Вычислительная техника и автоматизация

ISSN 2075-4272

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАУКОВІ ПРАЦІ ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО

ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”

№ 2(27)’2014

Донецьк 2014

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАУКОВІ ПРАЦІ ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО

ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”

Всеукраїнський науковий збірник

Заснований у липні 1998 року

Виходить 2 рази на рік

№ 2(27)’2014

Донецьк 2014

УДК 681.5: 658.5: 621.3 Друкується за рішенням Вченої ради державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» (протокол № 6 від 20.06.2014).

У збірнику опубліковано статті науковців, аспірантів, магістрів та інженерів провідних підприємств і вищих навчальних закладів України, в яких наведено результати наукових досліджень та розробок, виконаних у 2013-2014 роках згідно напрямків: автоматизація технологічних процесів, комп'ютерні інформаційні технології, інформаційно-вимірювальні системи, електронні і мікропроцесорні прилади.

Матеріали збірника призначено для викладачів, наукових співробітників, інженерно-технічних робітників, аспірантів та студентів, що займаються питаннями розробки і використання автоматичних, комп'ютерних і електронних систем.

Засновник та видавець – Донецький національний технічний університет Редакційна колегія: О.А. Мінаєв, чл-кор. НАН України, д-р техн. наук, проф., головний редактор; Є.О. Башков, д-р техн. наук, проф., заступник головного редактора; Є.Б. Ковальов, д-р техн. наук, проф., відп. секретар випуску; Ахім Кінлє д-р техн. наук, проф.; Іван Тауфер д-р техн. наук, проф.; А.А. Зорі, д-р техн. наук, проф.; О.Г. Воронцов, д-р техн. наук, проф.; Ю.О. Скобцов, д-р техн. наук, проф.; Н.І. Чичикало, д-р техн. наук, проф.; М.М. Заблодський, д-р техн. наук, проф.; В.В. Турупалов, канд. техн. наук, проф.; К.М. Маренич, канд. техн. наук, проф.; О.В. Хорхордін, канд. техн. наук, доц.; М.Г. Хламов, канд. техн. наук, доц.; Б.В. Гавриленко, канд. техн. наук, доц.

Свідоцтво про державну реєстрацію друкованого засобу масової інформації: серія КВ № 7376 від 03.06.2003.

Збірник включено до переліку наукових фахових видань України, в яких можуть

публікуватися результати дисертаційних робіт на здобуття наукових ступенів доктора і кандидата наук (затверджено постановою президії ВАК України № 1-05/5 від 01. 07. 2010 р., надруковано в бюлетені ВАК №7, 2010).

Збірник включено до бібліографічної бази даних наукових публікацій Російський індекс

наукового цитування (РІНЦ) (http://elibrary.ru/title_about.asp?id=38108) ISSN 2075-4272 © Донецький національний технічний університет, 2014

ISSN 2075-4272 Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація №2 (27)’2014

3

ЗМІСТ

Стор.

Розділ 1 Автоматизація технологічних процесів 5

Мироненко Л.П. Два новых метода доказательства фундаментальных пределов в математическом анализе 6

Руссіян С.А. Оцінка ефективності замикання пошкодженої фази мережі на землю як засобу підвищення електробезпеки дільничої мережі шахти напругою 3 (3,3) кВ 11

Скоробогатова И.В., Бирюков А.Б., Гавриленко Б.В., Неежмаков С.В., Гнитиев П.А. Экспериментальное исследование энергосберегающих режимов в камерной печи 19

Ставицький В.М. Математична модель розгалуженої конвеєрної лінії 27

Федюн Р.В., Пихно Э.В. Математическая модель полета конвертоплана 36 Федюн Р.В., Табаленкова Т.В., Попов В.А. Автоматизация процесса химической очистки воды ТЭС 45

Ченгарь О.В. Метод Парето-оптимизации производственного расписания на основе «направленного» муравьиного алгоритма 54

Чернышев Н.Н., Волуева О.С. Компенсация зарастания канала дозирования жидкого металла в системе управления уровнем металла в кристаллизаторе МНЛЗ 62

Розділ 2 Інформаційні технології та телекомунікації 70

Климаш М.М., Красько О.В., Максимюк Т.А. Метод спектрально-часового мультиплексування інформаційних потоків в оптичних мережах доступу 71

Сахаров В.И., Сахарова С.В. Экономичный Ethernet доступ на микроконтроллере 80 Світлична В.А., Землянська С.Ю., Гавенко С.С. Метод розподілу обслуговуючих робіт при виконанні замовлень 85

Сєров Ю.О., Матієшин Л.М. Проблеми функціонування веб-сайтів міських рад невеликих міст України 94

Скрупський С.Ю., Доля А.С. Фрактальне ущільнення відеоінформації у розподілених комп'ютерних системах 101

Стрихалюк Б.М., Шпур О.М., Селюченко М.О. Визначення доступності програмних комплексів з сервісно-орієнтованою архітектурою 109

Ткаченко Н.О., Воропаєва В.Я. Алгоритм роботи інформаційно-пошукової системи зі зворотним зв'язком 120

Федоров Е.Е. Метод синтеза вокальных звуков речи по эталонным образцам на основе саундлетов 127

Червінська Н.В., Клімов І.О., Ігнатенко Є.Г. Аналіз дослідження протоколів маршрутизації для бездротових AD-HOC мереж 138

Шаховська Н.Б., Болюбаш Ю.Я., Верес О.М. Організація великих даних у розподіленому середовищі 147

Шрамко Н.А., Молоковский И.А., Турупалов В.В. Исследование влияния помех при распространении радиоволн в условиях ограниченного пространства 156


4

Щербов І.Л., Воропаєва В.Я., Вашакідзе Г.А. Алгоритм прийняття ризику з метою забезпечення безпеки ТКС 164

Розділ 3 Інформаційно-вимірювальні системи, електронні та мікропроцесорні прилади 174

Куценко В.П. Оцінка комплексних узагальнених величин спрямованного хвильовідного відгалужувача з використанням нечіткої логіки 175

Лактионов И.С., Вовна А.В. Способ уменьшения дополнительной погрешности измерителя влажности почвы оранжерей ботанического сада 183

Поздняков Е.К. Исследование входных параметров метода определения дальности в многопозиционных пассивных системах при помощи функций чувствительности 192

Соломічев Р.І. Дослідження двопроменевого оптико-абсорбційного вимірювача концентрації дисперсності пилу в умовах вугільних шахт 200

Соломичева С.В. Обоснование выбора пьезоэлектрического преобразователя измерительного канала контроля уровня жидкости в барабане котла 209

Цололо C.О. Оптиміцація схеми автомата мура в базисі FPGA 220

ISSN 2075-4272 Наукові праці ДонНТУ. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація №2 (27)’2014

5

Розділ 1 Автоматизація технологічних процесів


© Мироненко Л.П., 2014 6

УДК 51 (071)

Л.П. Мироненко (канд. физ.-мат. наук) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра высшей математики e-mail: [email protected]

ДВА НОВЫХ МЕТОДА ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРЕДЕЛОВ В МАТЕМАТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

В статье рассматривается два совершенно новых способа введения в математический анализ фундаментальных пределов – первый и второй замечательные пределы. Неожиданно найдено новое решение старой проблемы. Подход отличается лаконичностью и прозрачностью, что делает теорию оригинальной и общей для обоих пределов. Второй способ имеет кинематическое происхождение, что принципиально отличает нашу теорию от классической. Ключевые слова: методика, предел, функция, тригонометрический, гиперболический, замечательный, фундаментальный.

Введение В теории пределов выделяют два предела, которые играют исключительную роль в

дифференциальном исчислении

,1sinlim0

x

xx

ex

x

x

11lim . (1)

Последний часто представляют в другой форме 11lim0

xe x

x.

Ввиду их значимости в дифференциальном исчислении, многие авторы называют их первым и вторым фундаментальными пределами, часто встречается называние первого и второго замечательных пределов [1].

Доказательство каждого из пределов осуществляется различным путем. Так, доказательство первого предела (1) основано на предельном переходе в геометрических построениях с использованием тригонометрического круга, а доказательство второго предела в (1), как правило, на основе бинома Ньютона. Эти методы эффективны, наглядны, но не носят универсального характера [1].

Перечислим только универсальные подходы к пределам (1) [2-5]. Первый из подходов основан на двойных неравенствах, а предельный переход в этих неравенствах приводит к формулам (1) [2-3]. Второй подход основан на стандартных разложениях функций xsin и

xе . Но сначала доказываются разложения без формулы Тейлора, т.е. в рамках элементарной математики [4]. Затем, известным путем сразу получим (1). Наконец, существует оригинальный подход, основанный на формуле Эйлера. Здесь устанавливается геометрическая и аналитическая связь между пределами [5].

Целью работы является развитие универсального способа доказательства обоих пределов на единой платформе. Такой подход называют универсальным.

Аналитический метод доказательства Рассмотрим следующее двойное неравенство


7

.sin tgxxx (2) Неравенства очевидны для достаточно больших значений 0x (Рис.1). Это следует из

поведения функций tgxxx , ,sin при больших x . Этот очевидный факт используется в доказательстве неравенств (2) для любых значений x , в том числе и малых. Доказательство будем вести от противного.

Рисунок 1 – Графики тригонометрических и гиперболических функций,

демонстрирующие неравенства tgxxx sin и shxxthx . Сначала рассмотрим первое из неравенств xx sin , предположив, что существует

корень 0ox уравнения xx sin (Рис. 2). На рисунке изображен предполагаемый корень 0ox уравнения oo xx sin . Выполним простейшие преобразования и убедимся в том, что

уравнение xx sin имеет единственное решение 0ox .

22cos

2sin

2cos

2sin2sin xxxxxxxx

Предположив, что уравнение 22

cos2

sin xxx имеет отличный от нуля корень ox ,

поэтому в последнем уравнении можно учесть равенство 22

sin oo xx , получим 12

cos ox.

Откуда следует, что 0ox . Неравенство xx sin доказано. Второе неравенство tgxx доказывается аналогично в предположении, что существует

корень 0ox уравнения tgxx ,

21

22

2sin

2

22sin2sin

222 xtg

xtgxxxсos

xсosx

xсosx

xxtgxx

.

Последнее уравнение удовлетворяется только при 0x . Таким образом, неравенство (2) доказано полностью. Из него следует первый

фундаментальный предел 1sinlim0

x

xx

.


8

Рисунок 2 – Доказательство от противного. Предполагается, что существует

корень 0ox уравнения oo xx sin . Методика доказательства легко переносится на гиперболические функции. Запишем

очевидное при больших значениях х неравенство (рис.1):

.shxxthx (3)

Поступаем точно так же, как в случае неравенства (2), используя формулы-аналоги для

гиперболических функций 22

2 xсhxshshx , 22

22 xshxсhchx . Например,

01222222

2 xxchxxchxshxxchxshxshx . Разделим неравенство (3) на

0shx , представив chxshxthx / , получим

chxx

shxshxx

chx .111 .

Перейдем в неравенствах к пределу при 0x , учитывая, что 1lim0

chxx

, получим

.1lim0

x

shxx

(4)

Это один из вариантов второго фундаментального предела. В самом деле, формулу легко привести к привычному виду, используя определение

2

xx eeshx

.

.1lim2

1lim2

1lim2

lim0000 x

exe

xe

xee x

x

x

x

x

x

xx

x

(5)

В выражении xe x

x 21lim

0

сделаем замену yx , получим y

exe y

y

x

x 21lim

21lim

00

. Это

выражение в точности совпадает с первым слагаемым суммы (5).


9

Кинематический метод доказательства первого фундаментального предела Существует много подходов к выводу первого стандартного предела [1-5]. Не будем

выяснять, какие из них являются более эффективными, имеют преимущества. Отметим только, что условно их можно разделить на две группы - геометрические методы доказательства [1,5] и аналитические [2-4]. Рассмотрим совершенно новый подход, основанный на кинематическом движении точки по окружности.

Обозначим предел .sinlim0

Ax

xx

Заметим, что число A не может быть отрицательным,

поскольку функции xsin и x являются нечетными, а при малых 0x имеем 0sin x . Поэтому при малых x обе функции xsin и x имеют одинаковый знак, либо обе положительные (при 0x ), либо отрицательные (при 0x ).

Рассмотрим вычисление производной от тригонометрических функций xsin и xcos по определению производной

xAxxx

xx

xxxxxxx

cos2/ coslim2/

2/sinlimsin)sin(lim)(sin000

.

Аналогично найдем

.sincos)cos(lim)(cos0

xAx

xxxxx

Рассмотрим движение точки по окружности единичного радиуса. Как известно, такое движение можно описывать параметрически с помощью тригонометрических функций

ty sin и tx cos , где t время, x и у - декартовые координаты точки на окружности единичного радиуса. Полный оборот совершается за 2 единиц времени – период функций

tsin и tcos . Найдем скорость точки

2222 )(sin)(cos ttyxv . Теперь учтем xAx cos)(sin и xAx sin)(cos

.)(cos)(sin)(cos)sin( 222222 AttAttAtAv Отсюда видно, что скорость движения точки по окружности является постоянной, а с

учетом того, что 0A модуль можно снять. Длина окружности единичного радиуса 2 . С другой стороны, длина окружности – это

путь, проходимый точкой с постоянной скоростью Av за период 2 . Поэтому имеем равенство 22 Avt . Откуда 1A .

Выводы 1. Главным результатом работы является разработка двух совершенно новых подходов

в изучении стандартных пределов в теории пределов. 2. Первый подход характеризуется универсальностью. Метод доказательства двух

внешне совершенно различных пределов, оказывается, имеет одну основу и может рассматриваться с одной точки зрения. Доказано, что природа обоих фундаментальных пределов является общей.

3. Второй подход, условно названный кинематическим подходом, характеризуется тем, что первый стандартный предел связан с механическим движением, не является абстрактным пределом в математике. Он прямо связан с равномерным вращением точки по окружности.

Список использованной литературы 1. Кудрявцев Л.Д. Математический анализ. Т. 1. / Кудрявцев Л.Д. – М.: Наука, 1970. - 571 с.


10

2. Мироненко Л.П. Вывод первого и второго стандартных пределов из единой системы неравенств / Л.П. Мироненко, И.В. Петренко // Искусственный интеллект. - 2013. - 1, 2013. - С. 172-179.

3. Mironenko L.P., Vlasenko A.Yu. A compact system of inequalities for the standard limits in the theory of limits // Artificial Intelligence, 2, 2013, 61-70.

4. Мироненко Л.П. Новый метод доказательства фундаментальный пределов в теории пределов / Л.П. Мироненко // Міжнародна науково-практична конференція «Математика в сучасному технічному університеті», 2013.

5. Мироненко Л.П. Эквивалентность стандартных пределов в теории пределов / Л.П. Мироненко // Искусственный интеллект. – 2012. - 2, 2012. - С. 123-128.

References 1. Kudrjavstev, L.D. (1970), Matematichesky analiz. Tom 1. [Mathematical analysis. Vol.1.],

Nauka, Moskow, Russia. 2. Mironenko, L.P.and Petrenko, I.V. (2013), “Vivod pervogo I vtorogo standartnih predelov iz

edinoj sistemi neravenstv”, Iscustvenniy intelekt [Arficial intelligence], no. 1, pp. 172-179. 3. Mironenko, L.P.and Vlasenko, A.Yu. (2013), “A compactof inequalities for the standard limits

in the theory of limits”, Iscustvenniy intelekt [Arficial intelligence], no. 2, pp. 61-70. 4. Mironenko, L.P. (2013), “The new method of еру proof of the fundamental limits in the theory

of limits”, Mignarodna naukovo-praktichna konderentsia «Matematika v suchasnomu tehnichnomu universiteti» [International scientific-practical conferenc. Mathematics is in a modern technical university], National Technical University, Donetsk.

5. Mironenko, L.P. (2012), “Ekwivalentnost standartnih predelov v teorii predelov”, Iskustvenij intellekt [Arficial intelligence], no. 2, pp. 123-128.

Надійшла до редакції: Рецензент: 18.05.2014 д-р фіз.-мат. наук, проф. Малашенко В.В.

Л.П.Мироненко ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Два нових метода доведення фундаментальних границь у математичному аналізі. У статті розглянуто два нових метода введення у математичний аналіз фундаментальних границь – перша і друга стандартні границі. Непередбачено знайдено нове рішення старої проблеми. Підхід відрізняється стислістю і транспарентністю, що робить теорію оригінальною і загальною для обох границь. Другий спосіб має кінематичне походження, що принципово відрізняє нашу теорію від класичної. Ключові слова: методика, границя, функція, тригонометричний, гіперболічний, стандартний, фундаментальний.

L.P.Mironenko Donetsk National Technical University Two new methods of the proof of fundamental limits in mathematical analysis. The paper considers two absolutely new methods of introduction of fundamental limits in mathematical analysis – first and second standard limits. A new solution to the old problem has been found. The method has brief and transparent character that makes the theory attractive and general for both limits. The second method has kinematical nature that differs our theory radically from the classical theory. Keywords: methodical, limit, function, trigonometric, hyperbolic, standard, fundamental.


© Руссіян С.А., 2014 11

УДК 622.012.2:621.311.1

С.А. Руссіян (канд. техн. наук) ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

кафедра вищої математики e-mail: [email protected]

ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАМИКАННЯ ПОШКОДЖЕНОЇ ФАЗИ МЕРЕЖІ НА ЗЕМЛЮ ЯК ЗАСОБУ ПІДВИЩЕННЯ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ ДІЛЬНИЧНОЇ МЕРЕЖІ

ШАХТИ НАПРУГОЮ 3 (3,3) кВ

Проаналізовано ефективність замикання пошкодженої фази мережі на землю в контексті пошуку шляхів підвищення показників електробезпеки експлуатації дільничної електромережі напругою 3(3,3) кВ. Доведено доцільність примусового утримування комутаційних апаратів відгалужень у ввімкненому стані протягом затухання ЕРС асинхронних двигунів. Обґрунтовано універсальну однолінійну схему заміщення дільничної електромережі, що відображає всі етапи аварійного процесу при виникненні витоку струму на землю. Ключові слова: шахта, електромережа, виток струму на землю, безпека, пошкоджена фаза, ЕРС вибігу, напруга, замикання, моделювання, розрахунок.

Актуальність проблеми та її зв´язок з прикладними задачами Одним з основних факторів, яким визначається продуктивність вуглевидобувної

дільниці шахти, є потужність технологічного обладнання [1]. До останнього часу більшість механізованих комплексів високопродуктивних дільниць вугільних шахт розраховувалися на напругу живлення 1140 В. Однак такий рівень напруги не дозволяє збільшувати одиничну потужність гірничих машин відповідно до потреб підвищення продуктивності підприємств. Причина полягає в недоцільності застосування кабелів завеликих перетинів за економічними та технічними показниками. Це обумовлює необхідність переводу дільничних електромереж на напругу 3(3,3) кВ [2, 3]. Однак збільшення рівня напруги живлення підвищує імовірність негативних наслідків аварійних ситуацій в дільничних електротехнічних комплексах [4]. Для захисту від витоків струму на землю в мережах 1140 В використовуються апарати серії АЗУР, які виконують функції: виявлення витоку струму на землю, компенсації ємнісної складової струму витоку, автоматичного захисного відключення напруги живлення мережі та замикання на землю пошкодженої фази [5, 6]. Враховуючи на суттєве збільшення струму витоку в мережі напругою 3(3,3) кВ порівняно з мережею 1140 В, актуальною є задача аналізу особливостей реалізації вказаних захисних функцій апарата захисту від витоків струму на землю в мережі напругою 3(3,3) кВ.

Аналіз відомих досліджень та публікацй Відомі способи виявлення пошкодженої фази мережі на землю розроблялися для мереж

напругою 6 кВ або 1140 В. Аналіз граничної довжини відгалуження, що захищається, для мереж напругою 1140 В дозволив встановити, що струми навантаження двигунів, довжини та перетини жил кабельного відгалуження не обмежують ефективність використання захисного закорочування [7]. На основі попередніх досліджень сформульовані вимоги до пристроїв захисту з функцією автоматичного закорочування на землю пошкодженої фази: припустимий час спрацювання для мереж напругою 1140 В не має перевищувати 0,1 с, для мереж 6 кВ – 0,01 с; чутливість до опору витоку струму на землю має бути не меншою від 10÷12 кОм/фазу. Відомі пристрої визначення пошкодженої фази за принципом побудови класифікуються на пристрої, що реагують на: зниження абсолютних значень напруг


12

пошкодженої фази; суму (різницю) абсолютних значень фазних напруг та напруги нульової послідовності; зниження випрямленої оперативної напруги пошкодженої фази, що вимірюється в мережі; кут зсуву між фазними напругами та напругою нульової послідовності; різницю між абсолютними значеннями фазних напруг мережі (пошкодженої та випереджаючої фаз) [5, 6]. Відомі методи виявлення пошкодженої фази в мережі 1140 В можуть бути використані в мережі 3(3,3) кВ. Однак необхідно визначити ефективність та доцільність замикання пошкодженої фази мережі 3(3,3) кВ.

Постановка задачі Задачею дослідження є аналіз технічних рішень із підвищення безпеки експлуатації

дільничної мережі шахти напругою 3 (3,3) кВ шляхом виявлення особливостей замикання пошкодженої фази на землю.

Основний матеріал та результати досліджень Розглянемо електромережу дільниці вугільної шахти (рис. 1), яка включає трифазне

симетричне джерело ЕРС 1, що, через високовольтний комутаційний апарат (QFA-QFC) живить трансформатор 2 дільничної підстанції. До вторинної обмотки вказаного трансформатора підключено магістральний кабель, який характеризується активним опором R0 та ємністю С0 ізоляції відносно землі (позиція 3). Нульова точка силового трансформатора під’єднана до кола заземлення через компенсуючий дросель 4 з активним опором Rк та індуктивністю Lк, який є складовою частиною апарату захисту від витоку струму на землю (на схемі не вказаний). Закорочувач 5 пошкодженої фази мережі на землю включає три ключа KzA-KzC, один полюс кожного з яких під’єднано до відповідної фази мережі, а інший - заземлено. Розподільчий пункт дільниці представлений комутаційними апаратами (КА) 6 та 7 двох відгалужень. До складу кожного відгалуження входить гнучкий кабель з активним опором R1 (R2) та ємністю C1 (C2) ізоляції відносно землі 8 (9), який живить асинхронний двигун 10 (11). До фази А першого відгалуження через ключ K під’єднано опір Rв кола витоку струму на землю (позиція 12).

Дослідження процесів в системі при виникненні витоку струму на землю проводиться з використанням комп’ютерної моделі, що дозволяє обраховувати електричні параметри (рис. 1) [8, 9]: вимірювати миттєві значення лінійної напруги u на виході дільничної трансформаторної підстанції (віртуальний вольтметр PV) та в місці виникнення витоку струму на землю (віртуальний вольтметр PV1); частоти обертання електродвигунів відгалужень (блоки n1 та n2); струм через опір кола витоку на землю (віртуальний амперметр PA); кількість електрики, що пройшла через опір кола витоку (блок q). Модель імітує функціонування електромережі в нормальному режимі до виникнення витоку струму на землю (шляхом замикання ключа K) в момент t1 (всі комутації забезпечено одноіменними блоками), після чого має місце закорочування на землю пошкодженої фази (шляхом замикання ключа KzA) в момент t2, захисне відключення високовольтного КА (шляхом розмикання ключів QFA-QFC) в момент t3, відключення КА 6 та 7 відгалужень через зниження напруги на їх котушках керування в момент t4. Моделювання здійснювалося при наступних значеннях параметрів елементів мережі: дільнична трансформаторна підстанція – типу ВСТП-КРУ-1000-6/3(3,3) (Sн=1000 кВА; U1н=6 кВ; U2н= 3 кВ; Y/Y-0); активний опір компенсуючого дроселя Rk=146 Ом, індуктивність компенсуючого дроселя Lk=6 Гн; параметри ізоляції кабелів: R0=R1=R2=0,5 МОм, C0=C1=0,3 мкФ/фаза, С2=0,2 мкФ/фаза; Rв=1 кОм. Перше відгалуження живить асинхронний двигун 1MA4350-2CN30 (Uн=3 кВ, Рн=315 кВт), друге – двигун 1MA4354-2CN30 (Uн=3 кВ, Рн=400 кВт) [10].

В результаті моделювання отримано графіки, які дозволяють оцінити ефективність замикання пошкодженої фази мережі на землю.


13

Рису

нок

1 - С

хема

ком

п’ю

терн

ої м

одел

і еле

ктро

мере

жі д

ільн

иці ш

ахти

нап

руго

ю 3

кВ


14

Напруга u на виході дільничної трансформаторної підстанції до моменту t3 захисного відключення високовольтного КА визначається напругою на шинах центральної підземної підстанції та змінюється синусоїдально зі сталою амплітудою (рис. 2, а), а після вказаного моменту - підтримується ЕРС групового вибігу асинхронних двигунів відгалужень (рис. 2, б), амплітуда та частота якої знижуються з часом. При цьому частота обертання двигунів зменшується за близьким до лінійного законом (рис. 2, в). В момент t4 відключаються КА відгалужень (через зниження напруги на котушках керування), що від’єднує силовий трансформатор від електродвигунів, відповідно, напруга и знижується до нуля.

Припустимо, що замикання пошкодженої фази мережі на землю не виконується (апарат захисту від витоків струму на землю здійснює лише автоматичне захисне відключення високовольтного КА та компенсацію ємнісної складової струму витоку). Тоді на інтервалі t1 – t3 струм витоку підтримується напругою мережі, на інтервалі t3 – t4 – ЕРС групового вибігу двигунів, а після моменту t4 – ЕРС вибігу двигуна аварійного відгалуження (рис. 3, а). Ємнісна складова струму витоку зменшується компенсатором до моменту t4, а після відключення КА аварійного відгалуження компенсатор не впливає на стан кола витоку струму на землю. Кількість електрики, що пройшла через опір кола витоку за час аварійного процесу при відсутності замикання пошкодженої фази мережі на землю, становить близько 500 мА∙с (рис. 3, в, крива 1), що суттєво перевищує припустимий рівень 50 мА∙с та становить небезпеку смертельного електроураження людини або займання метано-повітряної суміші в шахті.

Рисунок 2 - Графіки, отримані в результаті моделювання, миттєвих значень лінійної напруги на виході дільничної трансформаторної підстанції (а), лінійної напруги в місці виникнення

витоку струму на землю (б) та частот обертання двигунів (в)

Закорочування пошкодженої фази мережі на землю в момент t2 дозволяє зменшити до нуля струм через опір кола витоку (рис. 3, б). Проте захисна дія закорочувача обмежена знаходженням КА відгалуження у ввімкненому стані, тобто інтервалом t2 – t4. Після моменту t4 закорочувач не впливає на стан кола витоку струму на землю, оскільки є електрично від’єднаним від нього, і струм в колі витоку на землю підтримується ЕРС вибігу відповідного двигуна. На інтервалі t2 – t4 крива накопичення кількості електрики через опір кола витоку залишається сталою (рис. 3, в, крива 2). Сукупна кількість електрики через опір кола витоку становить 120 мА∙с, що недостатньо для підтримання електробезпеки.

Для покращення параметрів електробезпеки пропонується примусово утримувати КА відгалужень у ввімкненому стані протягом затухання ЕРС асинхронних двигунів. В цьому


15

випадку струм через коло витоку протікає тільки протягом інтервалу t1 – t2. Закорочувач ефективно знижує струм витоку після моменту t2 до затухання ЕРС двигуна відгалуження з витоком струму. Загальна кількість електрики через опір кола витоку в цьому випадку становить близько 25 мА∙с (рис. 3, в, крива 3), що відповідає вимогам електробезпеки експлуатації дільничних електромереж.

