151 "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Моделі і методи забезпечення QoS шляхом обслуговування черг у мовах пікових навантажень(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Воронець, Віталій МиколайовичДисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі, пов'язаної з розробкою та подальшим удосконалення моделей та методів управління чергами при пікових навантаженнях для підвищення якості обслуговування комп’ютерних мереж. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей вузлів мереж і моделей трафіка з гарантованою доставкою пакетів на базі математичного апарата марківських систем масового обслуговування та теорії черг для розв’язання задач аналізу комп’ютерних мереж та управління чергами у вузлах мереж за сукупністю критеріїв, які покращують показники QoS (затримка пакета, втрати пакетів). Об’єкт дослідження – процеси управління чергами в комп’ютерних мережах при пікових навантаженнях. Предмет дослідження – моделі та методи управління чергами в комп’ютерних мережах при пікових навантаженнях. У вступі обґрунтовано актуальність підвищення якості обслуговування в комп’ютерних мережах, представлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, наведено наукову новизну, представлено практичне значення отриманих результатів, надано інформацію щодо особистого внеску здобувача, представлено перелік публікацій за темою дисертації. У першому розділі виконано постановку науково-технічної проблеми якості обслуговування в комп’ютерних мережах. Проведено аналіз принципів побудови та функціонування сучасних комп’ютерних мереж. Досліджено основні мережеві протоколи та механізми забезпечення якості обслуговування, виділено перспективні напрямки дослідження. Вказано на доцільність удосконалення існуючих та розробку нових моделей та методів управління чергами, особливо за умови пікових навантажень. Обґрунтовано вибір моделей та методів для подальшого дослідження. Сформульовано завдання дисертаційного дослідження. У другому розділі побудовано математичні моделі вузлів комп’ютерної мережі з неоднорідним вхідним потоком пакетів без пріоритетів, багатоканального вузла мережі з неоднорідним вхідним потоком пакетів з абсолютним пріоритетом, багатоканальним потоком пакетів із відносним пріоритетом, вузла мережі з повторною передачею пакетів. Розроблено наближену технологію оцінки якості обслуговування багатоканальних вузлів маршрутизації з відмовами та неоднорідним вхідним трафіком з пріоритетами. Отримані співвідношення для показників QoS дають можливість оцінити якість обслуговування UDP та TCP трафіків у вузлах мереж, врахувати їх відмінності та оптимізувати ресурси мережі. Показано, що врахування TCP трафіка, на відміну від стандартних моделей, які враховуються тільки UDP трафік, погіршує показники довжини черги при піковому навантаженні, а граф має ступінчасту форму, що відрізняє його від кривої, яку побудовано аналітично з використанням класичних формул СМО. У третьому розділі запропоновано комплексну математичну модель управління потоками пакетів. Розглянуто сценарій управління вузлом мережі, де доступно чотири черги, кожна здатна обслуговувати один із шістнадцяти потоків пакетів, кожен із них з власним набором характеристик якості обслуговування. Одним із ключових аспектів цієї системи є належний порядок приоритизації, який сприятиме ефективному розподілу ресурсів між потоками відповідно їх вимог до якості обслуговування. Визначено оптимальну стратегію для кожної черги у розподілі потоків пакетів. Для вирішення задачі застосовано техніку управління потоками, зокрема, використання вартісної функції для оптимізації, а також методи адаптивного керування розміром черг та розподілу навантаження. Виконано програмну симуляцію мережі вузла мережі з чергами із пріоритетами та управлінням потоками пакетів. Проведено аналіз шляхів передачі даних у мережі з урахуванням поточного навантаження та пріоритетів повідомлень. У четвертому розділі удосконалено методи формування трафіку вузла мережі, що гарантує показники якості обслуговування. Метод управління дисципліною обслуговування, запропонований у роботі, забезпечує мінімізацію максимальної ймовірності того, що довжина черги з урахуванням ваги відповідного потоку буде не нижчою за критичну. Розроблено метод управління ресурсом з урахуванням рівності середніх довжин черг. Запропоновано технологію визначення розподілу ресурсу процесора, оптимального, у розумінні рівності середніх тривалостей, очікування початку обслуговування. Протестовано розроблені методи управління обслуговуванням черг пакетів у вузлах мереж за сукупністю критеріїв, за допомогою симулятора OMNeT++. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові резульатти: 1. Вперше запропоновано вартісно-вагову модель управління обслуговуванням потоків пакетів за рахунок розподілу їх по чергам вузла мережі, яка враховує суперпозицію показників якості обслуговування QoS (Quality of Service) мережі, внутрішніх параметрів заголовку пакету та додаткових показників провайдерів Інтернет, кожному з яких задається вага. Використання запропонованої моделі із 11 показниками мережевих пакетів дозволило знизити затримку пакету при онлайн управлінняі рухомим об’єктом на 15.7% при загальному навантаженні на мережу 90% і більше. 2. Удосконалено марківські моделі обслуговування мережевого трафіку, шляхом врахування особливостей протоколу управління передачею TCP (Transmission Control Protocol) щодо гарантування доставки пакета та повторної передачі втрачених пакетів, що дозволило покращити точність розрахунку показників якості обслуговування QoS (Quality of Service), а саме: втрати пакетів на 3.83% та затримку пакетів на 4.63% при піковому навантаженні 90% від пропускної здатності. 3. Отримали подальший розвиток методи управління обслуговуванням черг, які, на відміну від відомих, встановлюють раціональний розподіл ресурсу системи передачі пакетів за критеріями: середня довжина черг з урахуванням пріоритетів - знижує ймовірність відкидання пакетів алгоритмом RED по всіх потоках; середня тривалість очікування початку обслуговування - покращує пропускну здатність вузла мережі; ймовірність того, що довжина максимальної з черг не перевищить критичну - збалансовує відкидання пакетів алгоритмом RED між усіма потоками, знижує коливання черг; середня кількість черг, довжина яких не менше критичної - збалансовує відгук для всіх користувачів. Дослідження, результати яких викладені в дисертаційній роботі, виконані на кафедрі «Системи інформації ім. В.