изучения, применительно к решению задач оптимизации в условиях неопределенности, является весьма актуальной. Цель статьи заключается в детальной разработке новой математической модели неопределенности – полиинтервала, являющегося последовательностью конечного числа независимых интервалов неопределенности, с целью оптимизации разнообразных технических, экономических, социальных и иных систем с полиинтервальными параметрами. Метод. Для достижения поставленной цели в статье предложено распространить на изучение оптимальных операций над полиинтервалами известный в интервальной математике метод введения операций над интервалами в виде теоретико-множественного обобщения соответствующих операций над вещественными числами. Результат. В статье детально разработана новая математическая модель неопределенности – полиинтервал. Определены оптимальные операции (max, min) над полиинтервалами, выведены правила их выполнения. Установлены необходимые и достаточные условия существования этих операций, т.е. условия сравнимости полиинтервалов по отношениям «больше» и «меньше». Дан пример использования полученных результатов для принятия оптимального экономического решения о выборе наилучшего места работы по критерию «наибольшая зарплата». Показано, что полинтервал, являющийся более сложной моделью неопределенности систем, чем интервал, позволяет исследовать неопределенные системы с такими же временными затратами. Выводы. Научная новизна данной работы состоит в предложенной автором новой математической модели неопределенности различных систем в виде полиинтервалов, совместно с математическим аппаратом, позволяющим выполнять оптимальные операции над полиинтервалами и тем самым дающим возможность решать задачи оптимизации технических, экономических, социальных и иных систем с полиинтервальными параметрами. UK: В останні десятиліття в цивільній і військовій сферах усе частіше зустрічаються нові інформаційні технології, засновані на нових підходах до опису різних видів невизначеності. Ці технології широко застосовуються у техніці, економіці, соціальній сфері. Для їхньої підтримки необхідні нові досить могутні математичні моделі і методи. У зв’язку з цим ця стаття, присвячена розробці нової моделі невизначеності (поліінтервал) і математичних методів і моделей для її вивчення, стосовно до рішення задач оптимізації в умовах невизначеності, є дуже актуальною. Мета статті полягає в детальній розробці нової математичної моделі невизначеності – поліінтервалу, що є послідовністю кінцевого числа незалежних інтервалів невизначеності, з метою оптимізації різноманітних технічних, економічних, соціальних і інших систем з поліінтервальними параметрами. Метод. Для досягнення поставленої мети в статті запропоновано поширити на вивчення оптимальних операцій над поліінтервалами відомий у інтервальній математиці метод введення операцій над інтервалами у вигляді теоретико-множинного узагальнення відповідних операцій над дійсними числами. Результат. У статті детально розроблена нова математична модель невизначеності – поліінтервал. Визначено оптимальні операції (max, min) над поліінтервалами, виведені правила їхнього виконання. Установлено необхідні і достатні умови існування цих операцій, тобто умови порівнянності поліінтервалів по відносинам «більше» і «менше». Дано приклад використання отриманих результатів для прийняття оптимального економічного рішення про вибір найкращого місця роботи за критерієм «найбільша зарплата». Показано, що поліінтервал, що є більш складною моделлю невизначеності систем, ніж інтервал, дозволяє досліджувати невизначені системи з такими ж витратами часу. Висновки. Наукова новизна даної роботи полягає у запропонованій автором новій математичнійї моделі невизначеності різних систем у виді поліінтервалів, разом з математичним апаратом, що дозволяє виконувати оптимальні операції над поліінтервалами і тим самим таким, що дає можливість вирішувати задачі оптимізації технічних, економічних, соціальних і інших систем з поліінтервальними параметрами. EN: In recent decades, in the civil and military spheres new information technologies are increasingly encountered based on new approaches to describing various types of uncertainty. These technologies are widely used in engineering, economics, social sphere. To support them, new fairly powerful mathematical models and methods are needed. In this regard, this article devoted to the development of a new model of uncertainty (polyinterval) and mathematical methods and models for its study with regard to solving optimization problems under uncertainty is very relevant. Objective. The aim of the article is to elaborate a new mathematical model of uncertainty – a polyinterval which is a sequence of a finite number of independent intervals of uncertainty in order to optimize various technical, economic, social and other systems with polyinterval parameters. Method. To achieve this goal, it is proposed to extend the method of introducing operations on intervals in the form of a set-theoretical generalization of the corresponding operations over real numbers to the study of optimal operations over polyintervals. Result. In the article a new mathematical model of non-definiteness is developed in detail – polyinterval. The optimal operations (max, min) over the polyintervals have been determined and the rules for their implementation have been derived. The necessary and sufficient conditions for the existence of these operations are established, i.e. the conditions for the comparability of polyintervals over the relations “more” and “less”. An example of using the results obtained for making the optimal economic decision on choosing the best place of work by the criterion “the highest salary” is given. It is shown that the polyinterval, which is a more complex model of uncertainty than the interval, allows one to investigate uncertain systems with the same time costs. Conclusions. The scientific novelty of this work consists in the proposed by the author new mathematical model of uncertainty of various systems in the form of polyintervals, in conjunction with a mathematical apparatus that allows performing optimal operations on polyintervals and thereby enabling the optimization of technical, economic, social and other systems with polyinterval parameters.