Рисунок 3 - Графіки, отримані в результаті моделювання, що відображають миттєві значення струму витоку на землю за відсутності (а) та наявності (б) закорочування пошкодженої фази

мережі на землю та накопичення кількості електрики через опір кола витоку (в) при відсутності (крива 1) закорочування, за наявності закорочування при відключенні контактора

відгалуження (крива 2) та при його ввімкненому стані (крива 3) Оцінку ефективності захисного закорочування на землю пошкодженої фази мережі

напругою 3(3,3) кВ можливо проводити за однофазною схемою заміщення (рис. 4, а).

Рисунок 4 - Схеми заміщення мережі: а – універсальна для всіх етапів аварійного процесу; б – в момент виникнення

витоку струму на землю; в – після відключення контактора відгалуження з витоком

Таблиця 1 - Стан ключів схеми заміщення

Стан ключів Часовий інтервал K1 K2 K3 K4

t<t1 1 1 0 1 t1<t<t2 1 0 1 1 t2<t<t3 1 1 1 1 t3<t<t4 0 1 1 1

t>t4 0 0 1 0


16

На рис. 4 прийняті наступні позначення: е1 – джерело ЕРС, що відповідає фазній напрузі вторинної обмотки дільничного силового трансформатора; е2 – фазна ЕРС обертання асинхронного двигуна аварійного відгалуження; Rв – опір кола витоку струму на землю; С1, R1 – ємність та активний опір фаз кабеля аварійного відгалуження; С0, R0 – те ж для загальної частини мережі та кабелів інших відгалужень; Rк, Lк – активний опір та індуктивність компенсуючого дроселя. Стан ключів, що відповідають станам мережі при виникненні витоку струму на землю, пояснює табл. 1. На інтервалі t1<t<t2 (від виникнення витоку струму на землю до захисного замикання на землю пошкодженої фази мережі) струм витоку обраховується згідно залежності (рис. 4, б):

в1 R/utei 1 , (1) де te - фазна напруга мережі в місці виникнення витоку (між вузлами 1 та 3 схеми заміщення); 1u - напруга між вузлами 2 та 3, яка обраховується шляхом розв’язання системи диференційних рівнянь:

.L/iRudt/di,CC/iRR/RRuR/utedt/du

кк16

01в1

6

1061101 (2)

На інтервалі t2<t<t4 опір кола витоку зашунтований закорочувачем, і струм в колі витоку на землю дорівнює нулю. Після моменту t4 відключення контактора струм в колі витоку на землю визначається згідно залежності:

в1 R/uei 12 , (3) де напруга 1u обраховується шляхом розв’язання диференційного рівняння:

11111 C/R/uidt/du . (4) Висновки та напрямок подальших досліджень. Встановлено можливість зниження кількості електрики через опір кола витоку на

землю в електромережі дільниці шахти напругою 3(3,3) кВ до припустимих значень шляхом виконання захисного закорочування пошкодженої фази мережі на землю за умови примусового утримання контактора аварійного відгалуження у ввімкненому стані до повного затухання ЕРС вибігу двигунів. В ході подальших досліджень мають бути запропоновані варіанти технічної реалізації вказаного способу захисту.

Список використаної літератури 1. Плащанский Л.А. Основы электроснабжения горных предприятий: учебник для вузов /

Л.А. Плащанский. – [2-е изд., испр.]. – М.: Изд-во Московского госуд. горного ун-та, 2006. – 499 с.

2. Дзюбан В.С. Требования к взрывозащищенному электрооборудованию и системам электроснабжения горных машин на напряжение 3(3,3) кВ / В.С. Дзюбан, Н.М. Басов // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. трудов УкрНИИВЭ. Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2009. С. 209-213.

3. Требования к изготовлению рудничного взрывозащищенного электрооборудования на напряжение 3(3,3) кВ. – Макеевка: МакНИИ, 2007. – 30с.

4. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки асинхронних двигунів як фактор небезпеки в електромережі шахти: монографія / К.М. Маренич, С.В. Василець. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2012. – 206 с.

5. Анализ параметров и процессов в шахтных электрических сетях / [Ф.П. Шкрабец, Н.А. Шидловская, В.С. Дзюбан, Е.А. Вареник]. - Днепропетровск: Нац. горный ун-т, 2003. -151 с.


17

6. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / [Є.О. Вареник, С.І. Випанасенко, В.С. Дзюбан, Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець]; за ред. Г. Г. Півняка. Дніпропетровськ: Нац. гірничий ун-т, 2004. 334 с.

7. Ягудаев Б.М. Защита от электропоражения в горной промышленности / Б. М. Ягудаев, Н. Ф. Шишкин, В. В. Назаров. - М.: Недра, 1982. – 152 с.

8. Dhillon B.S. Mine Safety. A Modern Approach / B.S Dhillon. – London: Springer-Verlag London Limited, 2010. – 186p.

9. Murthy P.S.R. Power system analysis – Hyderabad: BS Publications, 2007. – 321p. 10. Three-phase Induction Motors / Catalog D84.1-2009. – Siemens AG, 2009. – 364 p.

References 1. Plashchanskiy, L.A. (2006), Osnovy elektrosnabzheniya gornikh predpriyatiy [Fundamentals of

mine power supply], Izd-vo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo yniversiteta, Moscow, Russia.

2. Dziuban, V.S. and Basov, N.M. (2009) “Requirements of explosion-proof electrical equipment and power supply networks of mining machines 3(3.3) kV voltage”, Explosion-proof electrical equipment, pp. 209-213.

3. Makeevka research institute (2007), Trebovaniya k izgotovleniyu vzrivozashchishchennogo electrooborudovaniya na napryazhenie 3(3.3) kV [Requirements of mine explosion-proof electrical equipment 3(3.3) kV production], MRI, Makeevka, Ukraine.

4. Marenich, K.M. and Vasylets, S.V. (2012), Zvorotni energetychni potoky asinkhronnykh dviguniv yak faktor nebezpeky v elektromerezhi shakhty [Back power flow of induction motor as danger factor in mine power net], DonNTU, Donetsk, Ukraine.

5. Shkrabets, F.P., Shydlovskaya, N.A., Dziuban, V.S. and Varenik, Y.A. (2003), Analiz parametrov i protsesov v shakhtnikh elektricheskikh setiakh [Parameters and processes analysis in mine power network], Natsionalnyi gornyi universitet, Dnepropetrovsk, Ukraine.

6. Varenik, Y.A., Vypanasenko, S.I., Dziuban, V.S., Shydlovskaya, N.A. and Shkrabets, F.P. (2004), Zabezpechennya bezpeky ta effectyvnosti shakhtnykh elektroustanovok [Safety and effectiveness on mine electrical installations providing], NGU, Dnipropetrovsk, Ukraine.

7. Yagudaiev, B.M., Shishkin, N.F. and Nazarov, V.V (1982), Zashita ot elektroporazhenija v gornoj promishlennosti [Protection from current injury in mine industry], Nedra, Moskva, USSR.

8. Dhillon, B.S. (2010), Mine Safety. A Modern Approach, Springer-Verlag London Limited, London, UK.

9. Murthy, P.S.R. (2007), Power system analysis, BS Publications, Hyderabad, India. 10. Three-phase Induction Motors (2009), Catalog D84.1-2009, Siemens AG.

Надійшла до редакції: Рецензент: 25.03.2014 канд. техн. наук, проф. Маренич К.М.

С.А. Руссиян ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Оценка эффективности замыкания поврежденной фазы сети на землю как средства повышения электробезопасности участковой сети шахты напряжением 3(3,3) кВ. Проанализирована эффективность замыкания поврежденной фазы сети на землю в контексте поиска путей повышения показателей электробезопасности эксплуатации участковых электросетей напряжением 3(3,3) кВ. Доказана целесообразность принудительного удержания коммутационных аппаратов ответвлений во включенном состоянии до затухания ЭДС асинхронных двигателей. Обоснована однолинейная схема


18

замещения участковой электросети, которая отображает все этапы аварийного процесса при возникновении утечки тока на землю. Ключевые слова: шахта, электросеть, утечка тока на землю, безопасность, поврежденная фаза, ЭДС выбега, напряжение, замыкание, моделирование, расчет.

S. Russijan Donetsk National Technical University Evaluation of damaged network phase circuit to earth as a means to improve electrical safety of a precinct network of a mine with voltage 3 (3,3) kV. The need of using 3 (3.3) kV equipment in coal mine section is determined by coal production increasing. Increasing the supply voltage from 1140V up to 3 (3.3) kV increases the probability of negative consequences of accidents in the electrical complexes of mine sections. Existing automatic protective devices of AZUR series for 1140V networks reveal earth leakage, compensate the capacitive components of leakage current, provide automatic safety shutdown of voltage of the network and ground fault of the damaged network phase. Taking into account the significant increase of leakage current values in the network with voltage 3 (3.3) kV as compared to the network 1140, the task of identifying relevant features of the implementation of these protective functions in higher voltage networks is significant. Today there are effective ways to identify the faulty phase in isolated neutral power network, many of which are used in networks of 1140 V. It is necessary to determine the characteristics of the use of such methods in the networks of 3 (3.3) kV. Study of transients in the system in case of curren tleakage to the ground is made using a computer model of the section power network, which allows calculating the instantaneous values of the current leakage to the ground and the total amount of electricity through the resistance of the leakage circuit. The simulation produced graphics that allow estimating the effectiveness of ground-fault faulted network phase as a way to improve electrical safety of 3 (3.3) kV power network. Several computational experiments were held, which resulted in conclusion, that in the absence of the faulted phase circuit closure on the ground total amount of electricity through the resistance of the circuit leakage is about 10 times greater than the maximum value, which is unacceptable. In the case of short-circuiting of the faulted phase on the ground the total amount of electricity is approximately 2 times greater than the maximum. To improve the efficiency of the faulty phase shorting it is offered to hold switchgear branches in the “on” state, thus reducing the total amount of electricity to 50% of the maximum allowable, that is reasonable. We also provided a single-phase equivalent circuit, which allows evaluating the effectiveness of faulted phase short-circuiting to earth in 3(3.3) kV net. Key words: leakage current, protection device, transformer substation, power network, model, calculation, mine section, tripping, electrical shock.

Руссіян Станіслав Анатолійович, Україна, закінчив Донецький національний університет, канд. техн. наук, доцент кафедри вищої математики ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – дослідження питань електробезпеки експлуатації дільничних електромереж шахт.


© Скоробогатова И.В., Бирюков А.Б., 19 Гавриленко Б.В., Неежмаков С.В., Гнитиев П.А., 2014

УДК 62-932.4

И.В. Скоробогатова (аспирант), А.Б. Бирюков (д-р техн. наук, проф.), Б.В. Гавриленко (канд. техн. наук, доц.),

С.В. Неежмаков (канд. техн. наук, доц.), П.А. Гнитиев (аспирант) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра горной электротехники и автоматики, кафедра технической теплофизики e-mail: [email protected]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ В КАМЕРНОЙ ПЕЧИ

Обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований по установлению влияния параметров пульсации расхода теплоносителя на значение коэффициента конвективной теплоотдачи. Для решения этой задачи разработана лабораторная экспериментальная установка для проведения исследований. В результате исследований частот пульсации расхода теплоносителя установлено повышение коэффициента конвективной теплоотдачи и сокращение времени нагрева заготовок. Показано усиление коэффициента конвективной теплоотдачи на величину до 45 %. Частота, при которой был получен технологический эффект усиления конвективной составляющей, зафиксирована на уровне 54-100 об/мин, что соответствует 0,9-1,7 Гц. Ключевые слова: экспериментальная установка, камерная печь, заготовки, эксперимент, пульсирующий режим.

Актуальность Анализ структуры себестоимости конечного продукта металлургических и

машиностроительных предприятий показывает, что второе место по расходу природного газа занимают нагревательные печи. Большинство существующих промышленных систем не в полной мере используют свои потенциальные производственные возможности, что не позволяет повысить показатели качества выпускаемой продукции.

В настоящее время имеется два способа подачи теплоносителя в печь: пульсирующий и традиционный [5]. Традиционный способ предполагает непрерывную подачу теплоносителя в печь. В условиях традиционной технологии нагрева материала в камерной печи с непрерывной подачей топлива эффективность использования природного газа остается низкой и, вместе с тем, незначительные усовершенствования в области управления работой камерной печи позволяют повысить величину КПД [4]. Согласно теоретическим исследованиям, пульсирующий способ позволяет увеличить производительность печи, повысить равномерность прогрева массивной садки и снизить расход топлива до 15% [11]. Кроме того, для энергосберегающего управления характерно плавное протекание тепловых процессов, это способствует повышению долговечности и безопасности эксплуатации оборудования.

Внедрение принципиально новой технологии нагрева заготовок в камерной печи требует поддержания заданной температурной карты тепловой обработки для выбранного сортамента стали. Вместе с тем, отклонение фактической температуры нагрева заготовок от заданного значения существенно влияет на качество выпускаемого продукта. И, как следствие, возникает необходимость разработки системы автоматики под новый энергосберегающий режим [9].

В настоящее время в литературных источниках отсутствует достаточно полное описание математической модели САУ энергосберегающими режимами в камерной печи.


20

Имеющихся сведений о настройке режимных параметров при управлении тепловой работой печи с использованием пульсирующего способа отопления недостаточно. Таким образом, не имея сведений о параметрах для выбора наилучших технологических режимов нельзя построить адекватную систему управления [10].

Кроме того, одним из главных сдерживающих факторов широкого внедрения оптимального энергосберегающего управления нагревом в камерной печи является отсутствие алгоритмов синтеза в реальном масштабе времени управляющих энергосберегающих воздействий, которые учитывают частую смену исходных данных и могут быть реализованы микропроцессорными устройствами.

Постановка задачи исследования Для получения параметров процесса нагрева металла (измерение теплового потока,

температуры факела и кладки), характеризующих надежный режим работы камерной печи необходимо проведение научных исследований на действующих высокотемпературных установках. Однако построение точной математической модели процесса в строгой адаптации модели на действующем агрегате не исключает проведение экспериментальных исследований. Следовательно, возникает проблема, связанная с проведением экспериментов на физических моделях [8].

В последнее время возрос интерес к изучению влияния колебаний потока на теплообмен при возникновении резонансных частот и амплитуд. В зависимости от частоты акустического воздействия могут быть реализованы два эффекта: интенсификация турбулентного смешения в струе при низкочастотном акустическом воздействии и ослабление турбулентного смешения при высокочастотном акустическом возбуждении, частота которого на порядок превышает частоту низкочастотного облучения. В ряде случаев для интенсификации смешения в струях применяются высокоамплитудные периодические пульсации с помощью различного рода пульсаторов, расположенных перед соплом, или колеблющихся крылышек, расположенных за плоским соплом [2]. Применение искусственной турбулизации потока газа является наиболее эффективным способом интенсификации теплообмена в рабочем пространстве печи. Таким образом, интенсификация теплообмена является эффективным путем рационального использования теплоносителя. Доказано, что при резонансных колебаниях энергоносителя коэффициент теплоотдачи увеличивается в 2-3 раза по сравнению со стационарным течением, как в ламинарном, так и в турбулентном режимах течения [3].

Решение задачи и результаты исследования Новая технология направлена на качественный нагрев металла и снижение расхода

газа. Основным преимуществом рассматриваемого режима является повышение турбулентности каналов сгорания и управление пламенем. Система управления в пульсирующем режиме должна обеспечить отсутствие проскока и отрыва пламени. Пульсирующий режим можно реализовать в виде синусоидального закона, то есть при работе групп горелок в противофазе и определенного соотношения между временем включения и выключения горелок, однако полностью выключать горелки не эффективно. Таким образом, изменение температуры дымовых газов td будет происходить также по синусоидальному закону [1]:

)2cos()(

T

TdTdsrTd ,

где Tdsr – средняя температура продуктов сгорания, С; Δt – амплитуда колебания температуры, С; T – период колебания температуры дымовых газов, с.

Определение рационального времени переключения горелок p позволит получить

технологический эффект от сжигания газа в пульсирующем режиме. Для решения этой


21

задачи авторами разработана лабораторная экспериментальная установка для проведения исследований пульсирующего режима (рис.1-7) [7].

Рисунок 1 – Структурная схема лабораторной экспериментальной модели

При исследовании пульсирующего режима использовалась поворотная заслонка 5, которая устанавливалась в воздухопровод 4 печи 2, в качестве теплоносителя использовался воздух, а в качестве нагреваемого твердого тела использовались заготовки льда 8 (рис.1, 2). В камере стенда печи 2 формировалась круглая струя теплоносителя путем нагнетания электропылесосом 11 воздуха с температурой окружающей среды для плавления заготовок льда 8. В подающий воздухопровод печи 4 устанавливали поворотную заслонку 5, путем вращения которой на поверхности теплообмена создавалось вихревое течение воздуха (рис.1, 5).

Движение заслонки осуществлялось через редукторную передачу при помощи двигателя постоянного тока 10 (рис.1, 4). Заготовки льда укладывались на решетку 9. Под воздействием воздуха, истекающим из группы горелок 7, лед плавился, и образовавшаяся вода стекала в воронку 12, установленную на поду печи 2. Отходящий воздух отводился через воздухоотводящую трубу 1, установленную в своде печи. Протекание технологического процесса в печи визуализировалось при помощи web-камеры (рис.6,7).

Рисунок 2 – Экспериментальная установка

камерной печи (вид рабочего пространства)


камерной печи (вид сверху)


22

Рисунок 4 – Работа экспериментальной

установки печи в пульсирующем режиме

Рисунок 5 – Установка поворотной

заслонки


камерной печи (вид сбоку)

Рисунок 7 – Работа экспериментальной

установки камерной печи с видеозаписью при помощи web-камеры

Первый эксперимент проводили при традиционном режиме подачи теплоносителя.

Эксперименты при пульсирующей подаче теплоносителя проводились при таких же параметрах, но с установленной поворотной заслонкой 5 в подающий воздухопровод 4 [7].

В результате измерения и регистрации значений частоты вращения регулирующего органа, времени нагрева заготовок, температуры окружающей среды и расхода теплоносителя, косвенно определен коэффициент конвективной теплоотдачи:

ntos

maq,

где плотность льда, кг/м3; a усредненный линейный размер, м; q тепло, выделяемое при таянии льда, Дж/кг; tos – температура окружащей среды (воздуха), 0С; n количество граней теплообмена; время плавления льда, с. Результаты расчетов внесены в таблицу 1.


23

Таблица 1 Экспериментальное сравнение пульсирующего и традиционного режимов тепловой

обработки заготовок в печи № п/п

Частота, Гц

Время, с

Коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м2.К)

Температура, 0С

Kt , % , %

1 0 978 52,55 18 0 0 2 0,7 800 59,59 19,5 12,8 18,2 3 1 790 61,63 19 17,3 19,2 4 1,13 780 62,42 19 18,8 20,2 5 1,23 775 64,52 18,5 22,8 20,8 6 1,4 750 64,91 19 23,5 23,3 7 1,67 720 69,45 18,5 32,2 26,4 8 1,75 714 76,21 17 45 27

Полученные данные (табл. 1) используются для оценки соответствия разработанной

математической модели реальному тепловому процессу. Уменьшение времени нагрева в реальных условиях позволит сократить расход газо-воздушной смеси, а значит повысить эффективность использования дорогостоящего топлива (рис. 8). Увеличение коэффициента теплоотдачи с увеличением частоты свидетельствует об интенсификации конвективного теплообмена (рис. 9).

Рисунок 8 – Результаты экспериментальных исследований (уменьшение времени нагрева)

Рисунок 9 – Результаты экспериментальных исследований (увеличение коэффициента

конвективной теплоотдачи)


24

Установленная закономерность усиления теплообмена в пульсирующем режиме, объясняется тем, что при волнообразном изменении теплоносителя происходит разрушение пограничного гидродинамического слоя, который формируется на значительной части периметра обтекаемых тел и определяет сопротивление теплопередаче.

Увеличение коэффициента использования топлива и сокращение расхода газа могут достигаться при снижении температуры продуктов сгорания и сохранении темпа нагрева [1, 6]. При этом для сохранения скорости нагрева необходимо соблюдать условие: равенство итоговой плотности теплового потока для традиционного и пульсирующего режима [1]:

44

1111 100

273100

273)()( tmtdtdCdtmtdkq

44

2222 100

273100

273)()( tmtdtdCdtmtdk ,

где 21 k,k значения коэффициентов конвективной теплоотдачи, Вт/м2*K; tm,td,td 21 температура продуктов сгорания, температура поверхности металла, 0C; )td(Cd),td(Cd 21 приведенный коэффициент излучения продуктов сгорания, Вт/м2*K.

Диапазон возможных на практике значений коэффициентов конвективной теплоотдачи: αk=10-30 Вт/м2*K. Повышение коэффициента до 20 Вт/м2*K и 30 Вт/м2*K позволяет сократить расход до 2,1% и 4,2% при тепловом потоке q=100 кВт/м2 и температуры поверхности металла tm=500 0C.

Создание пульсирующего режима предполагает переключение горелочных устройств. Так как частота пульсаций fp теплоносителя, при которой был получен технологический эффект, зафиксирована в экспериментах на уровне 54-100 об/мин или 0,9-1,7 Гц, то время переключения составит τp=0,6-1 c [1, 7]. Следовательно, для системы управления энергосберегающими режимами в камерной печи полученные значения позволят определить ограничения при формировании цели управления.

Выводы Усиление конвективной составляющей теплообмена до 45%, зафиксированное в

экспериментальных исследованиях, является достаточно существенным, однако в высокотемпературных печах указанный уровень усиления конвективного теплообмена приведет к незначительному усилению итогового теплообмена. Вместе с тем, за счет обеспечения равномерного температурного поля, цикл нагрева заготовок в пульсирующем режиме сокращается по сравнению с традиционным режимом сжигания газа.

Список использованной литературы 1. Бирюков А. Б. Энергоэффективность и качество тепловой обработки материалов в печах:

Монография / А.Б. Бирюков. – Донецк: Ноулидж (донецкое отделение), 2012. – 248 с. 2. Гиневский А.С.Акустическое управление турбулентными струями / А.С. Гиневский, Е.В.

Власов, Р.К. Карвасов. – М.: Физматлит, 2001. – 237 с. 3. Жукаускас А.А. Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи 2 / А. А.

Жукаускас, О.Г. Мартыненко. – Вильнюс: Мокслас, 1988. – С. 15 – 17. 4. Скоробогатова И.В. Пути повышения эффективности использования топлива при

решении задач автоматического управления / И.В. Скоробогатова, Б.В. Гавриленко, С.В. Неежмаков // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “ Обчислювальна техніка та автоматизація”. – 2011. - Випуск 183(21). – С. 48-54.

5. Скоробогатова И.В. Технология энергосберегающего управления работой печи периодического действия с выкатным подом / Б. В. Гавриленко, А. Б.Бирюков, П. А.Гнитиев // IV міжнародна наукова конференція «Прикладні проблеми


25

аерогідромеханіки та тепломасопереносу», (1-3 листопада, 2012 року, Дніпропетровськ). – Дніпропетровськ, 2012. - С. 207-210.

6. Скоробогатова И.В. Анализ эффективности управления термической обработкой металла в камерной печи / И.В. Скоробогатова, Б.В. Гавриленко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “ Обчислювальна техніка та автоматизація ”. – 2012. - Випуск 200 (22). – С. 35-40.

7. Спосіб інтенсифікації конвективного теплообміну: патент України на корисну модель / О. Б. Бірюков, Б. В. Гавриленко, П. О. Гнітійов. - № 85127. – чинний від 11.11.2013.

8. Скоробогатова И.В. Специфика управления нагревом материалов в камерных печах / Б. В. Гавриленко, С.В. Неежмаков // XIII Международная научно-техническая конференция «Автоматизация технологических объектов. Поиск молодых», (Донецк, 14-17 мая, 2013 г.). - Донецк: ДонНТУ, 2013.

9. Скоробогатова І.В. Аналіз проблем побудови системи автоматичного управління тепловою роботою камерної печі / І.В. Скоробогатова // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. – 2013. – Т. 5., Вип.13. – С. 140-144.

10. Ткаченко В.Н. Математическое моделирование, идентификация и управление технологическими процессами тепловой обработки материалов / В.Н. Ткаченко. – Киев: Наукова думка, 2008. – 244 с.

11. Evaluation of thermal characteristics of oscillating combustion // International Journal of Engineering, Science and Technology. Vol. 2, No. 2, 2010. – pp. 165-173.

References 1. Birukov, A.B. (2012), Energy efficiency and quality of thermal processing of materials in

furnaces : Monograph, Donetsk : Noulidzh (Donetsk Branch). 2. Ginevsky, A.S., Vlasov, Ye.V. and Karavosov, R.K.(2001), Acoustic control of turbulent jets,

Fizmatlit, Moscow 3. Zhukauskas A.A. and Martynenko O.G. (1988), Heat transfer . Advances heat 2, Vilnius .

Mokslas , pp. 15 – 17. 4. Skorobogatova, I.V., Gavrylenko, B.V. and Neyezhmakov S.V. (2011), Ways to increase fuel-

use efficiency in the decision of automatic control problems, Proc. of Donetsk National Technical University. Series: "Computers and Automation". Vol. 183 (21), pp.48-54.

5. Skorobogatova, I.V., Birukov, A.B., Gavrylenko, B.V. and Gniteev, P.A. (2012), Energy-saving control technology of chamber furnace, IV International Conference " Applied problems aerohidromehaniky and mass transfer ", Dnepropetrovsk, November 1-3 2012 , pp.207 - 210.

6. Skorobogatova, I.V. and Gavrylenko, B.V. (2012), Control efficiency analysis of the thermal processing of metal of chamber furnace, Scientific papers of of Donetsk National Technical University. Series: "Computers and Automation". Vol. 200 (22), pp.35-40.

7. Skorobogatova, I.V., Birukov, A.B., Gavrylenko, B.V. and Gniteev, P.A. (11.11.2013) Method intensification of convective heat transfer , Patent of Ukraine for useful model № 85127.

8. Skorobogatova, I.V., Gavrylenko, B.V. and Neyezhmakov, S.V. (2013), Specificity control of the heating materials in chamber furnaces, XIII International Scientific and Technical Conference "Automation of technological objects. Search young ", Donetsk : Donetsk National Technical University , 14-17 May 2013.

9. Skorobogatova, I.V. (2013), The analysis of problems of automatic control system of heat work chamber furnace, Proc. of Tauride Agrotechnological State University, Vol.5 , no.13, pp. 140-144.

10. Tkachenko, V.N. (2008), Mathematical modeling, identification and control of technological processes of heat treatment of materials : Monograph, Naukova Dumka, Kiev.

11. Evaluation of thermal characteristics of oscillating combustion // International Journal of Engineering, Science and Technology. Vol. 2, No. 2, 2010. – pp. 165-173.


26

Надійшла до редакції: Рецензент: 28.04.2014 д-р техн. наук, проф. Зорі А.А. Н.І.

І.В. Скоробогатова, О.Б. Бірюков , Б.В. Гавриленко, С.В. Нєєжмаков, П.О. Гнітійов ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Експериментальне дослідження енергозберігаючих режимів в камерній печі. Обґрунтовано необхідність проведення експериментальних досліджень по встановленню впливу параметрів пульсації витрати теплоносія на значення коефіцієнта конвективної тепловіддачі. Для вирішення цього завдання розроблена лабораторна експериментальна установка для проведення досліджень. У результаті дослідження частот пульсації витрати теплоносія встановлено підвищення коефіцієнта конвективної тепловіддачі і скорочення часу нагрівання заготовок. Показано посилення коефіцієнта конвективної тепловіддачі на величину до 45 %. Частота , при якій був отриманий технологічний ефект посилення конвективної складової, зафіксована на рівні 54-100 об/хв, що відповідає 0,9-1,7 Гц. Ключові слова: експериментальна установка, камерна піч, заготовки, експеримент, пульсуючий режим.