О. Кравця» НТУ «Харківський політехнічний інститут» відповідно до завдань держбюджетної теми МОН України: Міжнародний проект за програмою ERASMUS+ (Project Number: 598236-EPP-1-2018-1-LT-EPPKA2-CBHE-SP) за темою «dComFra – Digital competence framework for Ukrainian teachers and other citizens» (термін виконання 2018-2021рр), в яких здобувач був виконавцем окремих етапів. За результатами дослідження підтверджено практичну та теоретичну цінність розроблених моделей та методів, надано практичні рекомендації, щодо застосування розроблених моделей та методів та розглянуто перспективи їх подальшого розвитку. The dissertation is devoted to the solution of an actual scientific and applied problem related to the development and further improvement of models and methods of queue management at peak loads to improve the quality of computer network service. The purpose of the dissertation is to develop mathematical models of network nodes and traffic models with guaranteed delivery of packets based on the mathematical apparatus of mass service Markov systems and queuing theory for solving the problems of computer network analysis and queue management in network nodes according to a set of criteria that improve indicators QoS (packet delay, packet loss). The object of research is queue management processes in computer networks at peak loads. The subject of research is models and methods of queue management in computer networks at peak loads. The introduction substantiates the relevance of improving the quality of service in computer networks, presents the connection of work with scientific programs, plans and topics, presents scientific novelty, presents the practical significance of the obtained results, provides information on the personal contribution of the recipient, presents a list of publications on the topic of the dissertation. In the first chapter, the scientific and technical problem of the quality of service in computer networks is formulated. An analysis of the principles of construction and functioning of modern computer networks has been carried out. The main network protocols and mechanisms for ensuring the quality of service have been studied, promising areas of research have been highlighted. The expediency of improving existing and developing new models and methods of queue management, especially under conditions of peak loads, is indicated. The choice of models and methods for further research is justified. The task of the dissertation research is formulated. In the second chapter, mathematical models of computer network nodes with a heterogeneous incoming flow of packets without priorities, a multi-channel network node with a heterogeneous incoming flow of packets with absolute priority, a multi-channel flow of packets with relative priority, and a network node with retransmission of packets are built. An approximate technology for evaluating the quality of service of multi-channel routing nodes with failures and heterogeneous incoming traffic with priorities has been developed. The obtained ratios for QoS indicators make it possible to evaluate the quality of service of UDP and TCP traffic in network nodes, take into account their differences and optimize network resources. It is shown that taking into account TCP traffic, unlike standard models that take into account only UDP traffic, worsens the indicators of the queue length at peak load, and the graph has a stepped shape, which distinguishes it from the curve that is built analytically using classical SMO formulas. In the third section, a complex mathematical model of packet flow management is proposed. A network node control scenario is considered where four queues are available, each capable of serving one of sixteen packet streams, each with its own set of QoS characteristics. One of the key aspects of this system is proper prioritization, which will facilitate the efficient allocation of resources between streams according to their quality of service requirements. The optimal strategy for each queue in the distribution of packet flows is determined. To solve the problem, the technique of flow management is applied, in particular, the use of a cost function for optimization, as well as methods of adaptive control of the size of queues and load distribution. A software simulation of the network of a network node with priority queues and packet flow management was performed. An analysis of data transmission paths in the network was carried out, taking into account the current load and message priorities. In the fourth chapter, the methods of network node traffic formation, which guarantees service quality indicators, are improved. The service discipline management method proposed in the work ensures the minimization of the maximum probability that the queue length, taking into account the weight of the corresponding flow, will not be lower than the critical one. A resource management method was developed taking into account the equality of average queue lengths. The technology for determining the distribution of the processor resource, which is optimal in the sense of the equality of the average durations, waiting for the start of service, is proposed. The developed methods of managing the service of packet queues in network nodes were tested according to a set of criteria, using the OMNeT++ simulator. The main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are presented in the conclusions. According to the results of the research, the following scientific results were obtained: 1. For the first time, a value-weight model of packet flow service management by distributing them among network node queues is proposed, which takes into account the superposition of network QoS (Quality of Service) indicators, internal parameters of the packet header, and additional indicators of Internet providers, each of which is assigned a weight . The use of the proposed model with 11 indicators of network packets made it possible to reduce the packet delay during online control of a moving object by 15.7% with a total network load of 90% or more. 2. The Markov models of network traffic maintenance have been improved by taking into account the features of the TCP (Transmission Control Protocol) transmission control protocol in terms of guaranteeing packet delivery and retransmission of lost packets, which made it possible to improve the accuracy of calculating QoS (Quality of Service) indicators, namely: losses packets by 3.83% and packet delay by 4.63% at a peak load of 90% of the bandwidth. 