Method of numerical analysis of the problem of stationary flow past bodies of revolution by viscous fluid
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Lamtyugova, S. N.; Sidorov, M. V.; Sytnykova, I. V.; Ламтюгова, С. М.; Сидоров, М. В.; Ситникова, Ю. В.
EN: The nonlinear stationary problem of flow past a body of revolution by a viscous incompressible fluid is examined in this article. Objective. The purpose of this work is to develop a new method of numerical analysis of stationary problems of flow around bodies of revolution by viscous incompressible fluid. Method. The mathematical model of the process under consideration is a nonlinear boundary value problem for the stream function obtained by the transition from the system of Navier-Stokes equations to one nonlinear equation of the fourth order. A special feature of the formulation the task of the flow past body is that the boundary value problem is considered in an infinite region and both boundary conditions on the boundary of the streamlined body and the condition at infinity are imposed for the stream function. Using the structural method (the R-functions method), the task solution structure, that exactly satisfies all the boundary conditions of the task, and also guarantees the necessary behavior of the stream function at infinity, is constructed. Two approaches are proposed to approximate the uncertain components of the structure. The first approach is based on the use of the successive approximations method, which makes it possible to reduce the solution of the initial nonlinear task to the solution of a sequence of linear boundary value problems. These linear tasks are solved by the Bubnov-Galerkin method at each step of the iteration process. The second approach for approximating the uncertain components of the structure is based on the usage of the nonlinear Galerkin method and it is proposed to use it in the case of divergence of successive approximations. In this case, the solution of the initial nonlinear task reduces to solving a system of nonlinear algebraic equations. Results. A computational experiment was carried out for the task of flow past a sphere, an ellipsoid of rotation and two articulated ellipsoids for various Reynolds numbers. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the efficiency of the proposed method of numerical analysis of stationary problems of flow around bodies of revolution by viscous incompressible fluid. The prospects for further research may consist in using the method developed for the implementation of semi-discrete and projection methods for solving non-stationary problems. UK: У статті розглядається нелінійна стаціонарна задача обтікання тіла обертання в’язкою нестисливою рідиною. Мета роботи – розробка нового методу чисельного аналізу стаціонарних задач обтікання тіл обертання в’язкою нестисливою рідиною. Метод. Математичною моделлю розглядуваного процесу служить нелінійна крайова задача для функції течії, отримана переходом від системи рівнянь Нав’є-Стокса до одного нелінійного рівняння четвертого порядку. Особливістю постановки задачі обтікання є те, що крайова задача розглядається в нескінченній області і для функції течії ставляться як крайові умови на межі тіла, що обтікається, так і умова на нескінченності. За допомогою структурного методу (методу R-функцій) будується структура розв’язку задачі, яка точно задовольняє всі крайові умови задачі, в тому числі гарантує потрібну поведінку функції течії на нескінченності. Для апроксимації невизначених компонент структури пропонується два підходи. Перший підхід заснований на використанні методу послідовних наближень, який дозволяє звести розв’язування вихідної нелінійної задачі до розв’язування послідовності лінійних крайових задач. На кожному кроці ітераційного процесу ці лінійні задачі розв’язуються методом Бубнова-Гальоркіна. Другий підхід до апроксимації невизначених компонент структури заснований на застосуванні нелінійного методу Гальоркіна і його пропонується використовувати в разі розбіжності послідовних наближень. У цьому випадку розв’язування вихідної нелінійної задачі зводиться до розв’язування системи нелінійних алгебраїчних рівнянь. Результати. Обчислювальний експеримент проведений для задачі обтікання сфери, еліпсоїда обертання і двох з’єднаних еліпсоїдів для різних чисел Рейнольдса. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу чисельного аналізу стаціонарних задач обтікання тіл обертання в’язкою нестисливою рідиною. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у використанні розробленого методу при реалізації полудіскретних і проекційних методів розв’язання нестаціонарних задач.