I.V. Skorobogatova, A.B. Biryukov, B.V. Gavrilenko, S.V. Neyezhmakov, P.A. Gniteev Donetsk National Technical University Experimental investigation of power saving mode in the chamber furnace. Heating furnaces are the second largest natural gas consumption. Most of the existing industrial systems do not fully use their potential production capacity. It is not possible to increase the performance of product quality. Currently, there are two ways to supply fuel to the furnace: pulsating and traditional. The traditional method of gas combustion is based on the continuous supply of fuel to the furnace. Introduction of new technology in the metal billet heating furnace chamber requires the maintenance of a specific temperature heat treatment for the selected card assortment steel. It is necessary to develop automation system for the new power-saving mode. There is a problem with the experiment. Pulsing mode can be implemented in the form of sine law: work of groups in anti-burners and a certain ratio between the on time and off time of the burner, but the burner is not completely off effectively. The ratio of gas to air should be calculated and must always be equal to the total hydraulic resistance. The authors have created an experimental setup for the study of convective heat transfer. The description of the chamber oven in raditional and pulsing mode is provided. Experimental studies have been made. The main parameters affecting the efficiency of the use of gas have been determined. The increase of heat transfer coefficient with the increase in frequency indicates the intensification of convective heat transfer. Reduced heating time under actual conditions allow reducing fuel consumption and hence more efficient use of gas. Control consumption of gas in the pulsating mode involves reducing the on-time and off-time of the burner compared to the traditional mode. Switching time if burners is determined by the frequency of rotation of the damper recorded in experimental studies. The frequency at which the effect was obtained by the process was 54-100 rpm/min, that corresponds to 0,9-1,7 Hz or 0,6-1 sec. Consequently, for the system of for energy-saving mode control the obtained values allow imposing restrictions in the formation of control objectives. Keywords: experimental unit, chamber furnace, billet, experiment , pulsing mode.


© Ставицький В.М., 2014 27

УДК 622.3.002.5

В.М. Ставицький (канд. техн. наук, доцент) ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, м. Донецьк

кафедра «Гірнича електротехніка і автоматика ім.Р.М.Лейбова» e-mail: [email protected]

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ РОЗГАЛУЖЕНОЇ КОНВЕЄРНОЇ ЛІНІЇ

Представлено математичну модель системи конвеєрного транспорту, що включає в себе магістральний і дільничний конвеєри, а також акумулюючі бункери. Обґрунтовано раціональний алгоритм керування конвеєрною лінією. Ключові слова: конвеєр, бункер, транспортна затримка, автоматизація, математична модель, пристрій керування.

Проблема та її зв'язок з науковими задачами Безперебійна робота конвеєрного транспорту, що характеризується значною довжиною

і розгалуженістю, змінною довжиною і топологією в сполученні з безліччю збурюючих зовнішніх факторів передбачає здійснення безупинного контролю ряду технологічних параметрів. Засоби автоматизації, що випускаються серійно, не дозволяють вирішити весь комплекс задач щодо керування конвеєрним транспортом. Зокрема, практично відсутні технічні рішення, спрямовані на забезпечення стабільності вихідного вантажопотоку транспортної системи, які б дозволили нормалізувати навантаження на привод кожного конвеєра і підвищити довговічність конвеєрної стрічки. Цим обумовлена актуальність досліджень з удосконалювання систем контролю і керування транспортними процесами вуглевидобувного підприємства.

Аналіз досліджень і публікацій Дослідженням і розробці засобів автоматизації конвеєрного транспорту присвячені

роботи М.І.Стадника [2], О.О.Гливанського [3], Л.Г.Шахмейстера [4], С.О.Каримана [5], В.Т.Полуніна [6], В.В.Дмитрієвої [7], Н.В.Смирнової [8] та ін. Основні розв'язувані задачі зводяться до наступного:

1. Застосування засобів регулювання швидкості в складі привода стрічкового конвеєра, що забезпечують адаптацію конвеєра під умови вантажопотоку, що змінюється, (частотно-регульований електропривод, регульовані муфти, каскадні схеми керування двигунами з фазним ротором).

2. Застосування засобів регулювання вантажопотоку за рахунок використання накопичувальних систем (проміжні бункери, конвеєри).

3. Застосування систем автоматизації процесів гірничого підприємства (АСУТП), що забезпечують координоване керування окремими технологічними ланками відповідно до обраних критеріїв (енергоефективність, безперебійність і т.п.).

Обґрунтування напрямку досліджень Підземна транспортна система містить у собі ряд компонентів, що взаємодіють між

собою: магістральні, дільничні конвеєри, акумулюючі бункери. Для забезпечення ефективного керування даним технологічним комплексом необхідно дослідити умови і режими його роботи. Найбільш ефективним методом дослідження є математичне моделювання.

Мета досліджень Мета проведених досліджень - підвищення ефективності і надійності системи

підземного транспорту за рахунок обґрунтування раціонального алгоритму керування із


28

застосуванням методів математичного моделювання. Задача, розв'язувана в даній роботі, полягає в розробці математичної моделі розгалуженої конвеєрної лінії, що включає в себе магістральний конвеєр з декількома накопичувальними бункерами в місцях надходження корисної копалини з дільничних конвеєрів.

Методи і результати досліджень Транспортний комплекс, що розглядається в якості об'єкту дослідження, являє собою

систему взаємозалежних компонентів, яка складається з магістрального стрічкового конвеєра з двома пунктами навантаження, двох дільничних стрічкових конвеєрів і двох акумулюючих бункерів (рис.1). Пункти навантаження гірничої маси з дільничних конвеєрів розташовані на різних відстанях від початку магістрального конвеєра.

Задача розглянутого транспортного комплексу – забезпечити можливість безупинного прийому декількох (у даному випадку - двох) вхідних потоків гірничої маси з наступною їхньою передачею на транспортну магістраль. При цьому бункери забезпечують згладжування нерівномірності вхідних вантажопотоків.

Ефективна робота даної системи припускає безупинний контроль і керування станом усіх її елементів, тобто можлива тільки в автоматизованому (автоматичному) режимі. Ступінь ефективності того чи іншого алгоритму керування транспортним комплексом залежить від обраних критеріїв і може бути встановлений на основі моделювання процесів у досліджуваній системі.

Застосовуваний у даний час і реалізований в апаратурі АУК алгоритм автоматизованого керування припускає послідовний запуск у зворотному порядку всієї або частини конвеєрної лінії, контроль швидкості та аварійних станів конвеєрів, що входять до її складу, а також оперативне або аварійне відключення лінії або її частини. Даний алгоритм дозволяє забезпечити безперервність транспортування гірничої маси за умови відсутності аварійних ситуацій. У той же час застосовуваний алгоритм керування не контролює ступінь завантаження конвеєрів, у зв'язку з чим через нерівномірність вантажопотоків, що надходять, лінія може бути в значній мірі перевантажена, або, навпаки, працювати з істотним недовантаженням. Це, у свою чергу, негативно позначається на енергоефективності і надійності конвеєрного транспорту.

Зазначений недолік може бути усунутий за рахунок використання можливостей акумулюючих бункерів. Перша можливість складається в накопиченні гірничої маси, що надходить з дільничних конвеєрів. Дана властивість активно використовується в сучасних транспортних системах. Друга можливість полягає в дозованій подачі вантажу на магістральний конвеєр, що відкриває шляхи для керування навантаженням, тобто для вирішення сформульованої вище задачі. Зазначена можливість в існуючих автоматизованих конвеєрних лініях практично не реалізується, чим і пояснюється їхня недостатня ефективність. Пропонується удосконалити існуючий алгоритм керування, доповнивши його функцією регулювання подачі гірничої маси на магістральний конвеєр.

Рисунок 1 - Технологічна схема розгалуженої конвеєрної лінії

Qдк2 Qдк1

L

Xб1

Xб2

V1

V2


29

Для обґрунтування вищезгаданого алгоритму і оцінки його ефективності розроблена математична модель розгалуженої конвеєрної лінії. Основою моделі послужила схема, представлена на рис.1.

Математична модель досліджуваної розгалуженої конвеєрної лінії являє собою сукупність взаємозалежних моделей окремих її компонентів: магістрального конвеєра (МК), дільничних конвеєрів (ДК), накопичувальних бункерів (НБ), а також керуючого пристрою (ПК). При цьому в процесі складання зазначених моделей були використані наступні обмеження і припущення:

1. Швидкість конвеєра задається пристроєм керування і може приймати одне з двох фіксованих значень: номінальне і нульове.

2. Стрічка конвеєра розглядається як ідеально жорсткий елемент. Швидкість руху стрічки, а відповідно, і вантажу, що знаходиться на ній, однакова по всій її довжині.

3. Передбачається, що бункер має форму прямокутного паралелепіпеда. Заповнення і спорожнення бункера відбуваються рівномірно по всій площі перетину.

4. Інтенсивність заповнення бункера визначається співвідношенням між вантажопотоком, що надходить у бункер, і вантажопотоком на виході бункера.

5. Вантажопотік на виході бункера залежить від ступеня відкриття шибера (або швидкості живильника), що задається пристроєм керування і може приймати одне з трьох дискретних значень: максимальне, проміжне, нульове.

6. Модель дільничного конвеєра являє собою часову залежність вихідного вантажопотоку, що при сталості швидкості стрічки цілком відповідає вхідному вантажопотоку, відтермінованому на інтервал транспортної затримки.

7. Вхідний вантажопотік дільничного конвеєра визначається технологією роботи очисного комбайна і може бути виражений функціональною часовою залежністю, що містить випадкову складову, обумовлену стохастичним характером міцності вугільного масиву, що руйнується, і періодичну складову, обумовлену технологічними паузами в роботі комбайна.

Модель магістрального конвеєра Інтенсивність вантажопотоку, що сходить зі стрічки конвеєра, при наявності одного

пункту навантаження з НБ [9]:

]Tt[Q

Тtvtv)t(Q бмк

. (1)

При двох або більше пунктах навантаження гірничої маси, розташованих у різних місцях (рис.2):

- складова вихідного вантажопотоку конвеєра, обумовлена i-им пунктом навантаження (знаходиться на відстані Хi від початку конвеєра):

]Тt[Q

Тtvtv)t(Q ii.б

ii.мк

. (2)

- сумарний вихідний вантажопотік конвеєра:

Рисунок 2 – Магістральний стрічковий конвеєр с двома пунктами навантаження

v

Qб1

Qмк

Qб2

Хб2 Хб1


30

iiбi

iii.мкмк ТtQ

Тtvtv)t(Q)t(Q . (3)

Вхідні вантажопотоки Qбi формуються відповідними НБ. Сумарна маса вантажу на стрічці:

iiбi

iбiмк

iбi

мк ТtQТtv

tvtQ)t(QtQdt

dm . (4)

Швидкість конвеєра може приймати одне з двох значень: 0, v. Фактором, що визначає величину швидкості конвеєра, є команда керуючого пристрою (умк). мкмк vу)t(v . (5)

З огляду на те, що швидкість конвеєра при навантаженні на стрічку і при розвантаженні, дорівнює vмк, рівняння маси вантажу може бути спрощене в такий спосіб:

i

iбiбiмк ТtQtQ

dtdm

. (6)

Транспортна затримка Т в розглянутому випадку є величиною змінною, залежною від швидкості v(t). Знання даної величини необхідне для визначення вихідного вантажопотоку конвеєра Qмк. Методика визначення даної величини для умов роботи конвеєра зі змінною швидкістю докладно викладена в роботі [1] і полягає в чисельному інтегруванні і контролі шляху, який проходить вантаж, що транспортується.

Для кожного пункту навантаження величина транспортної затримки Тi розраховується індивідуально. При цьому враховується розташування бункера і швидкість стрічки конвеєра.

Таким чином, стан МК характеризується швидкістю v, вихідним вантажопотоком Qмк (залежить від швидкості МК, вихідних вантажопотоків НБ), сумарною вагою переміщуваного вантажу mмк (залежить від вхідних вантажопотоків і розташування НБ, швидкості МК). Також для реалізації пропонованого нижче алгоритму керування конвеєрною лінією також необхідно мати інформацію про поточну погонну масу вантажу біля другого пункту навантаження (q12).

Зазначені характеристики визначаються сигналом ПК (умк), вхідними вантажопотоками, що надходять з боку бункерів (Qб1, Qб2), а також повинні враховувати розташування пунктів навантаження Хб1, Хб2.

Модель накопичувального бункера Модель накопичувального бункера являє собою співвідношення, що пов'язує рівень

гірничої маси Hб з інтенсивністю вантажопотоку, що надходить, Qдк і інтенсивністю подачі корисної копалини з бункера на магістральний конвеєр Qб.

Рівень вантажу в НБ визначається вхідним і вихідним вантажопотоками[10]:

))t(Q)t(Q(S1

dtdH

бдкб

б

. (7)

де γ – насипна щільність гірничої маси в бункері; Sб – площа поперечного переріза бункера. Інтенсивність подачі матеріалу з НБ Qб(t) залежить від наявності матеріалу в ньому і

величини керуючого сигналу: бmaxбб yQ)t(Q . (8)

Модель керуючого пристрою Керуючий пристрій визначає алгоритм роботи конвеєрної лінії, а, отже, і її основні

показники. ПК повинен формувати наступні сигнали: - сигнал керування конвеєром (умк, може приймати одне з двох дискретних значень: 0 -

1) – залежить від поточного рівня гірничої маси в бункерах і працездатності конвеєра; - сигнали керування бункерами (убi, можуть приймати будь-які значення в діапазоні від


31

0 до 1) – залежать від рівня гірничої маси у відповідному бункері і, у випадку другого бункера, від питомої ваги вантажу на стрічці перед ним.

Комплексний критерій, на якому базується алгоритм керування, передбачає: а) фіксовану інтенсивність вантажопотоку на виході МК за рахунок дозованої подачі

гірничої маси з накопичувальних бункерів; б) виключення інтервалів роботи магістрального конвеєра і всіх наступних конвеєрів

транспортного ланцюжка вхолосту при відсутності надходження гірничої маси з бункерів. Реалізація запропонованого критерію забезпечується наступним чином: 1. Переведення бункера в режим накопичення гірничої маси у випадку його

спорожнення. 2. При переведенні одного з бункерів у режим накопичення гірничої маси інший

компенсує зниження погонного навантаження шляхом відповідного збільшення власної подачі.

3. У випадку переведення обох бункерів у режим накопичення гірничої маси магістральний конвеєр зупиняється.

4. Поновлення подачі гірничої маси з бункерів і, відповідно, запуск магістрального конвеєра здійснюється при досягненні рівня включення (що дорівнює, наприклад, половині від максимального рівня бункера).

5. У випадку аварійної зупинки магістрального конвеєра бункери переводяться в режим накопичення гірничої маси.

Математично зазначений алгоритм керування розгалуженою конвеєрною лінією може бути представлений наступною системою логічних співвідношень, що є основою моделі керуючого пристрою:

else , 0

1)4cond2condond1c( if ,y 1)3cond2condond1c( if ,y

y nom1б

max1б

1б (9)

else , 0

1)7cond5condond1c( if ,y 1)8cond6cond5condond1c( if ,y

y nom2б

max2б

2б (10)

lsee ,0

10q0y0y if ,1y 122б1б

мк (11)

де ]0e[1cond - умова працездатності (відсутності аварійних ситуацій) магістрального конвеєра;

1sHH0HH2cond 1бon1б1б

on1б1б - умова достатності рівня гірничої

маси в НБ1 для поновлення (продовження) подачі на конвеєр; 0sHHHHH3cond 2б

on2б2б

min2б

min2б2б - умова, що забезпечує

збільшення інтенсивності подачі з НБ1 з метою компенсації майбутнього зниження погонного навантаження МК внаслідок очікуваного спорожнення НБ2;

1sHHHHH4cond 2бon

2б2бmin

2бon

2б2б - умова, що визначає, у випадку наповнення НБ2, необхідність зниження інтенсивності подачі гірничої маси з НБ1 на конвеєр;

1s0H1sHH0HH5cond 1б2б2бon

2б2бon

2б2б - умова достатності рівня гірничої маси в НБ2 для поновлення (продовження) подачі на конвеєр;

0q6cond 12 - умова відсутності гірничої маси на стрічці перед НБ2; 1б12 qq7cond - умова рівності питомої маси вантажу на стрічці перед НБ2


32

величині, qб1 (дана умова, як і попередня, дозволяє визначити необхідну інтенсивність подачі гірничої маси з НБ2);

1sHH8cond 1бmin

2б2б - умова, що забезпечує припинення подачі гірничої маси на конвеєр із НБ2 при мінімальному рівні в ньому і відсутності подачі з НБ1 (обумовлена прагненням уникнути «провалів» вантажопотоку);

sб1, sб2 – стан НБ1 і НБ2 (1 – режим подачі на конвеєр, 0 – режим накопичення); min

2бH - мінімальний рівень гірничої маси в НБ2, при якому, за умови видачі з нього матеріалу з максимальною інтенсивністю, бункер 2 зможе спорожниться за час, що перевищує інтервал, необхідний на транспортування вантажу від пункту навантаження НБ1 до пункту навантаження НБ2 при постійній швидкості конвеєра v;

on1б

on2б H ,H - рівні, при яких НБ1 і НБ2, переводяться з режиму накопичення в режим

подачі на конвеєр; nom

2бmax

2бnom1б

max1б y ,y ,y ,y - максимальна і номінальна інтенсивності вантажопотоків, що

формуються на виході бункерів НБ1 і НБ2. Співвідношення між інтенсивностями вантажопотоків на виході НБ1 і НБ2:

nom2б

nom1б

max1б

max2б yyyy . (12)

Для реалізації запропонованого алгоритму керування необхідно контролювати наступні сигнали і стани елементів конвеєрної лінії: працездатність магістрального конвеєра (аварійні ситуації); поточний рівень гірничої маси в кожному накопичувальному бункері; питома вага вантажу на стрічці перед другим бункером. Структурна схема, що відбиває логічні зв'язки математичної моделі розгалуженої конвеєрної лінії, представлена на рис.3.

Розроблена модель реалізована програмно-обчислювальними засобами пакета MathCAD. На рис.4 представлені результати моделювання конвеєрної лінії з наступними параметрами: довжина магістрального конвеєра – 1200м, швидкість магістрального конвеєра – 1м/с, ємності накопичувальних бункерів – 80м3, відстань між бункерами – 500м. Рис.4.а ілюструє вантажопотоки, що надходять з дільничних конвеєрів у НБ1 і НБ2. Рис.4.б містить результати моделювання процесів у розгалуженій конвеєрній лінії за відсутності дій, спрямованих на стабілізацію вантажопотоку на виході магістрального конвеєра. Рис.4.в демонструє роботу конвеєрної лінії в режимі стабілізації вихідного вантажопотоку.

Результати моделювання свідчать про ефективність запропонованого алгоритму стабілізації. Зокрема, вантажопотік на виході магістрального конвеєра характеризується практично незмінною величиною, незважаючи на нестабільність і періодичність

Рисунок 3 – Структурна схема моделі розгалуженої конвеєрної лінії

НБ1

МК

ПК

Qдк1

Qдк2

Qб1

Qб2

Qмк

Хб2

Хб1

умк уб1 уб2

mмк

q12

Нб2 Нб1 q12

Qб1 Нб1

НБ2 Qб2 Нб2

умк

уб1

уб2

е

v


33

надходження вантажів з ділянок. Тим самим забезпечується сталість навантаження наступних конвеєрів у транспортній лінії. Крім того, виключається робота транспортної лінії у випадку неможливості забезпечення заданого вантажопотоку на виході, що забезпечує істотну економію енергоспоживання.

Висновки і напрямки подальших досліджень 1. Розроблена математична модель розгалуженої конвеєрної лінії з проміжними

бункерами-накопичувачами, що дозволяє оцінити ефективність роботи системи транспорту і синтезувати раціональний алгоритм керування.

2. За допомогою представленої математичної моделі обґрунтований удосконалений алгоритм керування транспортною лінією, що може бути використаний при розробці керуючого пристрою.

Рисунок 4 – Результати моделювання стану розгалуженої конвеєрної лінії (а – стан магістрального конвеєра і дільничі (вхідні) вантажопотоки, б – стан елементів транспортної лінії за відсутності керування з метою стабілізації, в – стан елементів транспортної лінії в

режимі стабілізації вихідного вантажопотоку)

4000 8000 12000 16000 20000 t, c 0

е

Qдк1

Qдк2

4000 8000 12000 16000 20000 t, c 0

Hб1

Qб1

Qб2

Hб2

Qмк

v

4000 8000 12000 16000 20000 t, c 0

Hб1

Qб1

Qб2

Hб2

Qмк

v

в)

б)

а)


34

3. Основним напрямком подальших досліджень є узагальнення отриманих результатів на випадки, коли кількість відгалужень перевищують два, а також урахування можливості переповнення бункерів.

Список використаної літератури 1. Ставицкий В.Н. Алгоритм идентификации транспортной задержки конвейера / В.Н.

Ставицкий // Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия: Вычислительная техника и автоматизация. – 2011. – Выпуск 37. - С. 59-66.

2. Справочник по автоматизации конвейерного транспорта / [Н. И. Стадник и др.]. – Київ: Техніка, 1992. – 438 с.

3. Гливанский А.А. Методы управления шахтным подземным конвейерным транспортом. / [А.А. Гливанский, И.П. Коновалова, В.М. Ротенберг, Е.К. Травкин] // Средства и аппаратура горной автоматики для угольных предприятий: труды института. – 1978. - № 29.

4. Шахмейстер Л.Г. Динамика грузопотоков и регулирование скорости ленточных конвейеров / Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев, А.К. Лобочева. – М.: Машиностроение, 1972. – 160 с.

5. Кариман С.А. Моделирование и оптимизация производственных процессов при добыче угля / С.А. Кариман, А.В. Брайцев, В.М. Шрамко. – М.: Наука, 1975. – 135 с.

6. Полунин В.Т. Эффективность регулирования скорости шахтных конвейеров / В.Т.Полунин // Научные труды МГИ. – 1968. – № 53. – С. 87 – 95.

7. Дмитриева В.В. Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера: дис. … кандидата техн. наук: 05.13.06 / Дмитриева Валерия Валерьевна. – М., 2005. – 162 c.

8. Смирнова Н.В. Динамічні характеристики стрічкового конвеєра та методи їх оцінки: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.05.06 / Н.В.Смирнова. – Дніпропетровськ, 2000. – 17 c.

9. Ставицкий В.Н. Динамика нагрузки регулируемого привода ленточного конвейера / В.Н. Ставицкий // Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия: Вычислительная техника и автоматизация. – 2012. – Выпуск 23. - С. 49-53.

10. Ставицкий В.Н. Математическое моделирование транспортной системы добычного участка / В.Н. Ставицкий // Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия: Вычислительная техника и автоматизация. – 2013. – Выпуск 24. - С. 53-63.

References 1. Stavitskiy, V.M. (2011), “The algorithm of identification of a transport delay of the conveyor”,

Sbornik nauchnyh trudov DonNTU. Seriya: Vychislitel’naya tehnika i avtomatizatsiya, no. 37, pp. 59-66.

2. Stadnik, N.I. (1992), Spravochnik po avtomatizatsii konveyernogo transporta, Tehnika, Kyiv, Ukraine.

3. Glivanskiy, A.A., Konovalova, I.P., Rotenberg, V.M. and Travkin, Ye.K. (1978), “The methods of control for mining underground conveyor transport”, Sredstva i apparatura gornoy avtomatiki dlya ugol’nyh predpriyatiy, Trudy instituta, no. 29.

4. Shahmeyster, L.G., Dmitriyev, V.G. and Lobocheva, A.K. (1972), Dinamika gruzopotokov i regulirovaniye skorosti lentochnyh konveyerov, Mashinostroyeniye, Moskva, USSR.

5. Kariman, S.A., Braytsev, A.V. and Shramko, V.M. (1975) Modelirovaniye i optimizatsiya proizvodstvennyh protsessov pri dobyche uglya, Nauka, Moskva, USSR.

6. Polunin, V.T. (1968), “Efficiency of speed regulation of mining conveyor”, Nauchniye trudy MGI, no. 53, pp. 87-95.


35

7. Dmitriyeva V.V. (2005), “Development and exploration of automatic stabilization system for main conveyor’s linear loading”, Abstract of Ph.D. dissertation, 05.13.06, Moskva, Russia.

8. Smirnova, N.V. (2005), “Dynamic characteristics of belt conveyor and methods of estimation”, Abstract of Ph.D. dissertation, 05.05.06, Dnepropetrovsk, Ukraine.

9. Stavitskiy, V.M. (2012), “The dynamics of belt conveyor variable drive load”, Sbornik nauchnyh trudov DonNTU. Seriya: Vychislitel’naya tehnika i avtomatizatsiya, no.23, pp. 49-53.

10. Stavitskiy, V.M., Ogolobchenko, A.S. (2013), “Mathematical modeling of the mining area’s transport system”, Sbornik nauchnyh trudov DonNTU. Seriya: Vychislitel’naya tehnika i avtomatizatsiya, no. 24, pp. 53-63.

Надійшла в редакцію: Рекомендовано до друку: 22.04.2014 канд. техн. наук, проф. Маренич К.М.

В.Н. Ставицкий ГВУЗ “Донецкий национальный технический университет” Математическая модель разветвленной конвейерной линии. Представлена математическая модель системы конвейерного транспорта, включающей в себя магистральный и участковые конвейеры, а также аккумулирующие бункеры. Обоснован рациональный алгоритм управления конвейерной линией. Ключевые слова: конвейер, бункер, транспортная задержка, автоматизация, математическая модель, устройство управления.

V.M. Stavitskiy Donetsk National Technical University Mathematical modeling of a branched conveyor line. The object of researches is an underground transport complex. It consists of a main conveyor belt with two points of loading, two district belt conveyors and two accumulating hoppers. Efficient operation of the system requires continuous control and management of all its elements. It is possible only by automated mode. This article solves the problem of developing a mathematical model of mining branched transport system. State of the object is determined by the intensity of district traffics and operability of its individual elements. A mathematical model of the branched conveyor line with intermediate storage hoppers has been devoloped. This model allows estimating the efficiency of the transport system. With the proposed mathematical model a control algorithm of transport line was grounded. This algorithm can be used for the control device developing. The simulation results demonstrate the efficiency of the proposed stabilization algorithm. Output traffic of the main conveyor is stable, despite the changeable and periodical nature of the district flows. It provides a constant load of subsequent conveyors in the transport line. The transport line stops when failing to provide a given traffic on its way out. It provides substantial savings in energy consumption. Keywords: conveyor, hopper, transport delay, automation, mathematical model, control system.

Ставицький Володимир Миколайович, Україна, закінчив Донецький державний технічний університет, канд. тех. наук, доцент, доцент кафедри “Гірнича електротехніка та автоматика ім. Р.М.Лейбова” ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Головні напрямки наукової діяльності – силова перетворювальна техніка, автоматизований електропривод, мікропроцесорні засоби автоматизації, ідентифікація і моделювання.


© Федюн Р.В., Пихно Э.В., 2014 36

УДК 629.7.051

Р.В. Федюн (канд. техн. наук, доц.), Э.В. Пихно ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра автоматики и телекоммуникаций e-mail: [email protected], [email protected]

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЕТА КОНВЕРТОПЛАНА

Выполнен анализ летательного аппарата - конвертоплана, составлена его математическая модель на базе описания технической реализации. Полученная непрерывная математическая модель была трансформирована в цифровой вид с рядом допущений по условиям, которые позволили значительно уменьшить сложность. На базе этого были разработаны регуляторы для контуров управления по высоте и по скорости движения. Ключевые слова: конвертоплан, нелинейная математическая модель, цифровая система, регулятор нелинейной системы, моделирование нелинейной системы.