3. Queue maintenance management methods have been further developed, which, unlike the known ones, establish a rational distribution of the resource of the packet transmission system according to the following criteria: the average length of queues taking into account priorities - reduces the probability of discarding packets by the RED algorithm on all streams; the average waiting time for the start of service - improves the bandwidth of the network node; the probability that the length of the maximum of the queues will not exceed the critical length - balances the rejection of packets by the RED algorithm between all flows, reduces queue fluctuations; the average number of queues, the length of which is not less than critical - balances the response for all users. The research, the results of which are presented in the dissertation, was carried out at the department "Information Systems named after V.O. Kravets" of NTU "Kharkiv Polytechnic Institute" in accordance with the tasks of the state budget topic of the Ministry of Education and Culture of Ukraine: International project under the ERASMUS+ program (Project Number: 598236-EPP-1-2018-1-LT-EPPKA2-CBHE-SP) on the topic "dComFra – Digital competence framework for Ukrainian teachers and other citizens" (implementation period 2018-2021), in which the applicant was the executor of individual stages. Based on the results of the study, the practical and theoretical value of the developed models and methods was confirmed, practical recommendations were given regarding the application of the developed models and methods, and the prospects for their further development were considered.Документ Комп'ютерна система програмного керування процесами подачі паливно-повітряної суміші силових агрегатів за умов неповної інформації(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Захаренков, Дмитро ЮрійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» (015 - Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет «ХПІ», Харків, 2022. Дисертацію присвячено розроблянню теоретичних засад та практики побудови комп’ютерних систем керування процесами подачі паливно-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань в умовах дії випадкових завад, дослідженню невизначеностей та швидкодії апаратних засобів й інформаційної технології моніторингу циліндрових потужностей, а також розроблянню методів зменшення невизначеностей та збільшення швидкодії прикладного програмного забезпечення. В якості джерела вхідної інформації комп’ютерна система використовує частотно-модульований сигнал швидкості обертання колінчастого валу. Розв’язання цієї науково-прикладної задачі забезпечить економію палива, зменшить ймовірність перевантаження окремих циліндрів, збільшить термін використання силового агрегату й скоротить витрати на профілактику, обслуговування та ремонт. Найбільш розповсюдженим методом моніторингу циліндрових потужностей силового агрегату є вимірювання тиску циліндрів за допомогою аналого-цифрового перетворювача Е14-140 фірми L-Card (системна плата L-783), первинний перетворювач 8QP505CS фірми AVL та програмне забезпечення «Power Graph». У результаті отримаємо відповідні індикаторні діаграми, подальше порівняння яких дозволяє встановити їхню ідентичність. Якщо є у тому потреба на етапі доводки двигуна виконується налаштування фаз процесів подачі паливно-повітряної суміші у циліндри. Використання ручної праці, наявність у двигуні декількох циліндрів і завеликі апаратні витрати суттєво обмежують застосування даного методу. Використання сучасних форсунок, які мають засоби електрогідравлічного або п’єзоелектричного керуванням процесами подачі паливо-повітряної суміші, дозволяє розробити концептуальні засади програмних рухів апаратних засобів щодо досягнення ідентичності циліндрових потужностей силових агрегатів. Використано методи теорії вимірювань, ймовірностей і математичної статистики при опрацюванні дослідних даних у вигляді ряду вимірювань із багаторазовими спостереженнями. Встановлено невизначеності апаратних засобів та прикладного програмного забезпечення, які належать до категорії А. Розроблено теоретичні засади та методологію синтезу апаратних засобів опрацювання даних непрямих вимірювань із використанням квадратичного критерію якості та еталонних математичних моделей компонент, запізнення яких відоме. На основі методів теорії подібності та теорії сигнальних графів отримано передавальні функцій окремих компонент комп’ютерної системи опрацювання даних непрямих вимірювань. В роботі використано методи комп’ютерного моделювання при визначенні швидкодії її програмного забезпечення. Також враховано вплив на апаратні засоби навколишнього середовища із підвищеним рівнем випадкових завад. Розроблено нові методи вимірювань параметрів частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу, алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення моніторингу циліндрових потужностей за умови дії випадкових завад. Побудовано комп’ютерну систему програмного керуванням процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри із заданими невизначеністю та швидкодією опрацювання даних непрямих вимірювань. Об’єктом досліджень є процес побудови апаратно-програмних засобів комп’ютерної системи керування подачею паливо-повітряної суміші зі зворотнім зв’язком за станом циліндрових потужностей силового агрегату на основі опрацювання даних непрямих вимірювань у вигляді частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу, а також за умов дії