Применение алгоритма оптимизации роем частиц для минимизации стоимости проведения многофакторного эксперимента
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Кошевой, Н. Д.; Беляева, А. А.; Кошовий, М. Д.; Беляєва, А. А.; Koshevoy, N. D.; Beliaieva, A. A.
RU: Решена актуальная задача получения последовательности опытов при проведении полного факторного эксперимента, обеспечивающей его минимальную стоимость. Цель работы – создание метода для оптимизации многофакторных планов эксперимента с помощью алгоритма оптимизации роем частиц. Метод. Предложен метод построения оптимальной матрицы планирования эксперимента по стоимости реализации с использованием алгоритма роя частиц. Метод роя частиц базируется на моделировании поведения популяции частиц в пространстве параметров задачи оптимизации. Вначале вводится количество факторов и стоимость перехода для каждого уровня факторов. Затем с учетом введенных данных формируется сводная матрица планирования эксперимента. Частицы разбросаны случайным образом по всей сводной матрице планирования эксперимента, и каждая частица имеет случайный вектор скорости. После этого частицы начинают перемещаться по строкам и столбцам матрицы. В каждой точке, где побывала частица, рассчитывается значение стоимости проведения эксперимента. При этом каждая частица запоминает, какое (и где) лучшее значение стоимости эксперимента она лично нашла и где расположена точка, являющаяся лучшей среди всех точек, которые разведали частицы. На каждой итерации частицы корректируют свою скорость (модуль и направление), чтобы с одной стороны быть поближе к лучшей точке, которую она нашла сама и, в то же время, приблизиться к точке, которая в данный момент является глобально лучшей. Через некоторое количество итераций частицы собираются вблизи наиболее хорошей точки. Затем корректируется текущая координата каждой частицы. После этого рассчитывается значение стоимости проведения эксперимента в каждой новой точке, каждая частица проверяет, не стала ли новая координата лучшей среди всех точек, где она побывала. Затем среди всех новых точек осуществляется проверка, не нашли ли мы новую глобально лучшую точку, и, если нашли, запоминаем ее координаты и значение стоимости проведения эксперимента в ней. Затем рассчитывается выигрыш по сравнению с исходной стоимостью проведения эксперимента. Результаты. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный метод, которое использовано при проведении вычислительных экспериментов по исследованию свойств метода. Выводы. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного метода и реализующего его программного обеспечения, а также позволяют рекомендовать их для применения на практике при построении оптимальных матриц планирования экспериментов. UK: Вирішено актуальну завдачу отримання послідовності дослідів при проведенні повного факторного експерименту, що забезпечує його мінімальну вартість. Мета роботи – створення методу для оптимізації багатофакторних планів експерименту за допомогою алгоритму оптимізації роєм часток. Метод. Запропоновано метод побудови оптимальної матриці планування експерименту за вартістю реалізації з використанням алгоритму рою часток. Метод рою часток базується на моделюванні поведінки популяції частинок в просторі параметрів задачі оптимізації. На початку вводиться кількість чинників і вартість переходу для кожного рівня факторів. Потім з урахуванням введених даних формується зведена матриця планування експерименту. Частинки розкидані випадковим чином по всій зведеної матриці планування експерименту і кожна частинка має випадковий вектор швидкості. Після цього частинки починають переміщатися по рядках і стовпцях матриці. У кожній точці, де побувала частинка, розраховується значення вартості проведення експерименту. При цьому кожна частка запам’ятовує, яке (і де) краще значення вартості експерименту вона особисто знайшла і де розташована точка, яка є кращою серед усіх точок, які розвідали частки. На кожній ітерації частки коректують свою швидкість (модуль і напрямок), щоб з одного боку бути ближче до кращої точці, яку вона знайшла сама і, в той же час, наблизитися до точки, яка в даний момент є глобально кращої. Через деякий кількість ітерацій частки збираються поблизу найбільш хорошою точки. Потім коригується поточна координата кожної частки. Після цього розраховується значення вартості проведення експерименту в кожній новій точці, кожна частка перевіряє, чи не стала нова координата кращою серед усіх точок, де вона побувала. Потім серед усіх нових точок здійснюється перевірка, чи не знайшли ми нову глобально кращу точку, і, якщо знайшли, запам’ятовуємо її координати і значення вартості проведення експерименту в ній. Потім розраховується виграш в порівнянні з вихідною вартістю проведення експерименту. Результати. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує запропонований метод, який використано при проведенні обчислювальних експериментів з дослідження властивостей методу. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу і реалізує його програмного забезпечення, а також дозволяють рекомендувати їх для застосування на практиці при побудові оптимальних матриць планування експериментів. EN: The actual problem of obtaining a sequence of experiments in the conduct of a full factor experiment ensuring its minimum cost has been solved. Objective – is to create a method for optimizing multifactor experimental plans using an optimization algorithm for the particle swarm. Method. A method is proposed for constructing an optimal experiment design matrix for the cost of implementation using the particle swarm algorithm. The particle swarm method is based on modeling the behavior of the particle population in the parameter space of the optimization problem. In the beginning, the number of factors and the cost of the transition for each level of factors are introduced. Then, taking into account the input data, a composite matrix of experiment planning is formed. The particles are scattered randomly across the entire composite experiment design matrix and each particle has a random velocity vector. After that, the particles begin to move along the rows and columns of the matrix. At each point where the particle visited, the value of the experiment is calculated. In this case, each particle remembers which (and where) the best value of the cost of the experiment, she personally found and where the point is located, which is the best among all the points that explored the particles. At each iteration, the particles correct their velocity (module and direction) in order to be closer to the best point on the one hand, which she found herself and, at the same time, to approach the point that is currently globally better. After a certain number of iterations, the particles are collected near the best point. Then the current coordinate of each particle is corrected. After this, the cost of the experiment is calculated at each new point, each particle checks whether the new coordinate has become the best among all the points where it visited. Then, among all the new points, we check whether we have found a new globally better point, and if found, remember its coordinates and the value of the cost of conducting the experiment in it. Then the gain is calculated in comparison with the initial cost of the experiment. Results. The software that implements the proposed method is developed, which was used in carrying out computational experiments to study the properties of the method. Conclusions. The conducted experiments confirmed the efficiency of the proposed method and the software that implements it, and also allow them to be recommended for application in practice when constructing optimal experimental design matrices.
GIS-technologies and mathematical simulation to predict lightning-caused forest fire danger
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Baranovskiy, N. V.; Yankovich, E. P.; Барановський, М. В.; Янкович, Е. П.
EN: The components of the geoinformation system for monitoring, forecasting and assessment of forest fire danger caused by thunderstorm activity are developed. Objective of the work is to create an embedded software tool for physically based forecasting, monitoring and evaluation of the probability of forest fire occurrence as a result of the impact of a lightning discharge on a tree trunk. Method. Structural analysis is used to design elements and information flows inside and outside of the developed geographic information system. Mathematical modeling is used to determine the parameters of tree ignition by the cloud-to-ground lightning discharge. Mathematically, the process of tree trunk heating is described using a system of non-stationary heat conduction equations with a source part responsible for the heat release according to the Joule-Lenz law in the core of the tree trunk. The finite difference method is used to solve the differential heat equation. Finite-difference analogues are solved by the double-sweep method. Program realization is implemented in the built-in high-level language. The probability theory (conditional probability) is used to develop a probabilistic criterion for forest fire danger estimation. Results. A software tool is developed to estimate the tree ignition delay time as a result of the impact of a cloud-to-ground lightning discharge. The GIS-system component is developed in the high-level programming language Python. We have obtained probability distribution of forest fire occurrences from thunderstorms for the territory of the Timiryazevsky forestry in the Tomsk region is obtained. Conclusions. We have proposed a physically proved method for forecasting, monitoring and assessing forest fire danger caused by thunderstorm activity. The deterministic mathematical model is used to simulate tree ignition by the cloud-to-ground lightning discharge in conjunction with the probabilistic criterion for assessing forest fire danger. We have analysed forest fire danger for a typical territory of the Tomsk region (Timiryazevskiy forestry). UK: Розроблено