Общая постановка проблемы Конвертопланы в настоящее время, по ряду причин, не являются распространенным

видом транспорта, единственная страна-производитель конвертопланов – США, - успешно использует их в военно-транспортных целях. Конвертоплан совмещает в себе преимущества самолетов и вертолетов, такие как: возможность вертикальных взлета и посадки, большая скорость движения (502 км/ч против 350 км/ч у вертолетов), большая грузоподъемность, большая дальность работы, высокая надежность. Однако из-за особенностей конструкции управление конвертопланом лежит исключительно на пилотах.

Большая сложность разработки и управления в настоящее время и препятствует широкому распространению конвертопланов. Однако учитывая их преимущества, это очень полезное и интересное транспортное средство, которое можно использовать как в военных, так и в гражданских целях.

При преодолении трудностей автоматизации, конвертопланы возможно использовать очень широко. Небольшие модели (весом до 5 кг) могут выполнять самые разные функции. Например, быстрая доставка почты в пределах района города, аэрофотосъемка с небольшой высоты для большой детализации снимков, картография, визуальное наблюдение за событиями и многое другое. Крупные модели смогут выполнять роль автономных транспортных средств, средств наблюдения.

Постановка задач исследования Для реализации базовой автоматизации конвертоплана следует решить следующие

задачи: - проанализировать описание принципов работы конвертоплана, его технических

характеристик для получения математического описания; - проанализировать условия работы, возможные критические ситуации для

определения ограничений; - разработать математическую модель конвертоплана и произвести исследование

динамических характеристик; - синтезировать регуляторы по контурам управления скоростью и высотой; - оценить эффективность полученных решений. Решение задач и результаты исследований Прежде, чем приступить к описанию сил, действующих на конвертоплан, следует

рассмотреть схематическое представление конвертоплана с физической точки зрения.


37

Схема конвертоплана представлена на рис.1.

Рисунок 1 – Физическое представление конвертоплана

Движение конвертоплана описывается следующими параметрами: перемещение;

скорость; ускорение; углы наклона. Перемещение – основная часть, иначе конвертоплан невозможно считать

транспортным средством. Целью является наиболее быстрое и эффективное перемещение из точки А в точку В. Перемещение задается радиус вектором r .

Скорость v является так же одним из основных параметров. Скоростные показатели определяют время перемещения, условия эксплуатации и многое другое. Так, например, на низких высотах летать на больших скоростях достаточно опасно из-за возможности столкновения с формами рельефа, на больших высотах же для поддержания подъемной силы требуются большие скорости из-за разреженного воздуха.

Ускорение a определяет перегрузки, что является одним из условий конструктивной реализации. Так, например, при достаточно хороших показателях скорости, превышение допустимого уровня ускорения создаст недопустимые перегрузки, которые приведут к разрушению летательного аппарата (ЛА).

Углы наклона i являются немаловажной частью при транспортировке грузов. Например, существуют грузы, которые можно наклонять лишь незначительно. К тому же углы наклона влияют на летные показатели. Так, конвертоплан не может долговременно лететь «боком» или вверх-ногами – это приведет к потере высоты.

Внешними параметрами, влияющими на полет являются: плотность воздуха на определенной высоте и ветер, его направление и сила.

Плотность воздуха )(hE определяет множество факторов, такие как – подъемная сила, сила тяги винтов и многие другие. Плотность воздуха в зависимости от высоты описывается барометрической формулой. Во время полета нет необходимости прямо измерять плотность воздуха, что невозможно, благодаря данной формуле вполне можно обойтись лишь измерением высоты. В зависимости от типа силовой установки, плотность воздуха, как и его состав, достаточно сильно влияют на полет. Так, для винтовых двигателей, тяга уменьшается с уменьшением плотности воздуха, а так же уменьшается и подъемная сила, создаваемая крыльями. Для реактивных двигателей от плотности воздуха так же зависит тяга – с увеличением высоты количество кислорода для сжигания топлива уменьшается, соответственно падает и тяга.


38

Ветер является прямым возмущающим фактором для всей системы. В зависимости от направления ветра wF

так или иначе будет меняться скорость полета. А степень влияния

определяется силой ветра , которая на больших высотах является достаточно

значительной. Однако выделить прямую зависимость от высоты невозможно, так как ветер определяется лишь погодными условиями.

Внутренними параметрами, характеризующими конвертоплан и так или иначе участвующими в полете являются:

– углы поворота двигателей 1 и 2 ; – угол поворота руля высоты 3 ; – углы поворота закрылков 1 и 2 ; – масса конвертоплана m ; – площади проекций фюзеляжа zyx SSS ,, и площадь крыльев wS ; – коэффициенты аэродинамического сопротивления zyx CCC ,, ; – коэффициент подъемной силы LC .

Углы поворота двигателей 1 и 2 задают непосредственно главный вектор тяги. От них зависит режим полета (вертикальный или горизонтальный), углы наклона конвертоплана. Поворачивая двигатели осуществляется управление конвертопланом. Угол поворота руля высоты 3 задает угол атаки (тангаж) конвертоплана, с помощью чего происходит набор высоты в режиме горизонтального полета. Руль высоты может отклоняться в ограниченных пределах и так же является одним из элементов управления. Закрылки, выпущенные на определенный угол 1 и 2 изменяют геометрию крыла, создавая дополнительную подъемную силу. При этом нет смысла изменять коэффициент подъемной силы крыла, а стоит рассматривать воздействие как сумму векторов сил. Задание угла закрылков является так же частью системы управления. Масса конвертоплана m – величина условно постоянная. Если конвертоплан имеет питание от аккумуляторов, т.е. имеет достаточно небольшие размеры, то масса будет постоянной – непосредственно конвертоплан и груз. В других же случаях, масса может достаточно сильно изменяться – до 50%. Площади проекций фюзеляжа zyx SSS ,, используются для расчетов сил аэродинамического сопротивления. Достаточно точно их определить сложно, поэтому чаще всего пользуются приблизительным значением, которое корректируются коэффициентом аэродинамического торможения. Данная величина постоянна и зависит только от геометрии корпуса. Коэффициенты аэродинамического сопротивления zyx CCC ,, являются так же постоянными величинами и определяют степень аэродинамического сопротивления в той или иной проекции. Данные коэффициенты чаще всего определяют с помощью аэродинамической трубы эмпирически. Коэффициент подъемной силы LC определяется геометрией крыла и позволяет получить численное значение силы с помощью формулы, выведенной братьями Райт. Существует и теоретическая возможность определения подъемной силы – теорема Жуковского. Однако расчет подъемной силы с ее помощью достаточно объемный и дает приблизительный результат. Поэтому на практике чаще всего пользуются эмпирическим исследованием в аэродинамической трубе.

Углы поворота конвертоплана представлены на рисунке 2. Силы, действующие на конвертоплан представлены на рис.3. Сила тяги двигателей определяет движение

конвертоплана в целом, и управление непосредственно вектором тяги играет определяющую роль в движении.


39

Рисунок 2 – Углы поворота элементов и всего конвертоплана

Рисунок 3 – Силы, действующие на конвертоплан

От направления вектора зависит направление движения, углы наклона и скорость

движения. Общий вектор тяги является векторной суммой тяги двигателей. Сила сопротивления движению препятствует движению конвертоплана и зависит от

аэродинамического коэффициента сопротивления, плотности воздуха, скорости движения, площади проекции фюзеляжа. Подъемная сила в зависимости от режима полета

определяется различно. Так, в режиме вертикального полета подъемная сила определяется вертикальной проекцией вектора тяги, а в режиме горизонтального полета – подъемной силой крыльев и так же вертикальной проекции вектора тяги. Дополнительная подъемная сила от закрылков зависит от площади закрылков и угла их выпуска. Так же,

выпущенные закрылки создают дополнительную силу сопротивления движению, поэтому их применение на больших скоростях не допустимо. Сила воздействия руля высоты давит

или поднимает хвост конвертоплана изменяя угол атаки, тем самым меняя направление движения по вертикали. Данная сила находится аналогично силе действия закрылков, и так же создает дополнительную силу сопротивления движению.

Возмущающая сила ветра действует на уровне вспомогательной (второй) системы

координат и изменяет параметры движения – направление и скорость, т.к. конвертоплан движется в фактически движущемся пространстве. Сила ветра и направление ветра описываются достаточно приближенно к реальности белым шумом. Однако вид данного воздействия будет определен позднее.


40

Для моделирования требовалось разработать математическую модель и на основе ее программу для моделирования. Основной проблемой является нелинейность системы, которую стандартными методами обойти невозможно. Математическую модель конвертоплана можно составить, используя базовые физические законы, такие как, например, второй закон Ньютона, закон братьев Райт, закон распределения плотности воздуха (барометрическая формула) и другие. В общем виде конвертоплан описывается следующей системой:

(1)

В данной системе (1) представлены следующие элементы: а) вектор ускорения,

который зависит от массы m, общей силы тяги , общей силы сопротивления ,

сопротивление закрылков , сопротивление руля высоты , подъемная сила крыльев

, подъемная сила от закрылков , силы тяжести ; б) ускорения по углам Эйлера,

который зависят от векторов тяги каждого из двигателей , массы и расстояния

между двигателями и закрылками . Однако данная система описывает непрерывную

нелинейную систему, а в современных условиях следует рассматривать дискретную, т.к. подавляющее большинство управляющих контроллеров – цифровые. Так же, можно несколько более идеализировать систему и для упрощения убрать из системы сопротивления от закрылков и руля высоты, убрать изменение плотности с высотой (в данной системе оно представлено в составе сил, а не в явном виде). Итак, математическая модель упрощенной цифровой системы может быть представлена в виде системы (2).

Данная модель (2) означает, что существуют дискретные шаги, на каждом из которых рассчитывается соответствующее значение ускорения, скорости и перемещения (как линейного, так и углового). На нулевом шаге рассчитывается ускорение, которое повлияет на скорость на первом шаге, а скорость повлияет на перемещение уже на втором шаге. При этом, чем больше период дискретизации T, тем дольше будет задержка.

Для начала, рассмотрим случай, когда конвертоплан взлетает в режиме вертикального полета. Начальными условиями являются: нулевая тяга двигателей 021 , нулевая высота 0,0,0r , положение двигателей имеет нулевые углы поворота 021 , закрылки и руль высоты не участвуют.


41

(2)

При старте двигателей в реальности происходит раскручивание пропеллеров по

апериодическому процессу первого порядка, вместе с этим постепенно увеличивается и сила тяги. Конвертоплан будет стоять на земле до тех пор, пока . Когда же сила тяги,

которая в данном случае будет выступать в роли подъемной силы, превысит силу тяжести, начнется взлет конвертоплана. Зная массу, можно достаточно просто определить требуемую для взлета силу F=mg. Приняв массу конвертоплана в модели 2.5 кг, получаем требуемую силу F=24,515 H. При моделировании примем, что обороты роторов изменяются по линейному закону, и получим следующий график (рис.4).

Рисунок 4 – График ускорения при линейном возрастании оборотов двигателей.

Ось абсцисс – время, с, ось ординат -ускорение м/с^2 *10-1 По данному графику видно, что некоторое время ускорения нет, что подтверждает

неравенство . Данный график соответствует 15000 об/мин, предельно допустимых

оборотах для винтовых движителей. Как видно, график имеет четкий апериодический вид, при этом немного увеличилось время «мертвой зоны». Используя в САУ ПИ-регулятор с коэффициентами kп = 0.834 и Ti = 8.13, получим следующие зависимости (рис.5). Следует отметить, что для синтеза коэффициентов регулятора использовался метод Коэна-Куна, который позволяет по полученным без регулятора графикам получить достаточно оптимальные коэффициенты регулирования [3].


42

Рисунок 5 – График зависимости высоты от времени, система с ПИ-регулятором.

Ось ординат – высота, м; ось абсцисс – время, с.

Заданием была именно высота, значение задания – 100 метров. Как видно, с ПИ-регулятором система установила заданное значение. При этом, синтезированный ПИ-регулятор ограничил ускорение до 8 м/с2, что является для модели весом в 2,5 кг приемлемой величиной. Установившееся значение оборотов двигателей составляет 1943 об/мин.

Далее, выполнено моделирование с выходом конвертоплана из вертикального режима полета в горизонтальный. При моделировании получен следующий результат (рис.6):

Рисунок 6– График зависимости скорости с регулятором высоты.

Ось абсцисс – время, ось ординат – скорость, км/ч.

На представленном графике видно, что максимальная скорость модели превышает 250 км/ч. Точное ее максимальное значение – 279,8 км/ч. Для небольшой модели это правдивое значение, т.к. есть пропеллерные модели, имеющие скорость полета до 390 км/ч [1].

Для проверки модели возьмем параметры реального конвертоплана V-22 Osprey: площадь ометаемой поверхности роторов 422 м2, площадь крыла 38 м2, максимальная скорость вращения – 7000 об/мин, коэффициент аэродинамического сопротивления 1.19. Практическая максимальная скорость на уровне моря составляет 396 км/ч, на максимальной высоте –до 580 км/ч [2]. Приблизительное время набора максимальной скорости – 3 минуты. Внесем в программу данные коэффициенты и промоделируем. Результат представлен на рисунке 7.

На графике виден непродолжительный перегиб длительностью порядка 7 секунд, соответствующий переходу из вертолетного режима в самолетный, а затем происходит постепенный набор скорости. Как видно из графика, максимальная скорость составляет почти 400 км/ч. Точное же значение при t = 220 с составляет 399,63 км/ч. Таким образом, модель полностью подтверждает реальные данные, и расхождение по максимальному значению составляет всего 0.9%. По времени набора максимальной скорости так же модель дает достоверный результат – конвертоплан набрал скорость в 396 км/ч немногим более, чем за 3 минуты, а точнее за 3 минуты и 13 секунд.


43

Рисунок 7 – График зависимости скорости от времени для модели с параметрами

конвертоплана V-22 Osprey. Ось абсцисс – время, с, ось ординат – скорость, км/ч.

Выводы В результате работы были получены непрерывная и цифровая математическая модели,

а так же регуляторы по контурам высоты и скорости. При разработке математической модели особое внимание уделялось балансу между полнотой описания и сложностью. При переводе непрерывной модели в цифровую так же были введены допущения по условиям работы, которые позволили еще более упростить модель. Проведя моделирование было установлено, что модель достаточно точно описывает поведение конвертоплана. На основании разработанной модели и проведенного моделирования были разработаны ПИ-регуляторы по контурам высоты и скорости. Моделирование с регуляторами показало достаточную эффективность такого решения: система действует не хуже опытных пилотов, однако за счет данной автоматизации возможно значительно упростить их задачи.

Список использованной литературы 1. Книга рекордов Гиннеса [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://guinness.h12.ru/hob_mod.htm. 2. Электронная энциклопедия «Википедия», «Конвертоплан Bell V-22 Osprey»

[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Bell_V-22_Osprey. 3. Официальный сайт Мичиганского Технического Университета. Метод Коэна-Куна для

настройки регуляторов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.chem.mtu.edu/~tbco/cm416/cctune.html.

4. Айзерман М.А. Классическая механика / М.А. Айзерман. - М.: Физматлит, 2005. – 368 с.

References 1. Guinness World Records, available at: http://guinness.h12.ru/hob_mod.htm. 2. The Free Encyclopedia “Wikipedia”, “Bell Boeing V-22 Osprey”, available at:

http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_Boeing_V-22_Osprey. 3. Official site of Michigan Technical University, “Cohen Coon Tuning Method”, available at:

http://www.chem.mtu.edu/~tbco/cm416/cctune.html. 4. Yzerman, M.A. (2005), “Classical Mechanics”, Fizmatlit, Moscow, Russian.

Надійшла до редакції: Рецензент: 31.03.2014 д-р техн. наук, проф. Ткаченко В.М.


44

Р.В.Федюн, Е.В.Пихно ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Математична модель польоту конвертоплана. Виконано аналіз літального апарату - конвертоплана, складена його математична модель на базі опису технічної реалізації. Отримана безперервна математична модель була трансформована в цифровий вигляд з низкою припущень за умовами, які дозволили значно зменшити складність. На базі цього були розроблені регулятори для контурів управління по висоті і по швидкості руху. Ключові слова: конвертоплан, нелінійна математична модель, цифрова система, регулятор нелінійної системи, моделювання нелінійної системи.

R.V. Fedyun, Ye.V. Pikhno Donetsk National Technical University Mathematical model of tiltrotor flight. We made an analysis of tiltrotor aircraft and developed its mathematical model based on the description of the technical implementation. The obtained continuous mathematical model was transformed into digital form. On the basis of this we developed a controller for control circuit by height and speed of movement. Keywords: tiltrotor, nonlinear mathematical model, digital system , controller of nonlinear system, modeling of nonlinear systems.

Федюн Роман Валерьевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование и автоматическое управление технологическими процессами в промышленности.

Пихно Эдуард Викторович, Украина, студент магистратуры Донецкого национального технического университета, кафедра автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование и управление движущимися объектами.


© Федюн Р.В., Табаленкова Т.В., Попов В.А., 2014 45

УДК 66-933.6

Р.В. Федюн (канд. техн. наук, доц.), Т.В. Табаленкова, В.А.Попов (канд. техн. наук, доц.) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк


АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ТЭС

Выполнен анализ системы химической очистки воды как объекта автоматического управления. Поскольку процесс химической очистки воды представляет собой совокупность нескольких процессов, то система автоматического управления представлена двумя контурами управления технологическими параметрами. Главным регулируемым параметром является значение pH в осветлителе, дополнительным, который представлен в виде возмущения, температура питательной воды в теплообменнике. Разработаны математические модели предложенных контуров САУ химической очистки воды. Выбраны регуляторы и определены их настроечные параметры. Выполненное моделирование динамических процессов в САУ подтвердило эффективность предложенных законов управления. Ключевые слова: химическая очистка воды, pH-параметр, температура питательной воды, система автоматического управления, ПИД-регулятор, математическое моделирование.

Общая постановка проблемы В настоящее время вода широко используется в различных отраслях промышленности

в качестве теплоносителя, в том числе и в тепловой энергетике, но она не может применяться в теплоэнергетических установках без предварительной обработки, поскольку современные тепловые электростанции (ТЭС) в энергетическом цикле используют воду высокого качества. Оборудование современных ТЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Качество обработки воды на ТЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью энергетических установок.

Постановка задач исследования Для создания системы автоматического управления процессом химической очистки

воды необходимо решить следующие задачи: - выполнить анализ особенностей процесса химической очистки воды с точки зрения

автоматического управления; - получить математическое описание объекта управления по каждому контуру; - разработать необходимые алгоритмы управления в САУ химической очистки воды с

учетом технологических требований и ограничений; - выполнить моделирование динамических режимов в контурах разработанной САУ

для проверки эффективности предложенных алгоритмов управления. Решение задач и результаты исследований Система химической очистки воды состоит из нескольких взаимосвязанных процессов.

Первым процессом является подогрев питательной воды. На этой стадии происходит нагрев исходной воды паром с коллектора собственных нужд ТЭС на подогревателе сырой воды (ПСВ) до температуры 30±10С. Исходная вода поступает в пароподогреватель, куда подается и пар. Поскольку температура, до которой необходимо нагреть исходную воду строго задана (300С), то поступление пара будет осуществляться при постоянном давлении, а нагрев


46

происходит за счет изменения расхода пара. На выходе из пароподогревателя получаем воду с заданной температурой, которая поступает в осветлитель, где и происходит начальный этап очистки воды. Вода поступает через распределительное устройство в воздухоотделитель, оттуда по отводящей линии через регулирующее сопло направляется в смесительную часть нижнего конуса осветлителя. Сюда же подается известковое молоко и раствор коагулянта. Перемешивание воды и реагентов обеспечивается за счет тангенциального подвода воды в коническую часть корпуса. Технологическая схема объекта представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема процесса химической очистки воды

Исходя из всего вышеприведенного, можно выделить два контура управления САУ: - контур стабилизации температуры питательной воды в нагревательном

теплообменнике; - контур стабилизации pH-параметра в осветительном баке. Первый контур, а именно стабилизация pH-параметра в осветительном баке, является

основным (рис.2). Осветление воды состоит из двух процессов: известкования и коагуляции. Целью процесса коагуляции совмещенного с известкованием является получение на выходе воды с заданными показателями качества, значение рH которой будет соответствовать необходимому. Параметр рH необходимо поддерживать в диапазоне значений 10,1 – 10,2. Температура подогретой воды будет являться возмущением для данного процесса. Регулятор соотношения позволяет управлять, контролировать и изменять уровень рH. Изначально в осветлителе находится вода, нагретая до определенной температуры. Первым веществом подается кислота, расход которой определяется экспериментальным методом и колеблется в пределах от 0,25-0,75 мг-экв/л. Далее, в зависимости от расхода кислоты, будет определен расход щелочи. Расход кислоты (Fкис) является ведущим потоком, а расход щелочи (Fщел) – ведомым. Тогда основной технологической целью процессов коагуляции и известкования является получение очищенной воды с 2,10pH , а целью управления будет стабилизация значения рH на выходе установки для процесса осветления воды (рис.2).

Рисунок 2 – Структурная схема САУ pH-параметром в осветлителе


47

Объект управления – осветлитель описывается дифференциальным уравнением первого порядка с запаздыванием [1,2], и поэтому его математическое описание имеет следующий вид:

peTp

kpW

1)( .

Для применяемого объекта эти значения равны: 02,0k , 25Т с, 9 с [1,2]. Вентиль выполняет функции регулирующего органа. Примем, что подача щелочи,

осуществляемая вентилем, пропорциональна углу ее открытия, изменяющегося от 00 до 900 . Это значит, что при максимальном открытии вентиля, равном 900, подача щелочи в осветлитель максимальная и она равна 1920 мг-экв/час. Значит, вентиль может быть представлен пропорциональным звеном (усилителем), коэффициент усиления которого равен 34,2190/1920 k (мг-экв/час)/(градус поворота).

Поскольку выходной величиной исполнительного механизма является угол поворота, а управляющей величиной является напряжение, которое приводит к вращению вала с частотой, пропорциональной напряжению якоря, то, учитывая, что угол поворота вала равен интегралу от частоты его вращения, можно представить двигатель постоянного тока блоком интегрирования. Этот блок интегрирует входную величину до тех пор, пока его выходной сигнал не достигнет граничных значений. Дальнейшее интегрирование осуществляется только тогда, когда сигнал становится таким, что изменение выходного сигнала направлено внутрь диапазона ограничения.

Датчик pH находится в главной обратной связи. Поскольку в блоке задающего устройства значение pH задается в единицах, то есть ,2,10pH то при моделировании, для удобства восприятия результатов и задания уровней стабильного pH целесообразно задать значение усиления обратной связи, где находится датчик, равным единице. Естественно, при реализации САР этот момент учитывается, и усиление дополнительного усилителя обратной связи должно быть перенесено в усиление регулятора (путем перемножения). Тогда коэффициент преобразования будет равен k=20/10,2=1,96 мА.

Датчик расхода щелочи представляется также пропорциональным звеном с коэффициентом усиления: k=20/1920=0,0104 мА. Поскольку в данной системе необходимы два регулятора, то для внешнего контура управления выбран ПИД-регулятор, с передаточной функцией в следующей форме:

pTр

kkpW ДИ

ПP )( .

На основе рекомендуемых значений [3,4] и путём экспериментального уточнения были получены настройки 8,2пk ; 1,0иk ; 8,2ДТ . Для внутреннего контура управления ПД-регулятор с передаточной функцией, которая представлена в следующем виде:

рТkpW ДПP )( . Для данного регулятора получены настройки: 1pk , 1ДT . Рассмотрим контур соответствующий возмущению, а именно стабилизацию

температуры питательной воды. Основной регулируемой величиной подогревателя является температура питательной воды, которую требуется поддерживать на заданном уровне с высокой точностью.

Выполненный анализ процесса подогрева питательной вода позволил выделить управляющие, управляемые величины и возмущающие воздействия [5,6]. Управляющие воздействия: расход пара. Управляемые величины: температура питательной воды. Возмущающие воздействия: расход питательной воды.


48

Получим математическую модель САУ температуры в теплообменнике. На основании приведенной схемы объекта, исходя из поставленных задач, получена следующая структурная схема данного контура управления (рис. 3).

Рисунок 3 – Структурная схема САУ температуры в теплообменнике

Динамика объекта по каналу управления температурой жидкости на выходе

описывается математической моделью в виде апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием [6,7]:

p

в

в epTkpW

1

)( .

Для применяемого объекта эти значения 015,0вk сТ в 3,7 2 с [6,7]. Управляющее воздействие на пароподогреватель - изменение расхода пара реализуется

при помощи регулирующего органа – регулирующей заслонки РЗ. По динамическим свойствам данный регулирующий орган можно описать реальным интегрирующим звеном [8,9]:

11)(

Tp

kpT

pW рз

рзрз .

Из технических характеристик регулирующей заслонки и ее электропривода определены параметры передаточной функции: 1,1рзТ с; 4,1T с; 8,0рзК кг/В∙с. Для данного контура управления выбран ПД-регулятор с передаточной функцией в следующей форме:

рТkpW ДПP )( . Для данного регулятора получены настройки: 13pk , 80ДT [3,4]. Используя данные

значения, получена модель САУ химической очистки воды с предложенными алгоритмами управления (рис.4).

Результаты моделирования динамических процессов в САУ представлены на рисунках 5, 6, 7, 8. Анализ результатов моделирования показал удовлетворительное качество переходных процессов в рассмотренном контуре управления процессом химической очистки воды. Проведя отдельно моделирование возмущения (рисунок 5), а именно контура регулирования температуры в теплообменнике, можно сказать о качестве процесса нагрева. Время, за которое устанавливается значение, составляет 40 с; перерегулирование не превышает 5% и составляет 0,4%, установившееся значение соответствует требуемому, переведенному в электрический сигнал, а именно CмАСмАt 00 /667,030/20 , а установившееся значение сигнала ошибки стремится к нулю.


49

Рисунок 4 – Модель САУ процесса химической очистки воды при использовании

выбранных законов регулирования

Рисунок 5 - Переходный процесс в САУ температуры с ПД-законом управления

Моделирование процесса осветления в целом так же показало положительный

результат (рис. 6). Время, за которое устанавливается значение, составляет 100 с, что соответствует технологическому регламенту.

Рисунок 6 – Переходный процесс в САУ pH-параметра с ПИД и ПД-законом управления.


50

По переходной характеристике, представленной на рисунке 8, можно говорить о правильной и эффективной работе регулирующего органа, поскольку максимальный угол открытия вентиля составляет 430. Как показывает практика, регулирующие органы не работают на максимальных углах, что составляет 900.

Рисунок 7 – Переходная характеристика, соответствующая положению регулирующего

органа

Рисунок 8 – Переходная характеристика САУ химической очистки воды с учетом

возмущающих воздействий

Возмущающее воздействие приводит к небольшим допустимым отклонениям, которые восстанавливаются за допустимый промежуток времени, а именно 50 с, как показано на рисунке 9. Таким образом, предложенные законы регулирования с полученными настроечными параметрами подходят для САУ процесса химической очистки воды. Как видно из рисунка 9, значение выходной величины САУ точно соответствует требуемому уровню pH, процесс плавный, с достаточным быстродействием. Показатели качества САУ соответствуют требуемым.

Выводы 1. Выполненный анализ процесса химической очистки воды позволил представить его

в виде совокупности взаимодействующих контуров управления. 2. Предложенные математические модели процесса химической очистки воды

позволили исследовать динамические процессы в объекте управления, по результатам которых сделан вывод о необходимости синтеза новых алгоритмов управления.

3. Использование предложенных регуляторов с соответствующими настройками позволило устранить статическую ошибку, улучшить динамические показатели качества, что подтверждается результатами моделирования.