випадкових завад на її компоненти. Предметом досліджень є математичні моделі, методи вимірювань, алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення, структури апаратних засобів і компонент. У якості теоретичних засад в роботі використано методи: системного аналізу та теорії автоматичного керування за умов неповної інформації; збору, опрацювання, кодування та декодування інформації; теорії подібності та теорії сигнальних графів; теорії ймовірності, математичної статистики та теорії випадкових процесів; теорії вимірювань, зокрема, інформаційний підхід. Методи комп’ютерного моделювання використано при дослідженнях швидкодії та невизначеності апаратних засобів перетворення сигналів. Аналіз відомих методів та апаратно-програмних засобів керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання частотно-модульованих сигналів швидкості обертання колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння дозволив встановити перспективність досліджень. Також встановлено, що програмні рухи комп’ютерної системи щодо керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші силового агрегату за умов неповної інформації принципово можливо організувати. Сформульовано мету досліджень, яка полягає у зменшенні невизначеності й підвищення швидкодії апаратних засобів комп’ютерної системи опрацювання даних непрямих вимірювань при керуванні процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри силового агрегату за умов дії випадкових завад шляхом розробляння методологічних засад для їхньої побудови. На основі методу безпосереднього цифрового керування та принципу замкненого керування із використанням зворотного зв’язку за станом сигналу флуктуацій швидкості обертання колінчастого валу розроблено концептуальні засади програмних рухів апаратних засобів щодо керування процесами подачі паливо-повітряної суміші. Синхронізацію роботи комп’ютерної системи із фазою обертання колінчастого валу забезпечує сигнал верхньої мертвої точки першого циліндру. Розроблено архітектуру комп’ютерної системи та запропоновано алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей силового агрегату. За своєю сутністю апаратні засоби комп’ютерної системи керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань є пристроями циклічної дії й оперують із послідовностями імпульсних сигналів, котрі при їхньому математичному поданні розглянуто як підсумок поодиноких імпульсів. У якості математичної моделі завад запропоновано та досліджено лінійний випадковий процес, розроблено алгоритмічне й прикладне програмне забезпечення комп’ютерної імітації дискретних випадкових величин. Розроблено механічну модель крутної схеми дизель-генератора 3ТД-1 та встановлено усі її параметри. Рухи мас моделі за умови врахування тертя описано системою лінійних диференційних рівнянь. Поміж можливих чисельних методів для її розв’язування перевагу надано використанню перетворення Лапласу. Структурна схема комп’ютерної системи програмного керування процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри дизель-генератора 3ТД-1 має один вхід та три виходи. Запропоновано механічну систему із чотирма ступенями волі у якості математичної моделі кінематичної схеми дизель-генератора 3ТД-1. Динаміку рухів мас детермінованої математичної моделі із врахуванням тертя описано системою лінійних диференційних рівнянь другого порядку, параметри якої нормалізовано за допомогою теорем теорії подібності. Виконано статистичне опрацювання дослідних даних тиску першого циліндру та побудовано індикаторну діаграму. Подано крутний момент першого циліндру обмеженим рядом Фур’є. Апроксимацію інших крутних моментів виконано із урахуванням фазового запізнення циліндру відносно першого. Доведено, що розподіл циліндрових потужностей силового агрегату можна подати у вигляді вагових коефіцієнтів. Алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей силового агрегату передбачає пошук цих коефіцієнтів. Як наслідок математичних перетворень системи диференційних рівнянь отримано передавальні функції, які встановлюють інформаційні зв’язки між крутними моментами циліндрів і сигналом флуктуацій швидкості обертання першої маси колінчастого валу. Встановлено, що використання методів визначників або теорії сигнальних графів при отриманні передавальних функцій дають практично однакові результати. Алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей розроблено на основі часового та частотного подання сигналу вимірювальної інформації. При їхньому порівнянні встановлено, що вони забезпечують достатньо близьку швидкодію розрахунків. Однак, за умови дії на сигнал миттєвої швидкості обертання першої маси колінчастого валу випадкових завад перевагу слід надати алгоритму отримання оцінок максимальної правдоподібності вагових коефіцієнтів циліндрів. Розроблено методику комп’ютерної імітації адитивних та мультиплікативних випадкових завад різної фізичної природи. Проведено комп’ютерне моделювання обчислювальної процедури розрахунку вагових коефіцієнтів циліндрів за умови дії випадкових завад на ліву та праву частини системи алгебраїчних рівнянь. Аналіз результатів розрахунків дозволив встановити вимоги щодо невизначеності вимірювальних перетворювачів частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу. У якості методу отримання вхідної інформації обрано дискретизацію за часом періодів частотно-модульованого сигналу швидкості. Запропоновано декілька вариантів побудови вимірювальних перетворювачів та на їхній основі розроблено пристрої для експрес аналізу сигналу флуктуацій. У результаті статистичного опрацювання дослідних даних у вигляді рядів вимірювань із багаторазовими спостереженнями на основі використання методів теорії вимірювань й, зокрема, інформаційного підходу досліджено невизначеності розроблених перетворювачів. Встановлено, що пристрої відповідають вимогам комп’ютерної системи щодо невизначеності опрацювання вхідної інформації. Проведено математичне моделювання компонент апаратних засобів керування процесами подачі паливно-повітряної суміші. На основі методів структурних перетворень отримано передавальну функцію апаратних засобів керування п’єзоелектричною форсункою. Комп’ютерним моделюванням у середовищі Matlab отримано частотні характеристики апаратних засобів та методом кореневого годографу досліджено замкнену систему керування процесами подачі паливно-повітряної суміші. Аналіз частотних характеристик дозволив встановити, що апаратно-програмні засоби відповідають вимогам щодо швидкодії перетворення вхідної інформації. Мінімізацією квадратичного критерію якості синтезовано пристрій опрацювання частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу на основі використання еталонних моделей компонент, які мають відоме запізнення. Побудовано схему комп’ютерного моделювання сигналу флуктуацій та використанням методу моделі, яка навчається, виконано процедуру ідентифікації її параметрів. У результаті аналізу вихідного сигналу схеми встановлено, що розроблені апаратні засоби відповідають вимогам комп’ютерної системи керування процесами подачі паливно-повітряної суміші у циліндри силового агрегату щодо невизначеності та швидкодії. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку теоретичних засад побудови апаратно-програмних засобів комп’ютерної системи замкненого керування процесами подачі паливо-повітряної суміші в циліндри дизель-генератора на основі опрацювання даних непрямих вимірювань у вигляді частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу за умов дії випадкових завад: - уперше запропоновано та науково обґрунтовано концепцію програмних рухів комп’ютерної системи щодо керування процесами подачі паливо-повітряної суміші за умов неповної інформації, відмінною ознакою якої є використання сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу силового агрегату при моніторингу розподілу циліндрових потужностей; - набули подальшого розвитку теоретичні засади побудови апаратних засобів опрацювання частотно-модульованого сигналу швидкості обертання із використанням квадратичного критерію якості та математичних моделей компонент, запізнення яких відоме, за умов дії завад у вигляді лінійного випадкового процесу, що дозволило покращити їхню швидкодію; - в якості детермінованої математичної моделі крутної схеми силового агрегату уперше запропоновано механічну систему із чотирма ступенями волі за умов врахування тертя, відмінною ознакою якої є встановлення інформаційних зв’язків між крутними моментами окремих циліндрів та сигналом вимірювальної інформації у вигляді флуктуацій швидкості обертання першої маси колінчастого валу на основі перетворення Лапласу за нульових початкових умов, методів теорії подібності та теорії сигнальних графів; - набули подальшого розвитку методи апроксимації крутних моментів циліндрів, математичного моделювання компонент комп’ютерної системи керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань, структурних перетворень апаратних засобів, подання завад у вигляді лінійного випадкового процесу, підсумовування випадкових складових завади при встановленні невизначеності компонент; - уперше запропоновано використати метод довільних вибірок дискретних відліків сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу для модернізації архітектури вимірювального перетворювача на основі компенсації кінематичної невизначеності первинного перетворювача, відмінною ознакою якого є збільшення часу досліджень при суттєвому зменшенні апаратних витрат на побудову пристрою для вимірювань параметрів частотно-модульованого сигналу. Практичне значення отриманих результатів: - на основі бази даних оптимальних фаз газорозподілу та сучасних інформаційних технологій розроблено апаратно-програмні засоби замкненого керування процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри дизель-генератора, практичне використання яких забезпечить економію палива до 5%; - розроблено методики: збору та опрацювання вхідної інформації, апроксимації крутних моментів, структурного перетворення апаратних засобів комп’ютерної системи, ідентифікації параметрів математичних моделей, аналізу частотних та метрологічних характеристик апаратно-програмних засобів, комп’ютерного моделювання процесів перетворення апаратними засобами вхідних сигналів; - розроблено алгоритмічне забезпечення: оцінювання розподілу циліндрових потужностей, цифрового опрацювання сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу, комп’ютерного моделювання випадкових завад. Реалізовано прикладне програмне забезпечення.Документ Моделі та методи управління багатоступеневою транспортною логістичною системою в умовах невизначеності(Національний технічний інститут "Харківський політехнічний інститут", 2022) Парфенюк, Юрій ЛеонідовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2021. Об'єкт дослідження – процес керування у розподілених системах транспортної логістики в умовах невизначеності. Предмет дослідження – моделі та методи керування транспортними потоками в умовах невизначеності. Мета роботи - підвищення ефективності управління в розподіленій системі транспортної логістики в умовах невизначеності. Поставлена мета досягається вирішенням наступних завдань: - розробка методу побудови ефективних маршрутів з урахуванням сукупності критеріїв; - розробка точного методу формування плану транспортувань у системі «постачальники - споживачі» за критерієм – ймовірність неперевищення випадковим значенням сумарної вартості транспортування допустимого порога; - розробка методу побудови компромісного маршруту з використанням поступок по відношенню до оптимального плану за основним критерієм; - розробка методу розрахунку пропускних здібностей проміжних пунктів у розгалуженій транспортній мережі в умовах невизначеності; - розробка методу оптимізації структури розподіленої транспортної мережі при розрахунку відстаней у метриці «міських кварталів»; - розробка точного методу вирішення задачі дробово-квадратичного програмування; - розробка швидкого наближеного методу розв'язання нелінійних оптимізаційних задач за умов невизначеності; Методи дослідження. Теорія ймовірностей та нечітка математика при розробці моделей систем транспортної логістики, що описують процеси їх функціонування в умовах невизначеності. Методи вирішення оптимізаційних завдань у теоретико-імовірнісній та нечіткій постановках. Метод континуального лінійного програмування для завдань, вихідні дані яких задані своїми модальними значеннями. У дисертаційній роботі з використанням сучасних математичних моделей та методів теорії ймовірностей, випадкових процесів, теорії нечітких множин, інструментарію методів оптимізації та континуального лінійного програмування поставлено та вирішено важливе науково-технічне завдання управління у розподіленій транспортній системі в умовах нечітких вихідних даних. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці комплексу моделей та методів управління у розподілених системах транспортної логістики в умовах невизначеності щодо значень вихідних даних. Розроблені моделі та методи в сукупності вирішують важливе науково-прикладне завдання управління складними системами та створюють теоретичний фундамент для вирішення практичних завдань. Розроблені методи формування оптимальних маршрутів у системі «постачальники-доставка-споживачі» забезпечують можливість суттєвого підвищення ефективності перевезень під час вирішення реальних завдань транспортної логістики. Завдання управління у розподілених транспортних системах є важливим елементом з великого комплексу завдань, які вирішуються методами загальної теорії логістики. Відповідна транспортна задача поєднує сукупність задач з однотипною математичною моделлю, які вирішуються методами лінійного програмування. У канонічній постановці задача полягає у пошуку плану перевезень деякого однорідного продукту від безлічі постачальників до безлічі споживачів, оптимального з погляду деякого обраного критерію. Для вирішення задачі, традиційно, використовуються наступні два підходи. Перший - передбачається, що її параметри задані своїми детермінованими значеннями. Другий – випадкові параметри задачі заміняються їхніми середніми значеннями. Зрозуміло, що адекватність відповідних моделей не є задовільною. У даній роботі розробляються методи вирішення задач управління транспортуваннями з урахуванням реальної невизначеності вихідних даних. Розробкою методів вирішення транспортних завдань та різних їх модифікацій займалися велика кількість зарубіжних та вітчизняних вчених: Дж. Гасс, Т. С. Motzkin, K. B. Halley, A. A. Corban, M. Cerсhes, B. G. Dantzig, C. Mihu, M. Vlach, J. Moravec, G. Smith, Д. Б. Юдин, Е. Г. Гольштейн, Б. С. Верховский, В. А. Емельянов, В. В. Иванов, Ю. М. Неруш, М. П. Гордон, В. А. Стаханов, В.С. Лукинский та інші. У роботах цих авторів вичерпним чином розглядаються лінійні моделі та методи вирішення класичних двоіндексних транспортних завдань у детермінованій постановці. Однак, при цьому дуже поверхово зачіпається проблема можливої високої розмірності таких завдань, а також особливості та труднощі їх вирішення у випадках невизначеності вихідних даних. Необхідність та важливість розгляду та вирішення цих проблем безперервно зростає. У зв'язку з цим тема дисертаційної роботи, присвяченої моделям та методам вирішення завдань транспортної логістики в умовах реальної невизначеності вихідних даних, є актуальною. Дисертаційна робота Парфенюка Ю.Л. складається зі вступу чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показана її наукова і практична цінність, сформульовані об'єкт и предмет, а також мета і задачі дослідження, які необхідно вирішити для її досягнення, описано зв’язок дисертації з науковими планами та темами, наведено відомості про публікацію результатів дисертаційної роботи та їх апробацію. В першому розділі описано об'єкт дослідження, що задає важливий напрямок загальної теорії логістики. Проведено огляд відомих публікацій з проблеми управління в розподілених транспортних мережах в умовах невизначеності вихідних даних. За результатами цього аналізу виявлено недостатньо опрацьовані питання. Відповідно до цього, сфрмульовано мету та завдання дисертаційної роботи. Другий розділ присвячений розгляду питань, пов'язаних із розробкою методів побудови оптимальних маршрутів у транспортних мережах. У роботі запропоновано метод поелементної багатокритеріальної композиції оптимальних маршрутів. Суть методу та його формальний опис виконано стосовно однокритеріальної задачі. Для її вирішення запропоновано розроблений метод, який використовує спеціальну операцію комутації матриць. При цьому кожна з магістралей, що пов'язують пари постачальників і споживачів, представлена набором складових ділянок. За вихідними даними про значення обраного критерію для кожного з них метод забезпечує побудову оптимального маршруту. Далі, цей метод узагальнено на дво- та трикритеріальний випадок. Метод простий у реалізації та може бути використаний для вирішення практичних завдань маршрутизації високої розмірності. Далі у розділі розглянуто завдання побудови компромісних маршрутів з виділенням основного та низки додаткових критеріїв. Для вирішення задачі запропоновано спеціальний алгоритм послідовного формування шуканого маршруту. Для вирішення задачі маршрутизації в розгалуженій транспортній мережі розглянуто основний варіант такого завдання, коли між пунктами постачання та споживання, з метою підвищення ефективності транспортувань, створюється система проміжних пунктів. Завдання вирішено для найбільш актуального з практичного погляду окремого випадку, коли значення пропускних здібностей проміжних пунктів не задані. У третьому розділі роботи розглядаються завдання управління в транспортних мережах в умовах, коли стосовно вихідних даних є невизначеність. Основна проблема – вибір оптимальних маршрутів у такій розгалуженій транспортній мережі. У цій задачі знову використовується операція матричної композиції, проте її безпосереднє застосування в цьому випадку ускладнено наявністю невизначеності щодо вартості транспортувань. Запропоновано загальний підхід до розв'язання задачі. Технологія застосування методу ілюструється рішенням для випадку, коли щільність розподілу випадкової вартості – гаусова. Зазначимо, що при вирішенні цього завдання використано не традиційний підхід, пов'язаний з оптимізацією рішення в середньому, а набагато більш інформативний, при якому як критерій обрано ймовірність перевищення сумарною вартістю транспортувань допустимого порога. Далі у розділі розглянуто важливу для практики проблему оцінки стійкості прийнятого рішення. Завдання вирішено за критерієм - ймовірність спотворення прийнятого рішення у зв'язку із випадковою зміною вихідних