компоненти геоінформаційної системи для моніторингу, прогнозування та оцінювання лісової пожежної небезпеки, обумовленої дією грозової активності. Мета роботи – створення програмно-апаратного інструменту для фізично обґрунтованого прогнозування, моніторингу та оцінювання ймовірності виникнення лісової пожежі в результаті впливу грозового розряду на стовбур дерева. Метод. Структурний аналіз використаний для проектування елементів і потоків інформації всередині і ззовні розробленої геоінформаційної системи. Математичне моделювання використано для визначення параметрів займання дерева наземним грозовим розрядом. Математично процес розігріву стовбура дерева описується за допомогою системи нестаціонарних рівнянь теплопровідності з джерельним членом, що відповідає за тепловиділення за законом Джоуля-Ленца в серцевині стовбура дерева. Метод кінцевих різниць використаний для вирішення диференціальних рівнянь теплопровідності. Кінцево-різницеві аналоги вирішені методом прогонки. Програмна реалізація виконана на вбудованій мові високого рівня. Теорія ймовірності (умовна ймовірність) використана для розробки імовірнісного критерію лісової пожежної небезпеки. Результати. Розроблено програмний інструмент для оцінки часу затримки запалювання дерева в результаті впливу наземного грозового розряду. Компонент ГІС-системи розроблений мовою програмування високого рівня Python. Отримано розподіл ймовірності виникнення лісових пожеж від гроз для території Тимирязівського лісництва Томської області. Висновки. Запропоновано фізично обгрунтований метод прогнозування, моніторингу та оцінювання лісової пожежної небезпеки, обумовленої дією грозової активності. Детермінована математична модель запалювання дерева наземним грозовим розрядом використана в сукупності з імовірнісним критерієм для оцінки лісової пожежної небезпеки. Проведено аналіз лісової пожежної небезпеки для типової території Томської області (Тимирязівське лісництво).
Информативные параметры динамической нестационарности кардиосигналов
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2018) Щапов, П. Ф.; Коваль, С. Н.; Король, Е. И.; Томашевский, Р. С.; Магдалиц, Т. И.; Щапов, П. Ф.; Коваль, С. Н.; Король, Є. І.; Томашевський, Р. С.; Магдаліц, Т. І.; Shchapov, P. F.; Koval, S. N.; Korol, E. I.; Tomashevskyi, R. S.; Mahdalyts, T. I.
RU: Современная электрокардиография, несмотря на качественное улучшение в аппаратном обеспечении и возможности обработки данных, на сегодняшний день практически исчерпала ресурс получения дополнительной диагностической информации. В статье сделана попытка создания нового метода обработки электрокардиограмм на основе использования модели ЭКГ-сигнала, которая учитывает пьезоэлектрический эффект в некоторых биологических тканях и клеточных соединениях (кровь, стенки сосудов). Цель работы. Вероятностное обоснование возможности формирования принципиально новых информативных диагностических признаков, использующих частотно-временную корреляцию между двумя вейвлет-спектрами ЭКГ-сигнала и его линейного преобразования. Метод. В качестве экспериментальной модели используется аддитивная модель потенциала сердечной мышцы (наведенного электрического поля) и пьезоэлектрического потенциала системы «кровь-сосуды», вызванного сокращением миокарда. Для выделения влияния вызванного потенциала в работе предложен метод линейного преобразования ЭКГ-сигнала, обладающий высокой чувствительностью к локальной спектральной нестационарности. Для реализации этого метода использовано вейвлет-преобразование и предложен количественный показатель спектральной нестационарности ЭКГ-сигнала – коэффициент нормированной межспектральной корреляции (КНМК). Разработанный математический аппарат в работе использован для анализа двух электрокардиографических сигналов, условной нормы и с последствием инфаркта миокарда. Результаты. В результате рассчитанных КНМК показана возможность количественного различия этих состояний с достаточно высокой статистической достоверностью. Базовым результатом работы является вероятностное обоснование возможности формирования принципиально новых информативных диагностических признаков, использующих частотно-временную корреляцию между двумя вейвлет-спектрами ЭКГ-сигнала и его линейного преобразования. Высокая чувствительность и информационная значимость корреляционных диагностических признаков подтверждены примерами дискриминации параметрически неоднородных ЭКГ-сигналов. Выводы. Теоретически и экспериментально подтверждена спектральная нестационарность кардиосигнала; получена функциональная связать спектральной нестационарности ЭКГ-сигнала с эффектами квантованности скорости его изменения; разработан метод параметрического определения коэффициента межспектральной корреляции, позволяющий количественно описать динамику локально-спектральных изменений кардиосигнала для задач автоматического экспресс контроля и диагностики кардиосостояний и проведена его апробация. UK: Сучасна електрокардіографія, незважаючи на якісне поліпшення в апаратному забезпеченні та можливості обробки даних, на