51

Список использованной литературы 1. Федюн Р.В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической

водоочистки / Р.В. Федюн, В.А. Попов, Т.В. Найденова // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2010. - Випуск 20 (158). – С. 30 – 37.

2. Федюн Р.В. Математична модель технологічного процесу біохімічного водоочищення / Р.В. Федюн, Т.В. Найдьонова, Р.В. Юрченко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2012. - Випуск 22(200). - С. 48-55.

3. Дорф Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп. - М.: Лаборатория Базовых знаний. – 2002. - 832 с.

4. Лукас В.А. Теория управления техническими системами: учебный курс для вузов / В.А. Лукас. - Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2002. - 675 с.

5. Федюн Р.В. Автоматическое управление теплоснабжением спортивного комплекса / Р.В. Федюн, А.Ю. Абакумов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2013. - Випуск 1(24). - С. 64-71.

6. Червинский В.В. Математическая модель процессов теплообмена и дезинфекции воды в ваннах бассейнов / В.В. Червинский, С.В. Пазуха // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2011. - Випуск 20(182). - С. 74-81.

7. Турупалов В.В. Математическое описание процесса теплообмена в противоточных теплообменных аппаратах / В.В. Турупалов, Н.Н. Чернышев, А.А. Прядко // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2011. - Випуск 21 (183). – С. 54 – 59.

8. Федюн Р.В. Автоматичне управління гідравлічними параметрами системи водопостачання / Р.В. Федюн, В.О. Попов, В.О. Бунєєв // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2008. - Випуск 14 (129). – С. 54 – 63.

9. Ефимов В.Т. Методы расчетов в автоматизации химико-технологических и теплоэнергетических процессов: учебное пособие / В.Т. Ефимов, В.И. Молчанов, А.В. Ефимов. - Харьков, 1998.

10. Федюн Р.В. Синтез САУ температурой в нагревательном теплообменнике системы теплоснабжения / Р.В. Федюн, А.Ю. Абакумов // [«Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих»]: збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів, (Донецьк, 14-17 травня 2013 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 203-205.

References 1. Fedyun, R.V., Popov, V.A. and Naydyenova,T.V. (2010), “Principles of construction the

dynamic model of the process a biochemical water treatment”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 20 (158), pp. 30 – 37.

2. Fedyun, R.V., Naydyenova,T.V. and Yurchenko, R.V. (2012), “A mathematical model of the process of biochemical water treatment”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 22 (200), pp. 48 – 55.

3. Dorf, R. and Bishop, R. (2002), “Sovremennye sistemy upravlenija”, Moscow, Laboratorija Bazovyh znanij.

4. Lukas, V.A. (2002), “Teorija upravlenija tehnicheskimi sistemami”, Ekaterinburg, Izdatel'stvo UGGGA.

5. Fedyun, R.V. and Abakumov, A.Ju. (2013), “Automatic control system of heat supply in sport complex”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 1(24), pp. 64-71.


52

6. Chervinskij, V.V. and Pazuha, S.V. (2011), “Mathematical model of heat transfer and water disinfection baths pools”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 20(182), pp. 74 – 81.

7. Turupalov, V.V., Chernyshev, N.N. and Prjadko, A.A. (2011), “Mathematical description of the heat transfer process in the countercurrent heat exchangers”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 21(183), pp. 54 – 59.

8. Fedyun, R.V., Popov, V.A. and Buneev, V.A. (2008), ”Automatic control by hydraulic parameters of the water supply system”, Naukovi praci DonNTU. Serija: Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija, Donetsk, DonNTU, vol. 14 (129), pp. 54 – 63.

9. Efimov, V.T., Molchanov, V.I. and Efimov, A.V. (1998), “Metody raschetov v avtomatizacii himiko-tehnologicheskih i teplojenergeticheskih processov: Uchebnoe posobie”, Har'kov.

10. Fedyun, R.V. and Abakumov, A.Ju. (2013), “ACS synthesis temperature in the heating system heat exchanger”, Zbіrnik naukovih prac' ХІII naukovo-tehnіchnoї konferencії aspіrantіv ta studentіv v m. Donec'ku, Avtomatyzacija tehnologichnyh ob’jektiv ta procesiv. Poshuk molodyh, Donetsk, Ukraine, 14-17 May 2013, pp. 203-205.


Р.В.Федюн, Т.В.Табаленкова, В.О.Попов ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Автоматизація процесу хімічного очищення води ТЕС. Виконано аналіз системи хімічного очищення води як об'єкта автоматичного управління. Оскільки процес хімічного очищення води являє собою сукупність декількох процесів, то система автоматичного управління представлена двома контурами управління технологічними параметрами. Головним регульованим параметром є значення pH в освітлювачі, а побічним, який представлений у вигляді збурення, температура живильної води в теплообміннику. Розроблено математичні моделі запропонованих контурів САУ хімічного очищення води. Обрані регулятори та визначено їх параметри настройки. Виконане моделювання динамічних процесів в САУ підтвердило ефективність запропонованих законів управління. Ключові слова: хімічне очищення води, pH-параметр, температура живильної води, система автоматичного управління, ПІД- регулятор, математичне моделювання.

R.Fedyun, T.Tabalenkova, V.Popov Donetsk National Technical University Automating the process of chemical water treatment at a thermal power plant. Chemical water treatment is a complex process, which is a set of subsystems, which consist of heat exchangers, fixtures, pipes, pumps, valves and motors that drive the system. The task of chemical water treatment is trouble-free operation of all components of the installation, provided quality water purification and waste minimization, with its lowest cost, greatest simplicity and reliability of a given water treatment system. Analysis of this question showed that the process of chemical water treatment is a multidimensional object, the effective functioning of which is impossible without modern automation systems. This paper examines two interrelated systems: stabilization of water temperature in the heat exchanger, the stabilization of pH- setting in an illuminator. We obtained mathematical descriptions of each circuit and developed a mathematical model of chemical treatment of water. PH- stabilization parameter in the illuminator is a complex system, which is implemented by means of the ratio regulator. For this system two controls were needed: for the external control loop we selected PID and internal PD controller whose settings were based on the recommended values and by experimental verification. Stabilization of


53

the temperature in the heat exchanger was presented as a perturbation for the first system. For this circuit we used PD controller. We simulated resulting mathematical model of the chemical treatment of water. Analysis of the results showed satisfactory performance of the above transients. Simulation results lead to the following conclusions: the time during which the temperature parameter and pH- parameter were set, matches the technical task, the value of overshoot does not exceed 5 %, the value of the error signal tends to zero and the disturbance leads to small admissible deviations that are recovered for allowable time. Regulatory body is correct and effective, since the maximum valve opening angle is half of the maximum possible nominal values. Thus, the proposed regulation laws with those obtained tuning parameters showed quite a smooth process with sufficient speed and the quality of indicators ACS is as required. Keywords: chemical water treatment, pH-setting, temperature of feed water, automatic control system, PID controller, mathematical modeling.

Федюн Роман Валерьевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд. тех. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование и автоматическое управление технологическими процессами в промышленности.

Табаленкова Татьяна Викторовна, Украина, магистратура в Донецком национальном техническом университете, факультет компьютерных информационных технологий и автоматика, кафедра автоматики и телекоммуникаций (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование и управление технологическими процессами в промышленности.

Попов Владислав Александрович, Украина, закончил Донецкий политехнический институт, канд. тех. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – автоматизация технологических процессов и производств.


© Ченгарь О.В., 2014 54

УДК 004.942

О.В. Ченгарь (канд. техн. наук) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра автоматизированных систем управления e-mail: [email protected]

МЕТОД ПАРЕТО-ОПТИМИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО РАСПИСАНИЯ НА ОСНОВЕ «НАПРАВЛЕННОГО» МУРАВЬИНОГО АЛГОРИТМА

В статье рассмотрены вопросы формирования расписания загрузки технологического оборудования машиностроительного предприятия, которое является результатом решения многокритериальной задачи, основанной на концепции доминирования Парето применительно к методу муравьиных колоний, с целью учёта нескольких факторов, влияющих на планирование производства, и для обеспечения высокой эффективности функционирования участка механообработки. Ключевые слова: многокритериальная оптимизация, пространство критериев, доминируемые и недоминируемые решения, фронт Парето, взвешенная сумма критериев, «направленный» муравьиный алгоритм.

Общая постановка проблемы и анализ литературы В рамках оперативного управления одной из важнейших проблем является проблема

планирования загрузки технологического оборудования. Как показывает практика, в реальной производственной ситуации создается не оптимальный, а рациональный план. В связи с этим своевременным является подход, который обеспечивает использование не одного критерия, а позволяет осуществлять проигрывание и анализ вариантов плана, основываясь на группе критериев. Кроме того, противоречие между требованиями эффективного использования оборудования и соблюдением сроков выпуска можно в значительной мере ослабить, перейдя от регламентации сроков к заданию приоритетов, т.е. частично упорядоченной последовательности изготовления деталей. Приоритеты могут оперативно меняться исходя из текущих потребностей. Так на практике в реальной производственной обстановке необходимо сформировать график работ, основываясь не на одном критерии эффективности, а одновременно учитывая несколько. И полученное таким образом расписание должно быть субоптимальным относительно выбранных критериев одновременно. Так становится актуальной задача многокритериальной оптимизации производственного расписания, трудность работы с которой представляет природа условий оптимальности для множества критериев.

Многокритериальная оптимизация основана на поиске решения, которое является лучшим одновременно для нескольких функций [1,2]. Это требует применения специальных методов, которые существенно отличаются от стандартной техники, ориентированной на оптимизацию одной функции. В общем виде задачу многокритериальной оптимизации можно сформулировать следующим образом (1):

}(x)fz(x),...,fz(x),fz{max(min) qq2211 , m1,2,...,i0,(x)g i , 0x , (1) где (x)fq – функция-критерий; q – количество критериев; (x)g i – ограничение задачи; m – количество ограничений.


55

Согласно принципу доминирования Парето, потенциальные решения многокритериальной проблемы удобно классифицировать на доминируемые и недоминируемые решения [2]. Решение X называется доминируемым, если существует решение Y, не хуже чем X по всем критериям, то есть для всех оптимизируемых функций

q),…1,=(i f i : )y(f)x(f ii для всех ki1 при максимизации функции if и )y(f)x(f ii для всех ki1 при минимизации функции if .

Если решение не доминируемо никаким другим решением, то оно называется недоминируемым или оптимальным в смысле Парето.

Анализ ряда научных работ и публикаций [3-6], посвящённых современных методов решения задачи многокритериальной оптимизации, показывает, что одним из самых перспективных подходов является вопрос построения аппроксимации множества Парето на основе эволюционных алгоритмов. Принципиальным в этих методах является не использование именно эволюционных алгоритмов, а правила формирования фитнесс-функции, обеспечивающие перемещение индивидов популяции, в конечном счете, в направлении множества Парето [5]. Эволюция же этих индивидов может протекать по законам, отличным от законов, используемых в эволюционных алгоритмах, например, по законам движения популяции муравьев в муравьином алгоритме. Таким образом, становится актуальной задача многокритериальной оптимизации основанной на так называемых «популяционных» методах Парето-аппроксимации, например методе муравьиных колоний.

Целью работы является применение концепции доминирования Парето к «направленному» муравьиному алгоритму за счет формирования «общей» целевой функции, состоящей из отдельных целевых функций в виде взвешенной суммы, с целью учёта нескольких факторов, влияющих на планирование производства.

Постановка задач исследования В предыдущих работах [7-9] была рассмотрена задача синтеза субоптимального

производственного расписания, для решения которой выбиралась некоторая числовая функция F(G) (функция-критерий), определенная на всех графах G(i), что ставило в соответствие каждому графу G(i) определенное число F(Gi). При этом наилучшему графу соответствовал экстремум функции F(G). Таким образом, задача сводилась к тому, чтобы построить граф, который удовлетворяет всем сформулированным в задании ограничениям, на котором функция F(G) достигает своего экстремального значения [8].

Обоснование выбора того или иного критерия эффективности является ответственной и далеко не всегда очевидной задачей. Трудность состоит в том, что различные критерии оптимальности зачастую оказываются противоречивыми, оптимизация по одному критерию приводит к ухудшению качества по другому критерию. Для решения данной проблемы целесообразно использование интегрированного критерия, например суммы частных критериев с некоторыми экспертно назначенными коэффициентами. Однако такой подход также нуждается в серьезном обосновании, в первую очередь, из-за значительного произвола при выборе структуры интегрированного критерия и назначении коэффициентов.

В основе муравьиных алгоритмов лежит использование множества потенциальных решений в различных направлениях глобального поиска, т.к. они не предъявляют никаких требований к виду целевых функций и ограничений [7]. Поэтому при многокритериальной оптимизации выполняется поиск не одного пути популяции муравьёв по вершинам графа, а множество вариантов путей для каждой популяции муравьёв, оптимальных в смысле Парето.

При многокритериальной оптимизации выполняется поиск не одного пути популяции муравьёв по вершинам графа, а множество вариантов путей для каждой популяции муравьёв, оптимальных в смысле Парето и центральным вопросом является формирование целевой функции. Проведенный анализ [10] показал эффективность метода взвешенной суммы, при


56

котором определяется вес каждого критерия, входящего в целевую функцию. Этот подход является одним из самых популярных и естественным развитием классических методов оптимизации, где «общая» целевая функция строится из отдельных целевых функций в виде взвешенной суммы (2):

k

1iii (x)fwF(x) , 1w

k

1ii

, (2)

где wi – вес каждого критерия, входящего в целевую функцию; k – количество критериев. Для поставленной задачи планирования загрузки технологического оборудования

производственного участка одновременно по нескольким критериям эффективности целесообразно применение метода Парето-оптимизации, основанного на «направленном» муравьином алгоритме с адаптивными весами.

Метод Парето-оптимизации, основанный на «направленном» муравьином алгоритме с адаптивными весами

Как правило, в реальной производственной ситуации проблематично определить градацию критериев эффективности в прядке возрастания их важности, а, соответственно, выделить приоритеты и назначить необходимые весовые коэффициенты для интегрированной целевой функции. Таким образом, использование адаптивных весов в интегрированном критерии оптимальности отражает тенденцию переменного направления поиска, более приспособленного для поиска фронта решений.

Тогда структура многокритериального подхода основанного на «направленном» муравьином алгоритме с адаптивными весами может быть представлена следующим алгоритмом (рис. 1).

Так для каждой цели fk(x) определяется свой вес wk (4). Скалярное значение новой целевой функции при этом вычисляется путем суммирования взвешенных значений q критериев оптимальности. Для параллельного поиска кратных решений веса не фиксируются, что дает возможность «направленному» муравьиному алгоритму расширить фронт по всем направлениям.

В представленном алгоритме на каждой итерации по определённому критерию оптимизации формируется множество решений на основе «направленного» муравьиного алгоритма. Далее для исследуемых решений определяются максимальная и минимальная экстремальные точки в пространстве заданных критериев (3):

}z,...,z,{zz maxq

max2

max1 , }z,...,z,{zz min

qmin2

min1 , (3)

Для каждого критерия максимальное и минимальное значение определяется следующим образом (4):

q1,2,...,kP},x|(x)max{fz kmaxk , q1,2,...,kP},x|(x)min{fz k

mink , (4)

где minkz и max

kz - минимальное и максимальное значение для k-ой цели по заданному критерию;

q – число критериев оптимальности P – множество решений по заданному критерию. В итоге получаем гиперплоскость, определяемую двумя экстремальными точками, и

содержащую все текущие решения. Указанные две экстремальные точки обновляются на каждой итерации.

При этом адаптивный вес k-ой цели определяется соотношением (5).

q1,2,...,k,zz

1w mink

maxk

k

. (5)


57

Рисунок 1 – «Направленный» муравьиный алгоритм с адаптивными весами


58

Для каждой цели на основе выбранных критериев эффективности устанавливаются средневзвешенные весовые коэффициенты значимости, которые нормируются внутри группы (6).

q1,2,...,k,w

w

1

kнорм.k

q

iiw

. (6)

Тогда на каждой итерации взвешенная целевая функция определяется согласно следующему выражению (7):

q

1k

minkk

норм.k )z(x)(fwz(x) . (7)

Все исследуемые решения Парето лежат в пространстве z и в течение процесса поиска решения каждой популяцией муравьев, гиперплоскость последовательно приближается к положительной (или отрицательной) идеальной точке. Так данный метод позволяет корректировать веса целевой функции и направляет поиск решений в нужном направлении.

Поскольку у каждого из критериев оптимальности может быть своя точность решения [9], которая достигается при различном количестве итераций (nt), для определения nt были проведены экспериментальные исследования и в качестве критерия останова при решении многокритериальной задачи выбирается максимальное значение из всего количества итераций по разным критериям.

Экспериментальное исследование предложенного метода Анализируя критерии эффективности, можно выделить ряд целей, пригодных для

исследования многокритериальной задачи планирования загрузки технологического оборудования. Критерии отбирались исходя из того, чтобы цели оптимизации не противоречили друг другу, оптимизация проводилась в одном направлении (минимизация или максимизация), а также исходя из требований реальной производственной ситуации. На основании выше изложенного, были отобраны следующие комбинации критериев эффективности:

1) минимизировать нарушение крайних сроков изготовления заказа при минимальной длительности цикла изготовления деталей;

2) минимизировать нарушение крайних сроков изготовления заказа при минимизации времени переналадок оборудования;

3) минимизировать длительность изготовления деталей при минимизации времени переналадок оборудования;

4) минимизировать нарушение крайних сроков изготовления заказа при минимальной длительности цикла изготовления деталей и времени переналадок оборудования.

Поскольку оптимизация происходит по двум критериям, то возможна ситуация, когда существует более одного решения, называемых Парето-фронтом. Поэтому в реальной производственной ситуации довольно актуальным становится вопрос о выявлении одного «хорошего» решения в достаточно короткие сроки. В связи с этим необходимо для каждого определённого производственного участка на стадии отладки алгоритма экспериментально подбирать все упраляющие параметры. Экспериментально было выявлено, что при производственной программе на месяц, включающей 3 наименования деталей в общем количестве примерно 200 шт., максимальное число итераций, необходимое для получения субоптимального по Парето решения составляет nt=100.

На рисунке 2 приведен результат для I варианта многокритериальной задачи оптимизации, с применением «направленного» муравьиного алгоритма.


59

Рисунок 2 – Результат Парето-оптимизации двухкритериальной задачи

Для большей наглядности представленная задача отображена в пространстве критериев в порядке приближения решения к Парето-оптимальному. Жирными точками обозначены все доминируемые точки, получаемые в процессе работы алгоритма. Прямыми отмечено последовательное приближение адаптивной линии к недоминируемым решениям исходя из количества популяций муравьёв. Точкой условного минимума, то есть решением рассматриваемой задачи, является нижняя точка пересечения допустимой области с адаптивной прямой, построенной на заданном количестве итераций.

Аналогичные действия были проведены и для других вариантов выбора критериев, включая и трехкритериальную задачу. Результаты решения предложенных тестовых заданий позволяют сделать вывод об успешности выполненной модификации метода муравьиных колоний и концепции доминирования Парето – точки расположены практически равномерно и по всему множеству критериев, адаптивная прямая последовательно движется к недоминируемым точкам, приближаясь таким образом к Парето-оптимальному решению.

Выводы С целью учёта нескольких факторов, влияющих на планирование производства,

проведено исследование многокритериальной задачи. Вследствие чего установлено, что для обеспечения высокой эффективности функционирования участка механообработки целесообразно формирование производственного расписания с применением метода Парето-оптимизации, основанного на «направленном» муравьином алгоритме с адаптивными весами, который позволяет перебирать все пространство решений для каждой популяции муравьёв и выбирать из них варианты, оптимальные в смысле Парето.

Экспериментальное исследование предложенного метода позволило утверждать, что при введении дополнительных критериев эффективности, задача выбора субоптимальных решений значительно усложняется, однако эффективность методов существенно не снижается. Так по различным критериям эффективности расхождения результатов однокритериальной и двухкритериальной задач находятся в пределах 1÷3%, а однокритериальной и трехкритериальной задач – в пределах 6÷8,5%, что является допустимым.


60

Список использованной литературы 1. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход /

В.Д. Ногин. - М.: Физматлит, 2005. - 176 с. 2. Подиновский В.В. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач / В.В.

Подиновский, В.Д. Ногин. - М.: Физматлит, 2007. - 256 с. 3. Zitzler E. Comparison of Multiobjective Evolutionary Algorithms: Empirical Results / Zitzler

E., Deb K., Thiele L. // Evolutionary Computation, - 2000, Vol. 8(2), pp. 173-195. 4. Deb K. Multi-objective optimization using evolutionary algorithms / Deb K. - Chichester, UK:

Wiley, -2001, P. 518. 5. Mostaghim S. Strategies for Finding Good Local Guides in Multi-objective Particle Swarm

Optimization (MOPSO) / Mostaghim S., Teich J. // In: Swarm Intelligence Symposium, 2003. SIS '03. Proceedingsofthe. - 2003, pp. 26 – 33.

6. Ченгар О.В. Аналіз методів, моделей, алгоритмів оперативного планування роботи виробничої ділянки / О.В. Ченгар, Ю.О. Скобцов, О.І. Секірін // Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». – 2010. – Випуск 18(169). – С.133-140.

7. Ченгарь О.В. Оптимизация работы производственного участка машиностроительного предприятия на основе метода муравьиных колоний / Ю.А. Скобцов, О.В. Ченгарь // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Інформатика і моделювання. – 2010. - №31. – С. 177-183.

8. Ченгарь О.В. Разработка «направленного» муравьиного алгоритма для оптимизации производственного расписания / О.В. Ченгарь // Вестник Херсонского национального технического университета. – 2013. - №1(46). - C. 212-217.

9. Ченгарь О.В. Имитационный алгоритм моделирования организационно-технологических процессов в гибкой производственной системе / О.В. Ченгарь // Известия южного федерального университета. Технические науки. – 2013. – № 4.

10. Соболь И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями: Учебное пособие для ВУЗов / И.М.Соболь, Р.Б. Статников. - М.: Дрофа, 2006. - 175 с.

References 1. Nogin, V.D. (2005), Prinyatie resheniy v mnogocriterialnoy srede: kolichestvenniy podhod

[Multicriteria solution making environment: a quantitative approach], Fizmalit, Moscow, Russia.

2. Polinovsciy, V.V and Nogin, V.D. (2007), Pareto-optimalnie resheniya mnogocriterialnih zadach, [Pareto-optimal solutions of multiobjective problems], Fizmalit, Moscow, Russia.

3. Zitzler, E., Deb, K. and Thiele, L. (2000), “Comparison of Multiobjective Evolutionary Algorithms: Empirical Results”, Evolutionary Computation, vol. 8(2), pp. 173-195.

4. Deb, K. (2001), Multi-objective optimization using evolutionary algorithms, Chichester, Wiley, UK.

5. Mostaghim, S. and Teich, J. (2003), “Strategies for Finding Good Local Guides in Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO)”, In: Swarm Intelligence Symposium, SIS '03, Proceedingsofthe, pp. 26 – 33.

6. Chengar, O.V., Skobtsov, Y.A. and Sekirin, A.I. (2010), “Analysis of methods, models, algorithms of operational planning of work of an industrial site”, Naukovi praci DonNTU. Seriya: Obchislyvalna tehnica ta avtomatizaciya, no. 18(169), pp. 133-140.

7. Chengar, O.V. and Skobtsov, Y.A. (2010), “Machine-building enterprise production work area optimization on the basis of ant colony method”, Visnik Nacionalnogo tehnichnogo universitetu HPI. Tematichniy vipusk: Informatica i modelyvannya, no. 31, pp. 177-183.

8. Chengar, O.V. (2013), “Development of "directional" ant algorithm to optimize the production schedule”, Bulletin Kherson national technical university, no. 1(46), pp. 212-217.


61

9. Chengar, O.V. (2013), “The imitating algorithm of modeling of organizational-technological processes in a flexible production system”, Izvestiya ujnogo federalnogo universiteta. Tehnicheskie nauki, no 4, pp. 128-134.

10. Sobol, I.M. and Statnikov, R.B. (2006), Vibor optimalnich parametrov v zadachah so mnogimi kriteriyami: Uchebnoe posobie dlya VUZov [Choice of optimal parameters in problems with many criteria: Textbook for High Schools], Drofa, Moscow, Russia.

Надійшла до редакції: Рецензент: 05.05.2014 д-р техн. наук, проф. Скобцов Ю.О.

О.В. Ченгар ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Метод Парето-оптимізації виробничого розкладу на основі «спрямованого» мурашиного алгоритму. У статті розглянуті питання формування розкладу завантаження технологічного обладнання машинобудівного підприємства, яке є результатом рішення багатокритеріальної задачі, що заснована на концепції домінування Парето стосовно до методу мурашиних колоній, з метою врахування декількох факторів, що впливають на планування виробництва, і для забезпечення високої ефективності функціонування ділянки механооброблення. Ключові слова: багатокритеріальна оптимізація, простір критеріїв, доміновані й недоміновані рішення, фронт Парето, зважена сума критеріїв, «спрямований» мурашиний алгоритм.

О.V. Chengar Donetsk National Technical University Pareto-optimization technique for the production scheduling based on the "directed" ant algorithm. The article describes creating of the schedule of equipment loading process at engineering enterprise that is the result of solving the multicriterion task, based on the Pareto concept of dominance as applied to the ant colonies technique. This concept is used to account for several factors that affect the production planning and to ensure high efficiency of the machining section. Key words: multicriterion optimization, criteria space, dominated and non-dominated solutions, Pareto front, weighted sum of criteria, "directed" ant algorithm.

Ченгарь Ольга Васильевна, Украина, закончила Донецкий государственный технический университет, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматизированных систем управления ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – методы оптимизации производственного расписания, основанные на направлении Natural Computing (Природные вычисления).


© Чернышев Н.Н., Волуева О.С., 2014 62

УДК 681.5:661.2

Н.Н. Чернышев (канд. техн. наук, доц.), О.С. Волуева ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк


КОМПЕНСАЦИЯ ЗАРАСТАНИЯ КАНАЛА ДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

УРОВНЕМ МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МНЛЗ

Рассматривается система управления уровнем метала в кристаллизаторе МНЛЗ при помощи стопорного механизма. Используется принцип подчиненного управления с ПИ-законом регулирования и компенсацией интегрального насыщения. Улучшение качества регулирования в процессе разливки достигается за счет компенсации зарастания канала дозирования жидкого металла в кристаллизатор МНЛЗ. Методом компьютерного моделирования установлено, что компенсация отклонения расходной характеристики дозирующего устройства, в результате накопления неметаллических отложений в канале, позволяет в 2 раза уменьшить отклонение уровня метала в кристаллизаторе от заданного значения при изменении скорости разливки. Ключевые слова: уровень металла, кристаллизатор, неметаллические включения, дозирование металла, математическая модель, компенсатор.

Актуальность Высокая стабильность уровня металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья

заготовок (МНЛЗ) является необходимым условием получения металла высокого качества. [1,2]. Однако этот процесс подвержен влиянию возмущений, среди которых наиболее значимыми являются [1,3]:

- изменение скорости втягивания; - нелинейность характеристик элементов системы; - зарастание стакана-дозатора и погружного стакана; - размывание и разбивание стакана-дозатора. - конструктивно обусловленные возмущения: забивания, люфты и т.п. - волновые явления на поверхности металла в кристаллизаторе. Для ослабления влияния возмущающих воздействий на уровень металла применяются

комбинированные САУ, основанные на компенсации контролируемого возмущения и обратной связи по регулируемой переменной. В работах [4,5] рассмотрены методы уменьшения воздействия первых двух возмущений. Анализ работы МНЛЗ показал, что зарастание канала дозирования жидкого металла (состоящего из стакана-дозатора и погружного стакана) является серьезной проблемой, поскольку при длительной разливке происходит уменьшение его рабочего диаметра. Слой отложений влияет на характер потока металла через дозирующее устройство, формирует несимметричный поток в кристаллизаторе и в целом создает дополнительные производственные проблемы, ухудшение качества продукции, возникает угроза отрыва неметаллических включений и загрязнения слитка. Кроме того, это влияет на работу системы управления, поскольку изменяется расходная характеристика канала дозирования и существенно ограничивается максимальный расход металла в кристаллизатор [6]. Поэтому учет степени зарастания погружного стакана для коррекции управляющих воздействий формируемых системой автоматического управления уровнем металла в кристаллизаторе МНЛЗ является актуальной задачей.