даних. Процедура вибору найбільш стійкого рішення з безлічі альтернативних ілюструється прикладом. Запропонована технологія вибору оптимального маршруту для кожної пари «постачальник – споживач» створює необхідну інформаційну базу для вирішення спільного завдання управління постачанням. При цьому виникає канонічна транспортна задача, яка вирішена у припущенні, що випадкові вартості перевезень по кожному із маршрутів розподілені за нормальним законом. Критерій оптимальності – ймовірність неперевищення обраного допустимого порога сумарної вартості транспортувань, що максимізується. При розв'язанні задачі виникає нетривіальна проблема оптимізації дробово-нелінійного критерію. Для вирішення цього завдання в роботі запропоновано метод, що має принципову новизну. Метод дозволяє вихідне складне завдання дробно-нелінійної оптимізації звести до звичайної задачі квадратичного програмування. Далі у розділі розглядається завдання управління поставками за умов малої вибірки вихідних даних. Розв'язання задачі отримано при використанні найбільш адекватних варіантів опису щільності розподілу випадкових вартостей перевезень. Крім того, вирішено ще одне важливе для практики завдання, коли попит на продукт, що постачається, для кожного споживача випадковий. Запропонована загальна методика розв'язання задачі що реалізуються для найбільш природних наступних окремих випадків, коли щільність розподілу попиту гаусова, або визначається законом Релея, або описана універсальним розподілом, або, нарешті, визначена значеннями двох перших моментів. В останньому випадку для вирішення використано новий математичний апарат – континуальне лінійне програмування. Розділ завершується розробкою універсального методу розв'язання задач оптимізації в умовах невизначеності, описаної в термінах нечіткої математики. Метод дозволяє вихідну нечітку оптимізаційну задачу звести до двокрокової чіткої задачі. Запропонований метод суттєво доповнює відомий інструментарій нечіткої математики. У четвертому розділі розглянуто проблеми структурної оптимізації у розподілених транспортних мережах в умовах випадкової конфігурації системи споживання. Розглянуто нестандартне завдання організації поставок у розподіленій системі обслуговування з випадковим числом клієнтів із випадковим попитом, розташованих випадковим чином. Завдання вирішено з використанням спеціального варіанту кластеризації, в якому відстані розраховуються у метриці міських кварталів. Розглянуто варіант цієї задачі, коли як критерій вибрано ймовірність того, що нечітка тривалість доставки замовленого продукту перевищить критичне значення. Для вирішення задачі використано спеціальні правила нечіткої арифметики. Шуканий варіант структури системи постачання досягається в результаті реалізації покрокового оптимізаційного алгоритму. Робота завершується розробкою моделей та методів багатокритеріального вибору маршруту в умовах нечітких вихідних даних. У розділі обґрунтовано технологію мультиплікативної скаляризації вихідного векторного критерію, складеного з найбільш важливих показників, що часто використовуються на практиці. Реалізація процедури вибору оптимального маршруту в умовах нечітких вихідних даних забезпечується розробленою системою правил виконання всіх необхідних операцій.Документ Комп'ютерно-інтегрована технологія вторинної конденсації виробництва аміаку в умовах невизначеності(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Кравченко, Яна ОлегівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Комп’ютерно-інтегрована технологія – це управління технологічними процесами або організаційно-технічними комплексами з використанням комп’ютерної та мікропроцесорної техніки. Як правило комп’ютерно-інтегрована технологія використовується для складних технологічних систем, якою і є виробництво аміаку взагалі і зокрема вторинна конденсація. Об’єктом дослідження є процес управління теплообмінними і гідромеханічними системами вилучення продукційного аміаку, які відбуваються у технологічному комплексі вторинної конденсації агрегатів синтезу. Предметом дослідження є комп’ютерно-інтегрована технологія комплексу вторинної конденсації в умовах невизначеності, зокрема математичні моделі, методи та алгоритми ідентифікації, системи програмного керування технологічним комплексом. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення економічної ефективності виробництва аміаку шляхом створення оптимальної структури та комп’ютерно-інтегрованої системи програмного керування технологічного комплексу вторинної конденсації з урахуванням його поведінки, який функціонує в умовах невизначеності. Вирішення здійснене за допомогою сучасних положень системного підходу, теорії ймовірності, багатомірного статистичного аналізу, теорії ідентифікації, математичного моделювання та автоматизованого управління. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд особливостей апаратурно-технологічного оформлення та умов функціонування технологічного комплексу вторинної конденсації з визначенням критерію економічної ефективності, який враховує такі статті витрат як електроенергія і природний газ. Аналізом цього критерію доведена необхідність розв’язання задачі підвищення економічності виробництва аміаку з використанням системного підходу, а саме за рахунок створення оптимальної структури та мінімізації температурного режиму випарника технологічного комплексу вторинної конденсації. За результатами аналізу випарників як об’єктів управління встановлені координати векторів зовнішніх збурень, керувань, стану та визначена загальна технічна структура системи управління. Проведено огляд невизначеностей стосовно комплексу вторинної конденсації, обґрунтовано вибір моделі щодо чисельної оцінки параметричної невизначеності гідромеханічних та теплообмінних процесів. Проведений огляд дозволив обрати напрямки досліджень та поставити задачі дисертаційної роботи. У другому розділі наведені інформаційна система отримання експериментальних даних та методика досліджень комплексу вторинної конденсації в промислових умовах. Розроблені математичне та алгоритмічне забезпечення для формування інформаційного масиву ідентифікатора системи управління та отримані дані щодо проектних та фактичних