сьогоднішній день практично вичерпала ресурс отримання додаткової діагностичної інформації. У статті зроблена спроба створення нового методу обробки електрокардіограм на основі використання моделі ЕКГ-сигналу, яка враховує п’єзоелектричний ефект в деяких біологічних тканинах і клітинних з’єднаннях (кров, стінки судин). Мета роботи. Вірогіднісне обґрунтування можливості формування принципово нових інформативних діагностичних ознак, які використовують частотно-часову кореляцію між двома вейвлет-спектрами ЕКГ-сигналу і його лінійного перетворення. Метод. В якості такої моделі використовується адитивна модель потенціалу серцевого м’яза (наведеного електричного поля) і п’єзоелектричного потенціалу системи «кров-судини», викликаного скороченням міокарда. Для виділення впливу викликаного потенціалу в роботі запропоновано метод лінійного перетворення ЕКГ-сигналу, що має високу чутливість до локальної спектральної нестаціонарності. Для реалізації цього методу використано вейвлет-перетворення і запропонований кількісний показник спектральної нестаціонарності ЕКГ-сигналу – коефіцієнт нормованої міжспектральної кореляції (КНМК). Розроблений математичний апарат в роботі використаний для аналізу двох електрокардіографічних сигналів, умовної норми і з наслідком інфаркту міокарда. Результати. В результаті розрахованих КНМК показана можливість кількісної відмінності цих станів з досить високою статистичною достовірністю. Базовим результатом роботи є вірогіднісне обґрунтування можливості формування принципово нових інформативних діагностичних ознак, які використовують частотно-часову кореляцію між двома вейвлет-спектрами ЕКГ-сигналу та його лінійного перетворення. Висока чутливість та інформаційна значимість кореляційних діагностичних ознак підтверджені прикладами дискримінації параметрично неоднорідних ЕКГ-сигналів. Висновки. Теоретично та експериментально підтверджена спектральна нестационарность кардіосигналу; отриманий функціональний зв’язок спектральної нестаціонарності ЕКГ-сигналу з ефектами квантованості швидкості його зміни; розроблений метод параметричного визначення коефіцієнта міжспектральної кореляції, що дозволяє кількісно описати динаміку локально-спектральних змін кардіосигналу для задач автоматичного експрес контролю та діагностики кардіостанів і проведена його апробація. EN: . Modern electrocardiography, in spite of qualitative improvement in hardware and data processing capabilities, for today has practically exhausted a resource of reception of the additional diagnostic information. In the article an attempt is made to create a new method for processing electrocardiograms based on the use of the ECG signal model, which takes into account the piezoelectric effect in some biological tissues and cell connections (blood, vessel walls). Objective. Probabilistic justification of the possibility of forming fundamentally new informative diagnostic features, which uses the time-frequency correlation between two wavelet spectra of the ECG signal and its linear transformation. Method. As such a model is used the additive model of the potential of the cardiac muscle (induced electric field) and the piezoelectric potential of the blood-vessel system caused by myocardial contraction. To isolate the influence of the induced potential is proposed a method of linear transformation ECG signal. This method has a high sensitivity to local spectral nonstationarity. Wavelet transform is used to implement this method. The coefficient of normalized inter-spectral correlation (CNIC) is proposed as a quantitative indicator of the spectral nonstationarity of the ECG signal. The developed mathematical apparatus in the work is used for the analysis of two electrocardiographic signals: conditional norm and with the consequence of myocardial infarction. Results. As a result of the calculated CNIC, the possibility of a quantitative difference of these states with a sufficiently high statistical reliability is shown. The basic result of the work is a probabilistic justification for the possibility of forming fundamentally new informative diagnostic features using the time-frequency correlation between two wavelet spectra of an ECG signal and its linear transformation. High sensitivity and information significance of correlation diagnostic features are confirmed by examples of discrimination of parametrically inhomogeneous ECG signals. Conclusions. Main results of the study: the spectral non-stationarity of the cardiac signal has been confirmed theoretically and experimentally; The functional interrelation of the spectral nonstationarity of the ECG signal with the effects of quantization of the rate of its change is obtained; A method for the parametric determination of the coefficient of inter-spectral correlation was developed, which makes it possible to quantitatively describe the dynamics of the local spectral changes in the cardiac signal for the tasks of automatic express control and diagnostics of cardiac states and carried out its approbation.

Browse

Recent Submissions