63

Цель и задачи исследования Целью исследования является повышение качества управления в системе

автоматического поддержания уровня в кристаллизаторе МНЛЗ за счет учета степени зарастания канала дозирования жидкого металла в процессе разливки.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1. При определении сигнала компенсации учесть степень зарастания канала подачи

жидкого металла. 2. Разработать алгоритм автоматического определения коэффициента компенсатора с

учетом параметров расходной характеристики дозирующего устройства. Комбинированная система управления уровнем металла Для поддержания уровня металла в кристаллизаторе в работах [4,5,7] предложена

структура системы управления, представленная на рис. 1. Для компенсации неконтролируемых возмущений, используется обратная связь по регулируемым переменным – уровень металла и перемещение штока гидроцилиндра.

Рисунок 1 – Функциональная схема комбинированной системы регулирования уровня

металла в кристаллизаторе

При синтезе компенсатора скорости вытягивания заготовки тянущей клетью, применялся принцип инвариантности, который заключается в том, что отклонение выходной переменной от заданного значения должно быть равно нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях [8,9]. Однако, на практике полная инвариантность оказывается практически не осуществимой по ряду причин, одна из них - это физическая нереализуемость «идеального» компенсатора. Поэтому часто ограничиваются частичной инвариантностью (использованием статических моделей). На основании этого допущения в работе [4] найден «статический» компенсатор, который рассчитывается по формуле:

Wкомпенсатор(0)=hшток(0)/Vвыт(0)= kкомпенсатор=kвыт Sкр k-1рас, (1)

где hшток – перемещение штока, мм; Vвыт – скорость вытягивания слитка, м/мин; kвыт – коэффициент пересчета размерности, мин/с.; Sкр – площадь сечения кристаллизатора, м2; kрас – коэффициент расхода, (кг/с)/мм.

Поскольку зарастание внутренней полости погружного стакана и стакана дозатора приводит к изменению расходной характеристики, а значит изменяется коэффициент передачи kрас по каналу «высота подъема стопора – расход металла в кристаллизатор», следовательно, необходимо учесть это изменение и пересчитывать коэффициент компенсатора. Сделать это можно, если известна расходная характеристика, которая соответствует текущей пропускной способности канала дозирования металла.


64

Оценка степени зарастания канала подачи жидкого металла В работах [6,10] представлена методика определения расходной характеристики в

системе дозирования металла при помощи стопорной системы [7]. В начале работы МНЛЗ снимается исходная («эталонная») расходная характеристика стопорной системы и сохраняется в базе данных. Через определенные промежутки времени на основе данных измерений скорости вытягивания заготовки, уровня металла и линейного перемещения стопора вычисляется текущая расходная характеристика в рабочей области. Затем определяется степень ее несоответствия исходной (рис. 2).

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Y

Gэт(hst )

Gтек (hst )

hстопор, мм

Рисунок 2 - Определение степени несоответствия исходной и текущей расходной характеристики стопорной системы

Зная текущие значения величины поднятия стопора и расхода металла в

кристаллизатор можно определить актуальное значение коэффициента kактрас по формуле:

kтекрас(i)=Gтек

металл(i)/hтекстопор(i), i=1,2,3… (2)

где Gтекметалл – расход металла из промковша в кристаллизатор на i-м такте измерения, кг/с;

hтекстопор – высота подъема стопора на i-м такте измерения, мм.

Подставляя полученное значение kтекрас в формулу (1) получим формулу для

«динамического» компенсатора: kкомпенсатор(i)=kвыт Sкр (kтек

рас(i))-1, (3) для расчета значения коэффициента компенсатора с учетом параметров реальной расходной характеристики дозирующего устройства

Моделирование переходных процессов в системе управления С учетом предложенных методов оценки степени зарастания канала подачи жидкого

металла и определения коэффициента компенсатора на основе измерений основных технологических параметров процесса производства непрерывнолитых заготовок разработана имитационная модель, структурная схема которой приведена на рис. 3.

Схема включает в свой состав: ПИ регулятор уровня с противонасыщением [5], систему автоматического управления перемещением штока гидроцилиндра [3], модель стопора и кристаллизатора [3], а так же систему “«Динамический» компнесатор” реализующую определение текущих значений расхода металла в криталлизатор Gметалл, коэффициента передачи kрас и сигнала компенсации, который складывается с сигналом, формируемым регулятором уровня. Разработанная модель позволяет исследовать переходные процессы в системе управления по уровню, перемещению стопора без компенсатора, со «статичесим» или «динамическим» компенсатором изменения скорости вытягивания заготовки с помощью блока «Управляемый переключатель».


65

Уров

ень

мет

алла

1 2 *3,

Упра

вляе

мы

й пе

рекл

юча

тель

h_ш

ток_

зад

h_ш

ток_

тек

Сис

тем

а уп

равл

ения

пе

рем

ещен

ием

ги

дроц

илин

дра

3

Сиг

нал

выбо

ра п

орта

E Es

U

ПИ

рег

улят

ор с

пр

отив

онас

ыщ

ение

мО

гран

ичен

ие

скор

ости

на

раст

ания

Огр

анич

ение

на

max

(min

) з

наче

ние

V_в

ыт

h_ст

опор

L

Мод

ель

крис

талл

изат

ора

h_шт

ока

h_ст

опор

Мод

ель

стоп

орно

го

мех

аниз

ма

0.8

Зада

ние

уров

ня

0

Без

ком

пенс

атор

а

Spee

dG

roup

1

[B]

[A]

[B]

[A]

-K-

"Ста

тиче

ский

" ко

мпе

нсат

ор

V_в

ыт

h_ст

опор

L

G_м

етал

ла

Коэф

фиц

иент

kра

с

Сиг

нал

ком

пенс

атор

а

"Дин

амич

ески

й" к

омпе

нсат

ор

mm

m

mm

mm

mm

mm

m

m/m

in

Рису

нок

3 –

Схе

ма м

одел

иров

ания

ком

бини

рова

нной

сис

темы

упр

авле

ния

уров

нем

мета

лла

в кр

иста

ллиз

атор

е с

учет

ом с

тепе

ни за

раст

ания

кан

ала

пода

чи ж

идко

го м

етал

ла


66

В результате моделирования системы управления уровнем металла в кристаллизаторе были получены графики переходных процессов, представленные на рис. 4 и 5.

0 50 100 150-10

0

10

20

30

40

50

Time t, s

Mov

emen

t sto

pper

, mm

Without compensatorStatic compensatorDynamic compensator

Рисунок 4 – График перемещения стопора при изменении скорости вытягивания заготовки

0 50 100 1500.72

0.74

0.76

0.78

0.8

0.82

0.84

Time t, s

Met

al le

vel L

, m

Without compensatorStatic compensatorDynamic compensator

Рисунок 5 – График уровня металла при изменении скорости вытягивания заготовки

В качестве показателя оценки качества переходных процессов в системе использовано

среднеквадратическое отклонение уровня от заданного значения[11]:

n

kkk LL

n 1

2задист )(1 , k=1, 2,…, n, (4)

где Lkзад – k-е значение требуемого уровня металла в кристаллизаторе, м;

Lkист – k-е действительное значение уровня металла в кристаллизаторе, м;

n – объем выборки. Получены следующие значения СКО: - без применения компенсатора, σ= 0,0163; - «статический» компенсатор, σ = 0,0111; - «динамический» компенсатор, σ = 0,0039. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что использование

комбинированной системы регулирования с учетом степени зарастания канала дозирования, при расчете сигнала компенсации, позволяет уменьшить среднеквадратическое отклонение уровня от заданного значения в 2,5 раза по сравнению с системой без учета степени


67

зарастания канала дозирования и в 4 раза по сравнению с системой, которая построена по принципу обратной связи.

Выводы 1. Для определения текущего вида расходной характеристики дозирующего устройства

в процессе разливки предложен метод, основанный на прямых измерениях уровня, скорости вытягивания заготовки и линейного перемещения стопорного механизма.

2. Разработана структурная схема комбинированной системы регулирования уровнем металла в кристаллизаторе непрерывной машины литья заготовок с учетом изменения параметров расходной характеристики дозирующего устройства.

3. Методом компьютерного моделирования установлено, что разработанная модификация системы автоматического регулирования обеспечивает уменьшение амплитуды отклонения уровня металла в кристаллизаторе в 3 раза по сравнению с существующей при изменении скорости вытягивания заготовки.

Список использованной литературы 1. Смирнов А.Н. Непрерывная разливка стали: Учебник / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский,

Е.В. Штепан. – Донецк: ДонНТУ, 2011. – 482 с. 2. Дюдкин Д.А. Производство стали. Непрерывная разливка металла. Т. 4 / Д.А. Дюдкин,

В.В. Кисиленко, А.Н. Смирнов. - М.: Теплотехника, 2009. - 528 с. 3. Чернышев Н.Н. Синтез математической модели системы автоматического регулирования

уровнем металла в кристаллизаторе / Н.Н. Чернышев; гол. ред. В.Ф.Євдокимов // Збірник наукових праць «Моделювання та інформаційні технології»; Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова. – 2012. – Випуск 65. – С. 195-202.

4. Чернышев Н.Н. Комбинированная система автоматического регулирования уровнем металла в кристаллизаторе / Н.Н. Чернышев // Наукові праці ДонНТУ. Сер. Обчислювальна техніка та автоматизація. – 2013. – Випуск 2(25). – С. 72-78.

5. Волуева О.С. Компенсация эффекта интегрального насыщения регулятора в системе управления уровнем металла в кристаллизаторе МНЛЗ / О.С. Волуева // Наукові праці ДонНТУ. Сер. Обчислювальна техніка та автоматизація. – 2013. – Випуск 2(25). – С. 13-20.

6. Ткаченко В.Н. Оценка степени зарастания канала дозирования жидкого металла в кристаллизатор МНЛЗ / В.Н. Ткаченко, Н.Н. Чернышев, О.С. Волуева // Науково-технічний журнал «Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті». – 2014. - №2(105). – С. 43-47.

7. Волуева О.С. Система регулирования положения стопорной системы промковша машины непрерывного литья заготовок / О.С. Волуева // Науковий вісник Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Серія: Комп’ютерні системи та компоненти. – 2013. – Т.3, випуск 2. – С. 74-78.

8. Чернышев Н.Н. Синтез компенсаторов для комбинированных систем автоматического регулирования / Н.Н. Чернышев // Збірник наукових праць ДонІЗТ. Серія Автоматика, телемеханіка, зв'язок. – 2012. – Випуск 32. – С. 52-57.

9. Жукова Н.В. Исследование комбинированных методов управления нелинейными неустойчивыми механическими объектами / Н.В. Жукова, Д.А. Панкин // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. – 2009. - Випуск 147(16). – С. 7-13.

10. Волуева О.С. Основные функции компьютерной системы управления процессом непрерывной разливки стали / О.С. Волуева, В.М.Ткаченко, А.О.Іванова // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. – 2005. - Випуск 88. – С. 63-69.


68

11. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления: учебное пособие / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - [4-е изд., перераб. и доп.]. - Спб: Изд-во «Профессия», 2003. – 752 с.

References

1. Smirnov, A.N., Kuberskij, S.V. and Shtepan, E.V. (2011), Nepreryvnaja razlivka stali [Continuous casting of steel], DonNTU, Doneck, Ukraine.

2. Djudkin, D.A., Kisilenko, V.V. and Smirnov, A.N. (2009), Proizvodstvo stali. Tom 4. Nepreryvnaja razlivka metalla [Steel production. Volume 4. Continuous casting], Teplotehnika, Moscow, Russia.

3. Chernyshev, N.N. (2012), “The synthesis a mathematical model of the automatic control system metal level in the mold”, Zbіrnik naukovih prac' «Modeljuvannja ta іnformacіjnі tehnologії» Іnstitut problem modeljuvannja v energeticі іm. G.E. Puhova, no. 65, pp. 195-202.

4. Chernyshev, N.N. (2013), “Combined system of automatic control metal level in the mold”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», no. 2(25), pp. 72-78.

5. Volueva, O.S. (2013), “Compensation of the PI-controller Integral Windup in the Mold Level Control System for Continuous Casting Machine”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», no. 2(25), pp. 13-20.

6. Tkachenko, V.N., Chernyshev, N.N. and Volueva, O.S. (2014), “The estimation of healing of the channel for dispensing hot metal into continuous casting machine mold” / Naukovo-tehnіchnij zhurnal «Іnformacіjno-kerujuchі sistemi na zalіznichnomu transportі» Ukraїns'ka derzhavna akademіja zalіznichnogo transportu, no. 2(105), pp. 43-47.

7. Volueva, O.S. (2013), “Control system of the tundish stopper system’s moving for continuous casting machine”, Naukovij vіsnik Chernіvec'kogo nacіonal'nogo unіversitetu іmenі Jurіja Fed'kovicha. Serіja: «Komp’juternі sistemi ta komponenti», vol. 3, no. 2, pp.74-78.

8. Chernyshev, N.N. (2012), “The synthesis compensators for combined automatic control systems”, Zbіrnik naukovih prac' Donetskyi instytut zaliznychnoho transportu. Serija: «Avtomatika, telemehanіka, zv'jazok», no. 32, pp. 52-57.

9. Zhukova, N.V. and Pankin, D.A. (2009), “Research of multifunction control methods for nonlinear unstable mechani-cal objects”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», no. 147(16), pp. 7-13.

10. Volueva, O.S., Tkachenko, V.M. and Іvanova, A.O. (2005) “The basic functions of the computer-based continuous steel casting process control system”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», no. 88, pp.63-69 .

11. Besekerskij, V.A. and Popov, E.P. (2003) Teorija sistem avtomaticheskogo upravlenija: Uchebnoe posobie.[Theory of automatic control systems: Tutorial], 4th ed., «Professija», St. Petersburg, Russia.


М.М. Чернишев, О.С. Волуєва ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Компенсація заростання каналу дозування рідкого металу в системі управління рівнем металу в кристалізаторі МБЛЗ. Розглядається система регулювання рівня метала в кристалізаторі МБЛЗ за допомогою стопорного механізму. Використовується принцип


69

підпорядкованого управління з ПІ - законом регулювання та противонасиченням. Поліпшення якості регулювання в процесі розливання досягається за рахунок компенсації заростання каналу дозування рідкого металу в кристалізатор МБЛЗ. Методом комп'ютерного моделювання встановлено, що компенсація відхилення витратної характеристики дозуючого пристрою в результаті накопичення неметалічних відкладень в каналі дозволяє в 2 рази зменшити відхилення рівня метала в кристалізаторі від заданого значення при зміні швидкості розливки. Ключові слова: рівень металу, кристалізатор, неметалеві включення, дозування металу, математична модель, компенсатор.

N.N. Chernyshev, O.S. Volueva Donetsk National Technical University Nozzle clogging compensation in metal level control system for CCM. The metal level control system for continuous casting machine mold with stopper dosing mechanism is considered in this paper. A cascade control system based on principles of controllable disturbances compensation and feedback is used to decrease disturbance effect on the mold level. The invariance principle was applied during the synthesis of compensator for casting speed (withdrawal-roll set speed). The PI-controller with integral windup compensation is used as the level controller. Nozzle clogging is a serious productivity and quality problem in continuous casting of steel. The consequences of clogging include: quality decrease because of ingot pollution by non-metallic inclusions, productivity decrease, costs increase. Therefore, a method for estimating the degree of nozzle clogging during the continuous casting process based on direct measurement of level, casting speed and linear movement of the stopper mechanism is proposed. The regulation quality enhance is achieved by considering the degree of nozzle clogging during computation of compensation signal. Computer simulations established that compensation of deviations dosing system’s consumption characteristic because of the buildup of non-metallic inclusions in the flow passage between tundish and mold allows reducing the metal level deviation in the mold from setpoint. The root-mean- square parameter was applied as a performance criterion of the proposed development. Keywords: metal level, mold, nonmetallic inclusions, metal dosing, mathematical model, compensator.

Чернышев Николай Николаевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – автоматизация, компьютерный анализ, проектирование систем управления технологических процессов в промышленности.

Волуева Ольга Сергеевна, Украина, закончила Донецкий национальный технический университет, ассистент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности –автоматизация, компьютерный анализ, проектирование систем управления технологических процессов в металлургической промышленности.


70

Розділ 2 Інформаційні технології та телекомунікації


© Климаш М.М., Красько О.В., Максимюк Т.А., 2014 71

УДК 621.391

М.М. Климаш (д-р техн. наук, проф.), О.В. Красько, Т.А. Максимюк Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів

кафедра телекомунікацій e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

МЕТОД СПЕКТРАЛЬНО-ЧАСОВОГО МУЛЬТИПЛЕКСУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ПОТОКІВ В ОПТИЧНИХ МЕРЕЖАХ ДОСТУПУ

Запропоновано метод спектрально-часового мультиплексування (OWTDM) в оптичних мережах доступу. На відміну від існуючих рішень, заснованих на використанні часового або спектрального мультиплексування, даний метод забезпечує гнучкість керування ресурсами, і забезпечує ефективне функціонування системи при різких стрибках інтенсивності навантаження. Результати моделювання показали, що метод спектрально-часового мультиплексування забезпечує виграш на 7% з точки зору коефіцієнту використання каналу. Ключові слова: OWTDM, IPoDWDM, оптичні мережі доступу, коефіцієнт використання каналу.

Загальна постановка задачі Стрімкий розвиток інформаційних сервісів в останні роки спричиняє зростання вимог

до пропускної здатності каналів зв’язку, які під’єднані до кінцевих абонентів. На сьогоднішній час однією із найперспективніших технологій доступу є технології «волокно в дім» (FTTH – Fiber-to-the-Home) на основі пасивних оптичних мереж доступу (PON – Passive Optical Network) [1]. Існуючі пасивні оптичні мережі використовують часове мультиплексування каналів між різними користувачами, яке частково дозволяє регулювати пропускну здатність між окремими користувачами. Фактично, адаптивне регулювання пропускної здатності зводиться до зміни тривалості зайняття каналу кожним користувачем. Проте, при часовому регулюванні пропускної здатності порушується синхронізація кадрів Ethernet, що вимагає повторної ініціалізації часових інтервалів. Недоліком таких мереж є невисокий коефіцієнт використання корисної пропускної здатності у висхідному каналі, а також необхідність постійної синхронізації часових інтервалів між термінальним вузлом (OLT – Optical Line Terminal) та абонентським вузлом (ONU – Optical Network Unit), що потребує передавання значних обсягів службової інформації між цими вузлами. Саме тому необхідно розробити нові підходи до організації зв’язку в оптичних мережах доступу, які б дозволили усунути вище вказані недоліки. В [2] запропоновано кілька підходів різної складності, які дозволяють подолати проблеми неефективного використання смуги пропускання оптичних ліній зв’язку та великої затримки кадрів. В роботі [3] показано варіант застосування спектрального розділення каналів каналів у пасивних оптичних мережах доступу.

В даній статті пропонується новий метод спектрально-часового мультиплексування каналів в пасивних оптичних мережах доступу, який дозволяє поєднати переваги як часового так і спектрального розділення каналів шляхом організації ресурсних блоків, які дозволяють адаптивне регулювання каналу зв’язку в залежності від вимог сервісу.

Принципи передавання даних в пасивних оптичних мережах доступу Для організації взаємодії центрального вузла з абонентськими був розроблений

протокол управління множиною вузлів MPCP (Multi-Point Control Protocol) [4]. Протокол базується на двох типах керуючих повідомлень: GATE і REPORT. Повідомлення GATE йдуть від OLT до всіх ONU. У них міститься інформація про режими мовлення,


72

ідентифікатор одержувача, часові мітки, тощо. У відповідь вузли ONT посилають на OLT повідомлення REPORT, в яких передають інформацію про свій стан. Протокольна діаграма взаємодії OLT та ONU показана на рис.1.

Затримкау нисхідномуканалі

Затримкау висхідномуканалі

Рисунок 1 – Протокольна діаграма взаємодії OLT та ONU.

Повідомлення REPORT допомагають OLT правильно розподіляти смугу у зворотному

потоці. Протокол MPCP має два режими роботи: режим ініціалізації і нормальний режим роботи. Відповідно, абонентські вузли можуть знаходитися в двох станах. Режим ініціалізації необхідний для того, щоб OLT міг виявити і зареєструвати нові вузли ONT.

У лінії вниз від OLT до користувачів здійснюється широкомовна розсилка кадрів. Кожен ONU виділяє свій кадр у проміжок часу який заздалегідь узгоджується з OLT (рис. 2).

Користувач 1



802.3 рамка

ДаніЗаголовок FCS

Рисунок 2 – Принцип часового мультиплексування в низхідному каналі

У лінії вверх, користувачі здійснюють одночасне передавання кадрів, проте кожен

ONU формує їх у кадри фіксованого розміру, і передає в узгоджений з OLT проміжок часу (рис. 3).

При чому, якщо обсяг корисних даних є меншим від стандартного часового кадру, то він доповнюється нулями для того, щоб не порушувати синхронізацію. Це спричиняє суттєве погіршення коефіцієнту використання пропускної здатності каналів у транспортній мережі.

Нова концепція взаємодії рівнів транспорту та доступу в оптичних телекомунікаційних мережах

Архітектура IPoDWDM для транспортного рівня мережі, дозволяє знизити вимоги до рівня агрегації з точки зору сумісності форматів представлення інформаційних потоків [5].


73



Користувач 3802.3 рамка

ДаніЗаголовок FCS

Часовий кадр

Рисунок 3 – Принцип часового мультиплексування у висхідному каналі

При використанні IPoDWDM на транспортному рівні, зникає необхідність виведення

окремих каналів з транспортних модулів STM-n на рівні доступу, або потреба у виділенні окремих довжин хвиль [6].

Це з одного боку знижує вимоги до синхронізації, а з іншого підвищує коефіцієнт використання пропускної здатності системи за рахунок введення комбінованого методу спектрально-часового мультиплексування (OWTDM – Optical Wavelenght Time Division Multiplexing) [7]. На рис. 4. представлено відмінності між старою (рис.4,а) та новою (рис.4, б) архітектурами оптичної мережі.

Автономнасистема


Транспортний рівень,SDH / NGSDH

Рівень агрегації,PON / FTTx

а)



Транспортний рівень,IPoDWDM

Рівень агрегації,OWTDM

б) Рисунок 4 – Архітектура оптичної мережі SDH/PON – а) та нової архітектури

IPoDWDM/OWTDM – б). Після проходження IP-пакетів до термінального вузла OLT, виникає необхідність

швидкого їх розділення між вузлами призначення [8]. Однією з існуючих проблем яка виникає у термінальному вузлі мережі є затримка при перетворенні агрегованого трафіку в абонентський трафік [9]. Дана затримка зумовлена тим, що вхідні пакети поступають на вхід послідовно. Термінальний вузол обробляє заголовок кожного пакету, аналізуючи його адресу


74

призначення та пріоритет [10]. При послідовному розподілі пакетів виникає затримка, зумовлена часом очікування окремих пакетів у буфері. Зменшення часу затримки, можна досягти двома шляхами: підвищення швидкості передавання в одному хвильовому каналі або збільшення кількості хвильових каналів [11]. Перший варіант є неприйнятним, оскільки подальше підвищення швидкості передавання даних в одному каналі суттєво обмежується нелінійними ефектами та дисперсією. Другий варіант більш ефективний з точки зору нарощування пропускної здатності каналу, але спричиняє неефективне використання ресурсів мережі.

Для того щоб ефективно використовувати пропускну спроможність мережі, і при цьому знизити затримку пакетів у термінальному вузлі OLT пропонується новий метод передавання зі спектрально-часовим мультиплексуванням каналів (OWTDM – Optical Wavelength-Time Division Multiplexing). Даний метод полягає у формуванні на виході крайового вузла спектрально-часової ресурсної сітки. Перевагою даного методу є можливість зміни кількості ресурсних елементів, які виділяються для одного користувача, що забезпечує гнучкість в керуванні пропускною здатністю каналу та покращує масштабованість мереж доступу.

Фізично це не ускладнює процес передавання, оскільки для оптичного волокна характеристики сигналу OWTDM аналогічні до характеристик звичайного сигналу WDM. Проте на канальному рівні дані розподіляються по ресурсним елементам які представляються у вигляді часових символів на окремих довжинах хвиль (рис. 5).

Вхідний агрегований потік трафіку

Рисунок 5 – Структурна схема організації потоків в оптичних мережах доступу

Відповідно, структура вихідного каскаду термінального вузла модифікується

наступним чином (рис.6).

Абонентський потік IP пакетів




Вх ідний агрегованийпотік ІР пакетів К

Пристрій керуванняресурсами

λ1λN λ

T

Рисунок 6 – Функціональна модель вихідного каскаду крайового вузла OBS мережі

Вхідний агрегований потік ІР-пакетів подається на класифікатор, який формує з нього окремі абонентські потоки IP-пакетів, які мають різні адреси призначення та вимоги до пропускної здатності. Після цього, пристрій керування ресурсами розподіляє потоки по ресурсних елементах в залежності від вимог до пропускної здатності.

Метод передавання даних зі спектрально-часовим мультиплексуванням в оптичних мережах доступу

Для усунення недоліків мереж Gigabit Ethernet, запропонований метод OWTDM, який передбачає формування спектрально-часової ресурсної сітки, що дозволяє адаптивно


75

регулювати пропускну здатність для окремих користувачів. Практично цей метод реалізується на основі існуючих пасивних оптичних мереж, з незначною видозміною канального рівня.

При використанні методу OWTDM OLT передає до окремих ONU ресурсні блоки розміром 8×8, що відповідає 8-м часовим інтервалам та 8-м використовуваним довжинам хвиль. Таким чином кожен ресурсний елемент буде мати розмірність t×∆λ, а ресурсний блок буде мати розміри:

8 8ORB t , (1) де t, ∆λ – тривалість і рознесення по довжинам хвиль, відповідно.

Схема організації ресурсного поля системи OWTDM представлена на рис. 7.

λ1

λ2

λ3

λ4

λ5

λ6

λ7

λ8

λn-7

λn-6

λn-5

λn-4

λn-3

λn-2

λn-1

λn

λ, нм

t, нсt1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8

OLT 1

OLT n

Ресурснийелемент

Ресурснийблок

Рисунок 7 – Організація спектрально-часових ресурсів пасивної оптичної мережі доступу

Як зображено на рис.7, дані окремих користувачів розподіляються по часових

інтервалах та довжинах хвиль відповідно. Дані, які призначені для різних OLT передаються різними наборами довжин хвиль які не перекриваються між собою, і можуть передаватись паралельно в одному волокні у транспортних сегментах мережі. Принцип функціонування пасивної мережі OWTDM показаний на рис.8.

Для порівняння ефективності запропонованого методу з існуючими було проведено порівняння коефіцієнту використання висхідного каналу при варіації інтенсивності навантаження для наступних вхідних умов:

середній розмір пакету: 1 кб; кількість вхідних потоків: 24; інтенсивність вхідних потоків: 10 гбіт/с; тривалість моделювання: 50 год.