показників невизначеностей, що характеризують ефективність гідромеханічних та теплообмінних процесів. Виконано дисперсійний та регресійний аналіз з перевірки статистичних гіпотез щодо стаціонарності, відтворюваності та нормальності закону розподілу та здійснена формалізація стохастичних моделей невизначеностей. Шляхом математичного моделювання конденсаційної колони проведена апробація моделей на їх адекватність та визначена оптимальна структура технологічного комплексу вторинної конденсації. Доведена економічність цієї структури у порівнянні з існуючою. Результати досліджень дозволили отримати ряд наукових та практичних результатів: − показані можливості створення алгоритмічної бази формування інформаційних масивів ідентифікаторів систем управління складних металоємних промислових технологічних об’єктів з надмірною інерційністю; − вперше на підставі розробленого алгоритму розрахунку невизначеності температури вторинної конденсації-сепарації створена математична модель конденсаційної колони, яка на відміну від відомих аналогів враховує процеси конденсації і випаровування рідкого аміаку відповідно у прямому та зворотному потоках циркуляційного газу; − отримала розвиток теорія закономірностей впливу процесу конденсації у газових сумішах на ефективність процесу теплообміну за наявності інертів та надмірно високого тиску; − отримали подальший розвиток підходи до побудови математичних моделей в умовах алгоритмічної та параметричної невизначеностей та формалізації задач структурної оптимізації складних технологічних комплексів обмежуючись стаціонарністю; − створена та запатентована оптимальна структура технологічного комплексу вторинної конденсації виробництв аміаку підвищеної енергоефективності. В третьому розділі представлені результати досліджень щодо чисельної оцінки невизначеностей показників ефективності процесу теплообміну у випарниках комплексу вторинної конденсації. Сформульована задача та наведені результати досліджень впливу керуючої дії витрати флегми на ефективність теплообмінних процесів випарника, а отже і на його температурний режим. Створені математичні та комп’ютерні моделі мінімізації температурного режиму випарника. Здійснено синтез автоматичної системи регулювання процесом дренування флегми з визначенням критерію якості регулювання, структури, алгоритму та параметрів налаштування регулятора. Дослідження щодо розділу дозволили одержати наступні результати: − вперше за результатами експериментальних досліджень встановлений взаємозв’язок невизначеностей конденсаційного термічного опору в апаратах технологічного комплексу і концентрації аміаку у циркуляційному газі на їх входах; − отримані з використанням стохастичного підходу рівняння для чисельної оцінки взаємопов’язаних невизначеностей довели можливість їх застосування для математичного моделювання технологічного комплексу; − подальший розвиток отримали дослідження щодо залежності температурного режиму охолодження циркуляційного газу у випарниках, і зокрема енергоефективності виробництва аміаку, від керуючої дії витрати флегми, зміна величини екстремуму якої в умовах дії зовнішніх збурень обумовлена за певного температурного напору критичним режимом бульбашкового кипіння холодоагенту; − доведена можливість застосування ПІ регулятора з предиктором Сміта для такого об’єкта з великим транспортним запізненням як трубопровід з встановленими на ньому виконавчим пристроєм і витратоміром для визначення витрати флегми із забезпеченням досить незначної статичної похибки регулювання в досить низькому діапазоні змін постійної часу об’єкта; − розроблено та запатентовано спосіб оптимального управління процесом дренування флегми з випарників комплексу вторинної конденсації. Четвертий розділ присвячений розробці функціональної структури, алгоритмів оперативної корекції технологічних режимів комплексу вторинної конденсації, застосуванню апаратно-програмного забезпечення та результатам впровадження. Розглянута функціональна структура у складі ідентифікатора з математичною моделлю, обчислювача оптимального управління і регуляторів витрати основного і допоміжних. Наведено алгоритм формування уставок допоміжних регуляторів підсистемою корекції (підтримки прийняття рішень) в режимі супервізорного управління. Представлено апаратно-програмне забезпечення, реалізоване на базі SCADA-системи ZENON та наведено результати техніко-економічної ефективності від впровадження. За результатами досліджень представлених у цьому розділі отримані наступні результати: − розроблена функціональна схема комп’ютерно-інтегрованої технології комплексу вторинної конденсації з ідентифікатором, обчислювачем оптимального управління для основного контуру витрати флегми і допоміжних контурів регулювання витрати для корекції уставок, а також програмне забезпечення ідентифікаторів з обчислювачем та блок людино-машинного інтерфейсу; − розроблено алгоритм та програмне забезпечення підсистеми підтримки прийняття рішень для обчислення уставок допоміжних регуляторів витрати холодоагенту у високотемпературний випарник, моноетаноламінового розчину до парогенератора пароежекторної холодильної установки; − реалізована технологія управління на базі SCADA-системи ZENON для ведення бази даних реального часу з технологічною інформацією та передача даних на збереження і обробку в сторонні бази даних і програми; − розроблено структурно-логічну схему існуючої системи управління із запропонованою підсистемою корекції, практична реалізація рішень у якій здійснюється додатковим апаратно-програмним забезпеченням на базі програмованого логічного контролера VIPA та SCADA-системи Zenon. Інтеграція нових технічних рішень щодо системи управління реалізована за допомогою ОРС-технології; − розроблено мнемосхему для людино-машинного інтерфейсу, що забезпечує оператору технологічного комплексу можливість відслідковувати технологічні параметри існуючої системи керування та здійснювати безпосередній вплив через підсистему корекції; − виконані розрахунки очікуваної техніко-економічної ефективності від впровадження результатів досліджень та створеної комп’ютерно-інтегрованої технології комплексу вторинної конденсації для діючих в Україні типових агрегатів синтезу аміаку серії АМ-1360.