76

Рисунок 8 – Принцип мультиплексування в мережі OWTDM

На рис. 9 зображено профіль та густину розподілу ймовірності змодельованого

вхідного трафіку:

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

x 104

2 50000

2 55000

260000

2 65000

2 70000

2 75000

Час,с

Кіл

ькіс

ть в

хідн

их п

акет

ів

250000 255000 260000 270000 275000 2800000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Інтенсивність надходження пакетів

Йм

овір

ніст

ь по

яви

а) б)

Рисунок 9 – Профіль – а) та густина розподілу ймовірності для змодельованого трафіку

Параметр Херста для змодельованого трафіку становить H=0.92. Інтенсивність надходження викликів розподілена за нормальним законом. Порівняльна залежність коефіцієнта використання пропускної здатності оптичних ліній зв’язку показана на рис. 9.

200000 210000 220000 230000 240000 2500000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

X: 60Y: 0.8189

Інтенсивність надходження пакетів, пакетів/с

X: 60Y: 0.8891

Кое

фіці

єнт

вико

рист

ання

кан

алу

PONOWTDM PON

Рисунок 9 – Залежність коефіцієнту використання висхідного каналу від інтенсивності

надходження пакетів


77

Результати моделювання підтверджують, що метод передавання OWTDM в пасивних оптичних мережах доступу ефективніше використовує доступну пропускну здатність. За рахунок переходу від часового мультиплексування до спектрально-часового покращується гнучкість використання ресурсів та усувається явище недовантаження висхідного каналу. Результати моделювання показують виграш запропонованого методу приблизно на 7%, з точки зору коефіцієнту використання каналу.

Висновки Запропоновано новий метод спектрально-часового мультиплексування (OWTDM) в

оптичних мережах доступу. Даний метод реалізований на основі пасивних оптичних мереж, які інтегровані в загальну транспортну магістраль IPoDWDM. Особливістю запропонованого методу є використання технології спектрального-ущільнення каналів в мережі доступу, та формування спектрально-часової ресурсної сітки, згрупованої блоками з 8 довжин хвиль та восьми часових інтервалів. На відміну від існуючих рішень, заснованих на використанні часового або спектрального мультиплексування, даний метод забезпечує гнучкість керування ресурсами, і забезпечує ефективне функціонування системи при різких стрибках інтенсивності навантаження. Крім того, метод OWTDM уніфікує висхідний та низхідний канали в мережі PON, що зменшує кількість службової інформації та підвищує коефіцієнт використання висхідного каналу за рахунок усунення незайнятих часових інтервалів. Результати моделювання показали, що метод спектрально-часового мультиплексування забезпечує виграш в коефіцієнті використання каналу на 7%.

Список використаної літератури 1. M. Nakamura. Proposal of networking by PON technologies for full and Ethernet services in

FTTx / M. Nakamura, H. Ueda, S. Makino, T. Yokotani, K. Oshima //Journal of lightwave technology, vol. 22, No. 11, 2004, P. 2631.

2. K. Kanonakis. Improving the efficiency of online upstream scheduling and wavelength assignment in hybrid WDM/TDMA EPON networks / K. Kanonakis, I. Tomkos // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 28, No.6, 2010, P. 838-848.

A. Banerjee. Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband access: a review / A. Banerjee Y. Park, F. Clarke, H. Song, S. Yang, G. Kramer, B. Mukherjee //Journal of optical networking, vol. 4, No.11, 2005, P. 737-758.

3. X. Liu. Multipoint Control Protocol with Look-Ahead for Wavelength Division Multiplexed Ethernet Passive Optical Network / X. Liu, G.N. Rouskas, F. He, H. Xion // Journal of Optical Communications and Networking, vol. 6, No. 2, 2014, P. 104-113.

4. R. Sabella. Impact of Transmission Performance on Path Routing in All-Optical Transport Networks /R. Sabella, E. Iannone, M. Listanti, M. Berdusco, S. Beinetti //IEEE Journal of Lightwave Technology, №11, vol.16, 1998, P.1965-1972.

5. Effectiveness of Virtual Concatenation Algorithms for Next Generation SDH/SONET Networks [O. Krasko]: In Int. Conference [Computer Science and Engineering], Lviv Polytechnic National Univ., – Ukraine, – Nov. 2013.

6. Advanced Multi-Wavelength Data Transmission Method for Optical Access Networks, [O. Krasko, P. Huskov, T. Maksymyuk]: In Proc. of IEEE International Conference [Modern Problems of Radio Engineering Telecommunications and Computer Science (TCSET’2014)] (Lviv-Slavske), Feb. 2014.

7. Simulation of characteristics of optical burst switched networks [S. Dumych, P. Guskov, T. Maksymyuk, M. Klymash]: In Proc. IEEE International Conference [Microwave & Telecommunication technology (CriMiCo’2013)], (Sevastopol, Crimea), P. 492-493, 2013.

8. Simulation of Burst Aggregation and Signaling schemes for Optical Burst Switched Networks [S. Dumych, T. Maksymyuk and P. Guskov]: In Int. Conf. [Computer Science and Engineering], (Lviv Polytechnic National Univ., Ukraine), Nov. 2013.


78

9. K. M. Kissa. AOTFs Route Traffic in WDM Networks/ K. M. Kissa, D. J. Fritz // Lightwave, June, 1996, P. 64-66.

10. The Virtual Channel Parameters Calculation in All-Optical Network [S. Dumych, T. Maksymyuk, O. Krasko, P. Guskov]: In Proc. IEEE International Conference [The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM 2013)], P.87, Feb. 2013.

References 1. Nakamura, M., Ueda, H., Makino, S., Yokotani, T. and Oshima, K., (2004), Proposal of

networking by PON technologies for full and ethernet services in FTTx, Journal of lightwave technology, 22(11), P. 2631, 2004.

2. Kanonakis, K. and Tomkos, I., (2010), Improving the efficiency of online upstream scheduling and wavelength assignment in hybrid WDM/TDMA EPON networks, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 28(6), P. 838-848.

3. Banerjee, A., Park, Y., Clarke, F., Song, H., Yang, S., Kramer, G. and Mukherjee, B., (2005), Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband access: a review, Journal of optical networking, 4(11), P. 737-758.

4. Liu, X., Rouskas, G.,N., He, F. and Xiong H., (2014), Multipoint Control Protocol with Look-Ahead for Wavelength Division Multiplexed Ethernet Passive Optical Network, Journal of Optical Communications and Networking, 6(2), P.104-113.

5. Sabella, R., Iannone, E., Listanti, M., Berdusco, M. and Beinetti, S.,(1998), Impact of Transmission Performance on Path Routing in All-Optical Transport Networks, IEEE Journal of Lightwave Technology, 16(11), P.1965-1972.

6. Krasko O., (2013), Effectiveness of Virtual Concatenation Alghorithms for Next Generation SDH/SONET Networks, In Int. Conf. Computer Science and Engineering, Lviv Polytechnic National Univ., Ukraine, Nov. 2013.

7. Krasko O., Huskov P. and Maksymyuk T., (2014), Advanced Multi-Wavelength Data Transmission Method for Optical Access Networks, In Proc. IEEE International Conference on the Modern Problems of Radio Engineering Telecommunications and Computer Science (TCSET’2014), Feb.- Mar. 2014

8. Dumych S., Guskov P., Maksymyuk T. and Klymash M., (2013) Simulation of characteristics of optical burst switched networks, In Proc. IEEE International Conference on Microwave & Telecommunication technology (CriMiCo’2013), Sevastopol, Crimea, P. 492-493, Sep. 2013.

9. Dumych S., Maksymyuk T. and Guskov P., Simulation of Burst Aggregation and Signaling schemes for Optical Burst Switched Networks, In Int. Conf. Computer Science and Engineering, Lviv Polytechnic National Univ., Ukraine, Nov. 2013.

10. Kissa, K., M. and Fritz, D., J., (1996), AOTFs Route Traffic in WDM Networks, Lightwave, June, P. 64-66.

11. Dumych, S., Maksymyuk, T., Krasko, O. and Guskov, P., The Virtual Channel Parameters Calculation in All-Optical Network, In Proc. IEEE International Conference on The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM 2013), P.87,2013.

Надійшла до редакції: Рецензент: 30.04.2014 канд. техн. наук, доц. Стрихалюк Б.М.

М.М. Климаш, О.В. Красько, Т.А. Максимюк Национальный университет «Львовская политехника» Метод спектрально-временного мультиплексирования информационных потоков в оптических сетях доступа. Предложен метод спектрально-временного мультиплексирования


79

(OWTDM) в оптических сетях доступа. В отличие от существующих решений, основанных на использовании временного или спектрального мультиплексирования, данный метод обеспечивает гибкость управления ресурсами, и обеспечивает эффективное функционирование системы при резких прыжках интенсивности нагрузки. Результаты моделирования показали, что метод спектрально-временного мультиплексирования обеспечивает выигрыш на 7% с точки зрения коэффициента использования канала. Ключевые слова: OWTDM, IPoDWDM, оптические сети доступа, коэффициент использования канала.

M.M. Klymash, O.V. Krasko, T.A. Maksymyuk Lviv Polytechnic National University Method of time-spectral data flows multiplexing in optical access networks. The method of time-spectral channels multiplexing (OWTDM) for optical access networks was presented. In difference to existing solutions, which are based on time or spectral multiplexing, the proposed method provides flexibility of resource management and effective system functioning in case of rapid traffic intensity increasing. Simulation results showed that time-spectral multiplexing provide 7% gain in terms of channel utilization. Keywords: OWTDM, IPoDWDM, optical access networks, channel utilization.

Климаш Михайло Миколайович, Україна, закінчив Львівський державний університет ім. Ів.Франка., докт. техн. наук, професор, завідувач кафедри телекомунікацій Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Член Академiї зв’язку України i вiддiлення Мiжнародної академiї інформатизації. Член IEEE Communication Society. Основний напрямок наукової діяльності – оптичні транспортнi телекомунiкацiйнi системи та мережі.

Красько Олена Володимирівна, Україна, закінчила кафедру «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка». Асистент кафедри телекомунікацій Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – оптичні мережi доступу.

Максимюк Тарас Андрійович, Україна, закінчив кафедру «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка». Асистент кафедри телекомунікацій Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Член IEEE Cloud Computing Community. Основний напрямок наукової діяльності – повністю оптичні транспортні системи.


© Сахаров В.И., Сахарова С.В., 2014 80

УДК 004.725.5

В.И. Сахаров, С.В. Сахарова (канд. техн. наук) Одесская национальная академия пищевых технологий, г. Одесса

кафедра информационно-коммуникационных технологий e-mail: [email protected]

ЭКОНОМИЧНЫЙ ETHERNET ДОСТУП НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ В работе рассмотрена возможность разработки и изготовления простого интерфейса с использованием современной элементной базы с применением микроконтроллеров. Целью работы является популяризация применения Ethernet интерфейсов на базе однокристальных контроллеров с простым интерфейсом подключения. Приведен анализ микросхем, применение которых существенно упрощает разработку интерфейсов Ethernet, как в профессиональных целях, так и для различных любительских целей. Ключевые слова: микроконтроллер, интерфейс, локальная сеть, сеть доступа, SPI, Ethernet, 10BaseT/100BaseTX, PHY.

Введение Интерфейс Ethernet является достаточно сложным устройством. Все Ethernet чипы до

недавнего времени имели 100 и более контактов, их было тяжело приобрести в небольших количествах, и ими было тяжело управлять с помощью маленького микроконтроллера с небольшим количеством памяти и ограниченным числом выводов.

Еще несколько лет назад для разработки простых устройств с интерфейсом Ethernet авторам приходилось разрабатывать встраиваемый контролер на базе микроконтроллеров AT91RM9200 или AT91RM9260 фирмы ATMEL, с применением микросхемы DM6191 фирмы Davicom. В этом случае, для упрощения программного обеспечения, на устройство устанавливалась операционная система Linux, и простой интерфейс приобретал все черты встраиваемого компьютера. Соответственно, устройство обрастало оперативной памятью 32MB, имело флеш память 4МB, что значительно увеличивало габариты и стоимость устройства.

Цель и постановка задачи исследования Целью данной статьи является популяризация применения Ethernet интерфейсов на

базе однокристальных контроллеров с простым интерфейсом подключения. Реализация интерфейса Компания Microchip, с появлением их нового Ethernet чипа - ENC28J60, сделала

возможным организацию Ethernet доступа при помощи простых микроконтроллеров. ENC28J60 - это небольшой чип всего с 28 контактами, он имеет интерфейс Serial Perepheral Interface (SPI), который легко использовать с любого микроконтроллера, который имеет такой интерфейс. Это открывает целый мир совершенно новых прикладных задач. Появляется возможность легко создавать небольшие устройства, которые могут распространиться на все в доме и просто будут подключены в сеть Ethernet. Отпадает необходимость разделять последовательные подключения или другие шины. Все устройства могут быть легко подключены через Ethernet. Важной особенностью является и то, что перестает быть ограничивающим фактором расстояние.

Чип ENC28J60 от компании Microchip это микросхема, обеспечивающая реализацию сложного интерфейса Ethernet с использованием простых микроконтроллеров. Он включает протокол приема/передачи данных, MAC адрес, и протокол физического уровня в одном чипе. К нему подключаются несколько внешних элементов, в основном это кварцевый


81

резонатор и Ethernet трансформатор, так же известный как магнит. Внешне он представляет из себя 28 - выводной чип в DIP и QFN корпусах, легко паяется и идеально подходит для применения в профессиональных устройствах и хобби. Микроконтроллер таким образом может управлять любым устройством. Можно подключить какие либо датчики (фото, тепловые), можно что-нибудь включать и выключать, можно подключить LCD дисплей и т.п.

На рисунке 1 показана схема подключения микросхемы ENC28J60. Простота подключения обеспечивает широкое применение этой микросхемы.

Рисунок 1 – Схема подключения микросхемы ENC28J60

Программное обеспечение, обеспечивающее работу такого устройства можно взять на

сайте компании Microchip, оно доступно для скачивания без каких либо ограничений. Большую помощь в создании подобных устройств оказывает сайт www.arduino.ru, где можно приобрести готовые устройства на микроконтроллерах или разработать и изготовить собственные. Работа данного устройства основывается на протоколах UDP и TCP/IP.

Очень хороший чип разработала фирма WizNet под названием W5100. Микросхема W5100 является функционально законченным 10/100 Ethernet - контроллером. Она специально разрабатывалась для использования во встраиваемых приложениях, когда первоочередными требованиями являются легкость интеграции, стабильность и надежность работы, производительность и невысокая стоимость всей системы. Аппаратная реализация стека протоколов TCP/IP позволяет получить высокую скорость передачи данных - до 25 Мбит/c - и обеспечивает простую стыковку с Internet без участия операционных систем и внешних компьютеров. W5100 совместима со стандартами IEEE 802.3 10BaseT и 802.3u 100BaseTX. Сетевой контроллер W5100 квалифицирован для работы в индустриальном температурном диапазоне -40...+85 С. Основные области применения W5100:

− разнообразные сетевые устройства для дома и офиса; − встраиваемые сервера; − системы охраны, видеонаблюдения и контроля доступа; − IP-телефония и видеосвязь; − удаленный доступ к информации и сбор данных; − удаленное управление и мониторинг; − автоматизация зданий и производственных помещений. Микросхема W5100 является логическим развитием популярного кристалла W3150A+.

Микросхема аппаратно реализует следующие протоколы транспортного, сетевого и канального уровней системы OSI (Open System Interconnection): TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP и MAC. Также обеспечивается аппаратная поддержка протокола PPPoE (Point-to-point over Ethernet) с PAP/CHAP протоколами аутентификации, что позволяет W5100 осуществлять удаленное подключение встраиваемого устройства к провайдеру через простой и дешевый DSL-модем, работающий в мостовом (bridge) режиме и не имеющий собственной аппаратной поддержки PPPoE.


82

Главная отличительная особенность W5100 - наличие на кристалле аппаратного узла, который реализует уровень PHY стека протоколов TCP/IP. Ранее для этой цели кристаллы W3100A и W3150A+ должны были работать совместно с внешней микросхемой PHY сторонних производителей (Realtek, Davicom и т.п.).

10BaseT/100BaseTX Ethernet PHY на кристалле является собственной разработкой компании WIZnet. Поддерживается Auto Negotiation (Full-duplex и Half-duplex) а также функция распознавания полярности подключения кабеля Auto-MDI/MDIX. Требования к внешнему трансформатору обычные: коэффициенты трансформации и величины индуктивностей составляют соответственно 1:1 и 350uH как для TX, так и для RX. Тем не менее, для реализации возможности функции Auto MDIX вместе с W5100 необходимо использовать симметричные трансформаторы.

На рисунке 2 изображена структурная схема подключения микросхемы W5100, схема подключения аналогична вышеприведенной схемы, с использованием интерфейса SPI.

Рисунок 2 – Структурная схема подключения микросхемы W5100

Микросхемы W5100 имеет следующие характеристики: аппаратная поддержка стека

протоколов TCP/IP: TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP, MAC; одновременная и независимая поддержка 4-х соединений; поддержка 10BaseT/100BaseTX в полнодуплексном режиме; высокая производительность до 25Mbps; интерфейсы подключения к микроконтроллеру: Direct (Clocked), Indirect (Clocked), SPI (режимы 0 и 3); встроенный 16К блок двухпортовой статической памяти для буферов данных TX/RX; напряжение питания 3,3В; линии ввода/вывода поддерживают уровни сигналов 5,0В; 0,18 мкм CMOS технология; соответствие RoHS-стандарту.

Silicon Laboratories предлагает микросхемы CP220x - одни из самых маленьких и доступных Ethernet контроллеров для встраиваемых приложений. Микросхемы серии CP220x позволяют обеспечить доступ к Ethernet сетям любым микроконтроллерам или хост-процессорам имеющим свободными 11 или более линий ввода/вывода. Параллельный 8-битный интерфейс доступа к шине внешней памяти позволяет работать с микроконтроллерами имеющими шины форматов Intel и Motorola в мультиплексированном и немультиплексированном режимах. CP2200/1 имеет встроенный IEEE 802.3 Ethernet контроллер доступа к среде (MAC), 10 BASE-T Physical Layer (PHY), и энергонезависимую FLASH память размером 8k. Встроенная FLASH память может быть использована для хранения констант пользователя, содержимого веб-сервера или может быть просто использована как энегонезависмая память общего применения. При выпуске микросхем на заводе во Flash память заносится уникальный 48-битный MAC адрес.

Основные характеристики Программное обеспечение: бесплатный (royalty-free) стэк TCP/IP с драйверами

устройства; программа автоматизации настроек TCP/IP Configuration Wizard; программная диагностика аппаратных ресурсов и примеры кода.


83

Сферы применения CP2200/1: удаленные системы сбора данных и управления; ведения учета; VoIP телефонные адаптеры; обеспечение работы и сервиса торговых точек; веб-сервера для встраиваемых приложений; удаленный преобразователь Ethernet-to-UART.

Характеристики контроллера: интегрированный IEEE 802.3 MAC и 10 BASE-T PHY; полная совместимость с 100/1000 BASE-T сетями; Full/Half дуплекс с auto-negotiation; автоматическое определение полярности и исправление; автоматический повтор при обнаружений коллизий; автоматическое заполнение и вычисление CRC; поддержка адресации broadcast и multi-cast MAC; параллельный хост интерфейс (30 Mbps Transfer Rate); работа 8-bit мультиплексированном и не-мультиплексированном режимах; требуется только 11 I/O линий в мультиплексированном режиме; шины форматов Intel или Motorola; генерация прерывания при получении пакетов и функция Wake-on-LAN; 8 kB Flash памяти; драйвер светодиодов LED (Link/Activity); корпуса 48-pin TQFP (9 x 9 mm footprint) и 28-pin QFN (5 x 5 mm footprint).

Температурный диапазон от –40 до +85C. Заключение Применение вышеназванных микросхем существенно упрощает разработку

интерфейсов Ethernet, как в профессиональных целях, так и для различных любительских целей.

Список использованной литературы 1. Техническая документация DS39662A.pdf 2004 Microchip Technology Inc [Электронный

ресурс]. - Режим доступа: http:// www.microchip.com. - 10.01.2014 г. - Загл. с экрана. 2. Техническая документация CPP220x.pdf [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://

www.silabs.com. - 10.01.2014 г. - Загл. с экрана. 3. «Ethernet - устройство на микроконтроллере AVR» [Электронный ресурс] Режим

доступа: http:// www.rlocman.ru/ - 10.01.2014. - Загл. с экрана. 4. Описание микроконтроллерных устройств [Электронный ресурс] Режим доступа: http://

www.arduino.ru - 10.01.2014. - Загл. с экрана.

References 1. Tehnicheskaya dokumentaciya DS39662A.pdf 2004 Microchip Technology Inc, available at:

http:// www.microchip.com / (Accessed 10 January 2014). 2. Tehnicheskaya dokumentaciya CPP220x.pdf, available at: http:// www.silabs.com/ (Accessed

10 January 2014). 3. «Ethernet – ustroistvo na microkontrollere AVR», available at: http:// www.rlocman.ru/

(Accessed 10 January 2014). 4. Opisanie microkontrollernih ustroistv, available at: http:// www.arduino.ru (Accessed 10

January 2014).

Надійшла до редакції: Рецензент: 13.03.2014 канд. техн. наук, проф. Турупалов В.В.

В.І. Сахаров, С.В. Сахарова Одеська національна академія харчових технологій Економічний ETHERNET доступ на мікроконтролері. У роботі розглянуто можливість розробки і виготовлення простого інтерфейсу з використанням сучасної елементної бази із застосуванням мікроконтролерів. Метою роботи є популяризація застосування Ethernet інтерфейсів на базі однокристальних контролерів з простим інтерфейсом підключення.


84

Наведено аналіз мікросхем, застосування яких суттєво спрощує розробку інтерфейсів Ethernet, як в професійних цілях, так і для різних аматорських цілей. Ключові слова: мікроконтролер, інтерфейс, локальна мережа, мережа доступу, SPI, Ethernet, 10BaseT/100BaseTX, PHY.

V.I. Sakharov, S.V. Sakharova Odessa National Academy of Food Technologies Microcontroller economical ETHERNET access. The paper considers the possibility of developing and manufacturing a simple interface using modern element base with microcontrollers. The aim is to promote the use of Ethernet interfaces based on single-chip controller with a simple interface to connect. We presented the analysis of circuits, which greatly simplifies application of development interfaces in Ethernet, both for professional purposes and for various amateur purposes. Until a few years ago to develop simple devices with Ethernet interface reviewers had to develop embedded controller based on microcontrollers or AT91RM9200 AT91RM9260 produced by ATMEL, using DM6191 chip produced by Davicom. In this case, to simplify the software installed on the device operating system is Linux, and simple interface acquired all the features of embedded computer. Accordingly, the apparatus overgrown RAM and flash memory, which greatly increases its size and cost. Company Microchip, with the advent of new Ethernet chip - ENC28J60, made it possible to establish Ethernet access with simple microcontrollers. This opens a completely new world of applications. It becomes possible to easily create small devices that can spread to everyone in the house and just be connected to the Ethernet. There is no need to share serial connections or other tires. All devices can be easily connected via Ethernet. An important feature is the fact that the length is no longer a limiting factor. Easy connectivity provides wide application of this chip. The paper presents the structural wiring diagram circuits and their basic characteristics. Presented software is available for download without any restrictions. Operation of this device is based on UDP and TCP/IP. Keywords: microcontroller interface, LAN, network access, SPI, Ethernet, 10BaseT/100BaseTX, PHY.

Сахаров Валерий Иванович, Украина, закончил Одесский электротехнический институт связи им. А. С. Попова, старший преподаватель кафедры информационно-коммуникационных технологий Одесской национальной академии пищевых технологий (ул. Дворянская, 1/3, г. Одесса, 65000, Украина). Основное направление научной деятельности – оптимизация создания перспективных сетей доступа.

Сахарова Светлана Валериевна, Украина, закончила Одесскую государственную академию холода, канд. тех. наук, доцент кафедры информационно-коммуникационных технологий Одесской национальной академии пищевых технологий (ул. Дворянская, 1/3, г. Одесса, 65000, Украина). Основное направление научной деятельности – оптимизация создания перспективных сетей доступа.


© Світлична В.А., Землянська С.Ю., Гавенко С.С., 2014 85

УДК 004.691.54

В.А. Світлична (канд. техн. наук, доц.), С.Ю. Землянська (канд. техн. наук, доц.), С.С. Гавенко

ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк кафедра автоматизованих систем управління

e-mail: [email protected]

МЕТОД РОЗПОДІЛУ ОБСЛУГОВУЮЧИХ РОБІТ ПРИ ВИКОНАННІ ЗАМОВЛЕНЬ

У статті наведені алгоритми, які реалізують метод розподілу обслуговуючих робіт (МРОР) при виконанні замовлень з використанням попередньої кластеризації множини організацій на першому етапі та методу маршрутизації з використанням алгоритму мурашиної колонії на другому. Наведено приклад програмної реалізації запропонованого методу. Ключові слова: робота, розподіл, кластеризація, маршрутизація, мурашиний алгоритм.

Загальна постановка проблеми В даний час існує безліч фірм і організацій, що виконують замовлення клієнтів. Для

виконання замовлень представники цих фірм мають виїжджати на місце розташування клієнтів. Характерною особливістю розглянутих робіт є те, що кількість таких замовлень протягом дня досить велика (може досягати кількох десятків), а тривалість виконання замовлення порівняно не тривала (десятки хвилин, одиниці годин). Перед менеджером фірми ставиться завдання раціональної організації робіт співробітників, яка полягає в пошуку оптимальних маршрутів, що мають починатися з офісу, а потім проходити через пункти розташування клієнтів з урахуванням часу виконання робіт і закінчуватися у вхідній точці на офісі. Враховуючи те, що таке завдання вирішується щоденно та його обсяг досить великий, актуальною стає розробка комп'ютерної системи, яка допомагала б при складанні маршрутів і розподілі робіт проміж співробітників, і використовувала сучасні інтелектуальні методи розрахунку.

Постановка задач досліджень Кожний вид роботи, крім місця розташування, характеризується такими параметрами

як важливість і час виконання. Задача формулюється наступним чином: необхідно знайти для заданого співробітника маршрут проїзду від офісу до замовників із мінімальними витратами на проїзд.

Аналогічно багатьом існуючим методам [1-3] метод розподілу обслуговуючих робіт (МРОР) складається з двох частин, що дає вирішення задачі розподілу робіт у два етапи. На першому етапі вирішується завдання розбивки регіону на компактні зони обслуговування – напрямки (групування організацій-клієнтів для кожного маршруту). Це завдання вирішується за допомогою методу кластеризації (МК).

На другому етапі вирішується завдання знаходження оптимального за заданим критерієм порядку об’їзду клієнтів для кожного маршруту. Це завдання реалізується за допомогою метода маршрутизації (ММ).

Таким чином, МРОР – це цикл за графіками (маршрутами) з певними умовами для виконання МК і ММ.

Після вирішення цих двох завдань формуються маршрути й розклади руху, і складається план роботи спеціаліста для виїзду на маршрут з урахуванням послідовності об’їзду пунктів. Для цих етапів необхідно реалізувати сімейство алгоритмів, що дозволяють одержувати результат залежно від розмірності вихідного завдання, обчислювальних ресурсів


86

і вимог, пропонованих до вирішення. Результатом розрахунків є маршрутний аркуш у якому будуть зазначені: кількість крапок (пунктів, клієнтів); відстань; час відправлення й час повернення до офісу; час знаходження на маршруті; час виконання роботи у клієнта; час розрахункового прибуття до замовника; задіяний громадський транспорт із вказівкою маршруту руху. Формалізація процесу розподілу робіт Проаналізувавши джерела [1,2,3], зроблено висновок, що задача оптимізації розподілу

робіт може бути сформульована як мінімізація вартості всіх замкнутих маршрутів з урахуванням виконання обмежень.

Основна цільова функція:

V

i f

i

iTS

1min , (1)

де Si – сума вартості проїзду до i-го клієнта, if

T – сумарна кількість часу (час на обслуговування та проїзд) витрачена на і-го клієнта, V – загальна кількість клієнтів, що має обслужити працівник.

Обмеження по об’єктах:

ipf OOi , (2)

де Ofi – кількість організацій, які повинен відвідати i-й працівник, Opi – кількість організацій, що приходиться на i-го працівника.

Обмеження за часом: pf TT

i , (3)

де Tp – робочий час працівника за день, що дорівнює нормі (8 годин).

ifO

jji ssS

21 , (4)

де s1 – витрати на проїзд від офісу до першої організації, sj – витрати на проїзд від (j-1)-ої до j-ої організації i-го працівника.

if

jji

O

jwrwf tttT

2)(

1, (5)

де tw1 – час на дорогу від офісу до першої організації, trj – час на дорогу від (j-1)-ої до j-ої організації для i-го працівника, twj – час на обслуговуючі роботи j-ої організації для i-го працівника.

V

OOip , (6)

де O – загальна кількість організацій, τ– період оновлення. Реалізація методу розподілу Для реалізації поставленого завдання були використані модифікований алгоритм

мурашиної колонії [4,5], модифікований алгоритм дихотомічного поділу на групи та розроблений алгоритм розподілу обслуговуючих робіт. МРОР – це цикл за графіками (маршрутами) з певними умовами для виконання МК і ММ. До умов виконання МК відносяться наступні:

а) відношення загальної кількості точок (організацій) на графіку до кількості працівників більше ніж задане (у нашому випадку 10);


87

б) час обходу всіх точок на графіку і сумарний час обслуговування більше заданого (в нашому випадку 8 годин).

На кожному кроці МРОР виконується вищезгадана перевірка. Якщо хоч одне з умов виконуються, то здійснюється МК, потім знову ця перевірка і якщо для поточного графу умови не виконуються, то здійснюється ММ (тільки для поточного графу). Загальний алгоритм МРОР наведено на рис. 1.

Рисунок 1 - Загальний алгоритм МРОР

Алгоритм розроблений таким чином, щоб досягти максимальної точності при мінімальному часі. МРОР включає в себе дві функції, які реалізують методи маршрутизації (Marshrut) та методу кластеризації (Klaster).


88

Реалізація методу кластеризації Розглянемо алгоритм, здатний знаходити наближене рішення збалансованої задачі

маршрутизації (ЗЗМ) Ключову роль тут відіграє можливість попереднього розрахунку кількості вершин для маршруту кожного співробітника. Як це прийнято в усіх двофазних алгоритмах з кластеризацією , в цьому методі спочатку вся множина n вершин-клієнтів ділиться на k груп, а потім для кожної групи з додаванням офісу обчислюється k замкнутих маршрутів шляхом розв’язання ЗК будь-яким відповідним методом [6].

Першим кроком в процесі роботи необхідно визначити кількість вершин для кожного майбутнього маршруту. Приймемо, що кількість вершин для кожного співробітника задається масивом M = m1, m2,. . . , Mk. Для ЗЗМ цей масив може містити лише числа, що не відрізняються більш ніж на одиницю.

Процес кластеризації можна представити у вигляді рекурсивної процедури, яка отримує на вході множину V = {v1, v2,. . . , V3} з n цільових вершин-клієнтів, бажане число груп k і масив M з k елементів, що визначає кількість вершин у кожній групі. Передбачається можливість визначення вартості проїзду між будь-якою парою цільових вершин.

Процедура при кожному виклику робить розподіл на дві групи і виконує рекурсивний спуск при подальшій необхідності. Число k не повинно бути менше двох, в іншому випадку задача кластеризації не має сенсу. Елементи масиву M повинні бути строго більше нуля.

Кластеризація проходить в два етапи: 1) визначення графу, який необхідно розділити на два графи; 2) поділ графу. Умовою для вибору графу є максимальне число точок на ньому. Це обумовлено тим,

що в даній задачі ніякий інший параметр не може достовірно відображати якість кластеризації.

Ділення графу відбувається за принципом розбиття на групи. Алгоритм МК наведено на рис. 2.

Реалізація методу маршрутизації Вирішувати задачу маршрутизації можна тими ж методами, що і задачу комівояжера,

але при цьому необхідно враховувати не тільки час в дорозі (trj), але і час обслуговування (twj). Для вирішення було використано мурашиний алгоритм. Основа алгоритму полягає у поведінці мурашиної колонії – маркування більш вдалих шляхів великою кількістю феромона. В умовах даної задачі в ролі мурашки виступає співробітник, який, починаючи рух з офісу, повинен пройти по всіх зазначених точках (організаціях), ребром є маршрут між організаціями, у якості феромону - рейтинг.

Моделювання руху працівника пов’язане з розподілом феромону (рейтингу) на шляху маршруту. При цьому ймовірність включення шляху до маршруту окремого працівника пропорційна кількості рейтингу на цьому шляху, а кількість інкрементованого рейтингу зворотно пропорційна довжині маршруту. Локальні правила поведінки працівників при виборі шляху виглядають наступним чином:

1) Працівники мають власну «пам’ять»: кожна організація має бути відвідана тільки один раз, тому у кожного працівника є список вже відвіданих організацій – чорний список.

2) Працівники мають «зір» – видимість є евристичне бажання відвідати організацію j, якщо працівник знаходиться у клієнта i. Видимість зворотно пропорційна відстані між організаціями j.

3) Працівники мають «інтуїцію», тобто можуть відстежувати рейтинг, що підтверджує «бажання» відвідати організацію j після організації i на підставі досвіду інших працівників.


89

Початок

+

-

-

+

Кінець

Пошук елемента в масиві графів змаксимальнтм числом точок

додавання першої точки (офіс) в масиви груп точок графу

видалення точки з обраного графу

додавання знайдених точок КТ1 і КТ2 в масиви груп.

додавання знайденої точки в масив першої групи.

додавання знайденої точки в масив другої групи

imaxO = PoiskG ( )

O1 += G[imaxO].O[1]O2 += G[imaxO].O[1]

jmin ≠ MAX

DelOrg (1, imaxO)

PoiskMax ( )

O1 += G[imaxO].O[imax]O2 += G[imaxO].O[jmax]

jmin = PoiskMin (jmax, imaxO)

O1 += G[imaxO].O[jmin]

DelOrg (jmin, imaxO)

imin = PoiskMin (imax, imaxO)

imin ≠ MAX

O2 += G[imaxO].O[imin]

DelOrg (imin, imaxO)

jmin ≠ MAX иimin ≠ MAX

AddG (O1, O2, imaxO)

+

-

пошуку найближчої точки від КТ1.

видалення точки з обраного графу

додавання знайденої точки в масив першої групи.

видалення точки з обраного графу.

додавання двох нових графів (що містять групи точок) в масив графів.

Рисунок 2 - Алгоритм роботи МК


90

Рисунок 3 - Алгоритм роботи ММ

Дії алгоритму застосовуються до графу, тобто всі об’єкти, які задіяні в алгоритмі, належать одному графу. До таких об’єктів відносяться: T1, T2 (діапазон для генерації випадкового початкового рейтингу), Q – коефіцієнт (в нашому випадку дорівнює 1), K – коефіцієнт забудькуватості маршруту, α – ступінь впливу рейтингу, β – ступінь впливу відстані, N – кількість точок на графі, m – кількість співробітників для моделювання, M – масив співробітників, Dm – матриця відстаней, Tm – матриця рейтингу. Крім об’єктів, що відносяться до графу, є об’єкти, що відносяться до кожного працівника: L – довжина маршруту, B – масив відвіданих організацій (чорний список), Pyt – масив номерів організацій для маршруту, P – масив ймовірностей вибору організацій на кожному кроці алгоритму ММ.

Представлені алгоритми були реалізовані за допомогою С#. Комп'ютерна система має кілька форм інтерфейсу, що дозволяють вводити довідкову та вхідну інформацію і отримувати результати рішення. На рис. 4 наведено приклад реалізації завдання, на якому показані список організацій, від яких надійшли заявки, список співробітників і маршрут для одного з них.


91

Висновки Наведені алгоритми реалізують завдання визначення маршрутів співробітників

підприємства, яке здійснює обслуговування клієнтів згідно із замовленнями. Завдання вирішується щодня і має визначати маршрути кожного співробітника. Розроблений метод розподілу робіт поєднує в собі метод кластеризації та метод маршрутизації. Наведено приклад програмної реалізації алгоритму, що підтверджує реальність і працездатність наведених викладок і міркувань.

Список використаної літератури 1. Решение проблем обслуживания клиентов на основе централизации системы

обслуживания [Електронний ресурс]: CRM Portal. – Режим доступу: http://crm-portal.ru/ru-22/crm-resheniya/vyibor-crm-resheniya/reshenie-problem-obsluzhivaniya-klientov-na-osnove-tsentralizatsii-sistemyi-obsluzhivaniya.html.

2. Меламед И.И. Задача коммивояжера. Приближенные алгоритмы / И.И. Меламед, С. Сергеев, И. Сигал // Автоматика и телемеханика. – 1989. - № 11. – C. 21-25.

3. Задача маршрутизации транспорта: Дискретная математика: алгоритмы [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://rain.ifmo.ru/cat/view.php/theory/unsorted/vrp-2006.

4. Пожидаев М.С. Алгоритмы решения задачи маршрутизации транспорта: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: спец. 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» / Пожидаев Михаил Сергеевич; Томский технический государственный университет. – Томск, 2010. – 20 с.

5. Гавенко С.С. Оптимизация обслуживающих работ на основе метаэвристических технологий / С.С. Гавенко, В.А. Светличная // Сборник материалов III Всеукраинской научно-технической конференции [«Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг 2012»], (Донецьк, 16-18 квітня 2012 р., Т.1.). – Донецк: ДонНТУ, 2012. – С. 275–279.

6. Мурзин Б.П. Использование алгоритма муравьиной колонии для определения оптимального маршрута доставки грузов / Б.П. Мурзин, В.А. Светличная // Збірка материалів II всеукраїнської науково-технічної конференції [«Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг 2011»], (Донецьк, 11-13 квітня 2011 р., Т.1.). – Донецк: ДонНТУ, 2011. – С. 184–190.

7. Мурзин Б.П. Разработка компьютеризированной системы оптимального распределения и доставки лекарственных средств / Б.П. Мурзин, В.А. Светличная // Збірка материалів IІI всеукраїнської науково-технічної конференції [«Информатика и компьютерные технологии-2011»], (Донецьк, 22-23 листопада 2011 р.). – Донецк: ДонНТУ, 2011. – С. 223–227.

8. Алгоритмы: построение и анализ / [Т.Х. Кормен, Ч.И. Лейзерсон, Р.Л. Ривест, К. Штайн]. – Москва: МЦНМО, 1990. – 960 с.

Рисунок 4 – Форма результату розрахунків


92

9. Optimal Travel Path [Електронний ресурс]: Digital Library Resources: Murphy Library and Beyond. – Режим доступу: http://murphylibrary.uwlax.edu/digital/jur/2000/bindl.pdf.

10. Дорогов А.Ю. Алгоритмы оптимального движения мобильных объектов по пересеченной местности и транспортной сети / А.Ю. Дорогов, В.Ю. Лесных // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Оптимальное управление объектами и системами. – 2009. – № 1. – C. 23-24.

References 1. CRM Portal (2004) “Client servicing problem solving based on centralization of service

system”, available at: http://acrm.ru/press/document-2004-07-06-9433668762.html (Accessed 21 November 2011).

2. Melamed, I.I., Sergeev, S. and Sygal, S. (1989), “Traveling salesman problem. Approximate algorithms, Automatics and Telemechanics, no. 11, pp.21-25.

3. Discrete maths: algorithms (2006) “Transport routing problem”, available at: http://rain. ifmo.ru /cat/view.php/theory/unsorted/vrp-2006 (Accessed 15 December 2011).

4. Pozhidayev, M.S. (2010), Algorithms of transport pouting problem solving, Abstract of Ph.D. dissertation, Mathematical modeling, numerical methods and program complexes, Tomsk technical state university; Tomsk, Russia.

5. Gavenko, S.S and Svetlichnaya V.A. (2012), “Service works optimization based on metaheuristic technologies”, Proceedings of III International Scientific and Technical Conference "Information Control Systems and Computer Monitoring 2012", Donetsk, April 16-18 2012, pp. 275-279.

6. Murzin, B.P. and Svetlichnaya V.A. (2011), “Usage of ant colony algorithm for optimal path definition in delivering cargo“, Proceedings of II International Scientific and Technical Conference "Information Control Systems and Computer Monitoring 2011", Donetsk, April 11-13 2011, pp. 184-190.

7. Murzin, B.P. and Svetlichnaya V.A. (2011), “Computerized system development for optimal distribution and delivery of medicines”, Proceedings of III All-Ukrainian Scientific and Technical Conference "Informatics and Computer Technologies 2011", Donetsk, November 22-23 2011, pp. 223-227.

8. Kormen, T. Kh., Leizerson, Ch.I., Rivest, R.L. and Shtain, K. (1990), Algoritmy: postroeniye i analiz [Algorithms: development and analysis], MCNMO, Moscow, Russia.

9. Digital Library Resources: Murphy Library and Beyond (2011) “Optimal Travel Path”, available at: http://murphylibrary.uwlax.edu/digital/jur/2000/bindl.pdf

10. Dorogov, A.Yu. and Lesnykh, V.Yu. (2009), “Algorithms of mobile objects optimal moving on rough country and transport network”, Automatics. Automation. Electrotechnical Complexes and Systems: Objects and Systems Optimal Control, no. 1, Kherson, KhNTU, pp. 23-24.

Надійшла до редакції: Рецензент: 30.04.2014 д-р техн. наук, проф. Чичикало Н.І.

В.А. Светличная, С.Ю. Землянская, С.С. Гавенко ДВНЗ «Донецкий национальный технический университет» Метод распределения обслуживающих работ при выполнении заявок. В статье приведены алгоритмы, реализующие метод распределения обслуживающих работ (МРОР) при выполнении заказов с использованием предварительной кластеризации множества организаций на первом этапе и метода маршрутизации с использованием алгоритма муравьиной колонии на втором. Приведен пример программной реализации предложенного метода. Ключевые слова: работа, распределение, кластеризация, маршрутизация, муравьиный алгоритм.


93

V.А.Svitlichna, S.Y.Zemlanska, S.S.Gavenko Donetsk National Technical University The method of distribution of service works for orders execution. The article considers the problem of jobs distribution and routs definition of company employees fulfilling the complex of maintenance works everyday. The manager of the company should solve the problem of rational employees jobs organization consisting in optimal routs search. The routs must start and stop at the office and go through customers locations points taking into account the works performance time. The problem is formulated as follows: the rout of the employee travel from the main office to the clients must be found and the travel costs should be minimal. The maintenance works distribution method consists of two parts and solves the task of works distribution in two stages. At primary stage the task of dividing of a region into compact service areas is solved. The clustering method (CM) is applied for this problem solving. At second stage the task of search of optimal for the specified criterion order of clients visiting is solved. Summary distance, time or cost of the travel may be used as a criterion. The routing method (RM) based on ant colony algorithm is used for this task solving. As the result we have the routs and timetables of employees taking into account the sequence of clients visiting. For both stages a family of algorithms allowing obtaining the result depending on the dimension of the initial problem, computing resources and requirements for the solution were developed. The article presents the results of a software implementation of the developed algorithms, which confirm their reality and efficiency. Key words: work, distribution, rout, clustering, routing, ant algorithm.

Світлична Вікторія Антонівна, Україна, закінчила Донецький політехнічний інститут, канд. тех. наук, доцент, доцент кафедри автоматизованих систем управління. ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – моделювання, сучасні інтелектуальні методи оптимізації. Землянська Світлана Юріївна, Україна, закінчила Донецький політехнічний інститут, канд. тех. наук, доцент кафедри автоматизованих систем управління. ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – моделювання, сучасні інтелектуальні методи оптимізації Гавенко Сергій Сергійович Україна, магістр кафедри автоматизованих систем управління. ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, г.Донецьк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – сучасні інтелектуальні методи оптимізації.


© Сєров Ю.О., Матієшин Л.М., 2014 94

УДК 004.3

Ю.О. Сєров (канд. техн. наук, доц.), Л.М. Матієшин Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів

e-mail: [email protected], [email protected]

ПРОБЛЕМИ ФУНКЦІОНУВАННЯ ВЕБ-САЙТІВ МІСЬКИХ РАД НЕВЕЛИКИХ МІСТ УКРАЇНИ

У цій роботі розглядаються типові помилки та проблеми функціонування веб-сайтів органів місцевого самоврядування, зокрема міських рад невеликих міст України. Перелічені вимоги до офіційних веб-порталів та нормативно-правові документи, які регламентують ці вимоги. Наведено основні недоліки веб-сайтів та рекомендації щодо їх покращення. Ключові слова: міська рада, веб-портал, офіційний веб-сайт, органи державної влади, органи місцевого самоврядування, нормативно-правові документи, інформування громадян.

Вступ Створення та функціонування веб-сайтів органів місцевого самоврядування є одним з

елементів формування системи електронного урядування в Україні. Інформаційні ресурси органів влади покликані повідомляти громадськість про

діяльність цих органів, сприяти прозорості та відкритості у відносинах між державою і громадянами, розвивати взаємодію влади та суспільства в мережі Інтернет.

Метою статті є проаналізувати типові недоліки та проблеми функціонування веб-сайтів міських рад саме малих міст України, адже через відсутність коштів для залучення висококваліфікованих спеціалістів в цій галузі функціонування порталів органів влади в невеликих містах є незадовільним.

У ст. 10 Закону України “Про місцеве самоврядування в Україні” зазначено, що міські ради є органами місцевого самоврядування, що представляють відповідні територіальні громади та здійснюють від їх імені та в їх інтересах функції і повноваження місцевого самоврядування [1]. Кожен орган державної влади, а також орган місцевого самоврядування, повинен оприлюднювати інформацію через власний офіційний веб-сайт у мережі Інтернет.

Теоретичні та практичні підходи з проблем електронного управління у діяльності органів державної влади та місцевого самоврядування висвітлено у працях В. Бакуменка, І. Клименко, Г. Почепцова, А. Семенченка, В. Тертички, В. Фурашева та М. Швеця. Серед учених, які досліджували тематику можливостей електронного урядування в діяльності органів державної влади, відомими є праці Л. Бесчастнової, І. Бондаренко, Н. Гончарук, І. Дроздової, Г. Писаренко, А. Семенченко тощо.

Вимоги до веб-сайтів органів державної влади Веб-сайт органу місцевого самоврядування, зокрема міської ради, є ефективним

засобом для доступу громадськості до публічної інформації, інформування територіальної громади про найновіші події та новини із життя міста та забезпечення зворотного зв’язку.

Нормативно-правовими вимогами до функціонування веб-сайтів органів влади є: Указ Президента «Про додаткові заходи по забезпеченню відкритості в діяльності органів державної влади» №683/2002 від 01.08.2002 року [2]; Постанова Кабінету Міністрів України «Про порядок оприлюднення у мережі Інтернет інформації про діяльність органів виконавчої влади» №3/2002 від 04.01.2002 року [3]; Постанова Кабінету Міністрів України «Про заходи щодо подальшого забезпечення відкритості у діяльності органів виконавчої влади» № 1302 від 29.08.2002 року [4]; Наказ Державного комітету інформаційної політики, телебачення та радіомовлення України та Державного комітету зв'язку та інформатизації України «Про


95

затвердження Порядку інформаційного наповнення та технічного забезпечення Єдиного веб-порталу органів виконавчої влади та Порядку функціонування веб-сайтів органів виконавчої влади» № 327/225 від 25.11.2002 р. [5].

Ці нормативно-правові документи визначають структуру веб-сайтів міських рад невеликих міст України, вимоги до інформаційного наповнення, інтерфейсу, проектування дизайну, оприлюднення інформації про діяльність органів виконавчої влади, інтерактивності тощо.

На офіційному веб-сайті органу виконавчої влади повинна розміщуватись така інформація:

найменування органу; основні завдання та нормативно-правові засади діяльності; структура та керівництво органу; прізвища, імена та по батькові керівників; місцезнаходження апарату, урядових органів державного управління, утворених у його

складі, територіальних органів та відповідних структурних підрозділів місцевих держадміністрацій (поштові адреси, номери телефонів, факсів, адреси офіційних веб-сайтів та електронної пошти);

основні функції структурних підрозділів, а також прізвища, імена, по батькові, номери телефонів, адреси електронної пошти їх керівників;

нормативно-правові акти з питань, що належать до компетенції органу; плани підготовки органом проектів регуляторних актів та зміни до них; повідомлення про оприлюднення проектів регуляторних актів, проекти цих актів і

аналіз їх регуляторного впливу; звіти про відстеження результативності прийнятих органом регуляторних актів; відомості про регуляторну діяльність органу; перелік та порядок надання адміністративних послуг органами виконавчої влади і

бюджетними установами, які перебувають в їх управлінні та яким делеговані повноваження з надання таких послуг;

відомості про взаємодію з громадською радою при органи виконавчої влади; відомості про проведення консультацій з громадськістю, громадської експертизи та

врахування громадської думки у своїй діяльності; зразки документів та інших матеріалів, необхідних для звернення громадян до органу; розпорядок роботи органу та час прийому керівництва; підприємства, установи та організації, що належать до сфери управління органу; цільові програми у відповідній сфері; відомості про проведення закупівлі товарів (робіт, послуг) за державні кошти; державні інформаційні ресурси з питань, що належать до компетенції органу; поточні та заплановані заходи і події у відповідній сфері; відомості про наявні вакансії [3].

Також на офіційному веб-сайті міської ради повинні міститись обов’язкові нормативно-правові документи, які регламентують діяльність ради, виконавчого комітету та результати діяльності їх підрозділів:

статут міста; генеральний план міста; правила забудови міста чи території; регламент роботи сесій та постійних комісій; бюджет на поточний рік; звіт про виконання бюджету за минулий рік;


96

програма соціально-економічного розвитку; звіт за виконання програми соціально-економічного розвитку за минулий рік; регіональні та місцеві програми; щорічні звіти про виконання регіональних та місцевих програм; державні програми в частинах, що стосуються міста чи території; щорічні звіти про виконання державних програм; базове законодавство щодо повноважень ради; положення про постійні та тимчасові комісії ради; положення про секретаріат ради; плани роботи та розклад засідань ради; проекти порядку денного сесій; затверджений порядок денний сесій ради; протоколи засідань ради; стенограми засідань ради; проекти рішень ради, оприлюднені відповідно до регламенту; рішення ради; плани роботи та розклад засідань комісій; порядок денний засідань комісій; протоколи засідань комісій; рішення комісій; звіти комісій про свою роботу; звіти депутатів; депутатські запити; оголошення про земельні аукціони та конкурси; результати земельних аукціонів та конкурсів.

Щодо технічних вимог до веб-сайту органу місцевого самоврядування, то сайт має обов’язково бути сумісним з розповсюдженим програмним забезпеченням.

Окремі сторінки сайту мають бути невеликими за обсягом для можливості перегляду інформації при повільному Інтернет-з’єднанні (це може бути окрема текстова версія сайту, без зображень, доступна з головної сторінки).

Матеріали веб-сайту мають бути доступні для скачування, їх бажано розміщувати на сайті у форматі, який не потребує встановлення ліцензійного програмного забезпечення, наприклад PDF.

Структурно сайт має бути впорядкованим за логічними принципами, тобто як, звідки і куди можна потрапити при перегляді. Інтерфейс має бути інтуїтивно зрозумілим для користувачів не дуже обізнаних з комп’ютерними програмами.

Якщо існує конференція (форум), сайт має модеруватися щоденно для виявлення та знищення заборонених на форумах висловлювань. На форумі має бути розділ з правилами форуму, реєстрація учасників [6].

Загальноприйнятим є визначення чотирьох видів електронного надання інформаційної послуги [7]:

1) інформування (надання безпосередньо інформації про державні послуги); 2) одностороння взаємодія (забезпечена можливість користувачу отримати електронну

форму документа); 3) двостороння взаємодія (забезпечена можливість обробки електронної форми

документа, включаючи ідентифікацію); 4) здійснення трансакцій (електронна реалізація можливостей прийняття рішень та їх

доставка).


97

Невелика кількість порталів міських рад малих міст України діють у режимі другого рівня, тобто односторонньої взаємодії. Це означає, що на веб-сайтах міських рад цих міст можна знайти інформацію про діяльність відповідної урядової організації та є можливість одержати з порталу встановлені зразки документів для подальшого їх заповнення та відправки звичайною поштою.

Однак, в основному, загальний стан розвитку веб-сайтів міських рад малих міст України знаходиться на першому рівні, тобто рівні інформування, що свідчить про необхідність розвитку та вдосконалення.

Проаналізувавши веб-сайти міських рад деяких міст України, можна відзначити такі недоліки:

відсутність офіційного веб-сайту; представлення в неповному обсязі інформації, яка обов’язково повинна міститись на

веб-сайті органу місцевого самоврядування відповідно до чинного законодавства; несвоєчасне оприлюднення чи оновлення інформації; розміщення інформації без зазначення дати, що не дозволяє визначити рівень її

актуальності; відсутність функції багатомовності, що дозволяє переглянути сторінку не тільки

державною мовою, а й іншими; розташування інформації в нелогічних розділах, що ускладнює пошук; відсутність посилань на офіційні сайти органів влади у підпорядкуванні яких перебуває

даний орган; відсутність форумів та блогів для обговорення актуальних питань; недостатнє представлення на сайтах зразків документів та інших матеріалів, необхідних

для звертання громадян до органу; відсутність ефективного зворотного зв’язку; слабка наповненість інформацією окремих розділів або її відсутність; недосконала структура веб-сайтів та незрозумілий інтерфейс тощо.

Для ефективного функціонування офіційних веб-сайтів міських рад невеликих міст України, потрібно вирішувати типові проблеми наповнення та розміщення інформації на цих сайтах.

По-перше, офіційні інтернет-представництва органів місцевого самоврядування мають різноманітну структуру розміщення інформації. Працюючи з різними сайтами, важко швидко зорієнтуватися, де саме розміщена необхідна інформація. Задля покращення доступу до інформації необхідно на законодавчому рівні зобов’язати до впровадження єдиної впорядкованої структури розміщення інформації на різних офіційних інтернет-представництвах органів місцевого самоврядування.

По-друге, деякі сайти мають складну структуру розділів та підрозділів. Під час завантаження головної сторінки таких сайтів немає можливості побачити всі наявні тематичні підрозділи та зрозуміти місцезнаходження і наявність певної інформації. На таких сайтах необхідно забезпечувати можливість перегляду окремої текстової версії сайту без зображень – інструмент «Карта сайту».

По-третє, не на всіх сайтах існує пошукова система. На більшості вона виконує пошук лише у новинах, на інших працює некоректно, видаючи багато зайвої інформації. Необхідно запровадити на всіх сайтах не тільки коректно працюючу загальну пошукову систему, а також окрему систему саме для пошуку документів з можливістю розширеного пошуку (окремі додаткові поля: за типом, за номером, за текстом із заголовка, за текстом із документа, за датою).

Щодо зворотного зв’язку – не на всіх сайтах впроваджено інструмент «Електронна приймальня запитань громадян» або «Надіслати запитання голові міської ради». Іноді важко


98

одразу знайти поштову та електронну адресу ради. Не реалізуються веб-конференції та форуми.

На сайтах органів місцевого самоврядування бажано запроваджувати такий інструмент, як «Електронна приймальня запитань громадян». Поштову та електрону адресу доцільно розміщувати на початку (наприкінці) головної сторінки або створювати окремий розділ «Контакти», «Наша адреса» та можливість надсилати електронного листа. Слід покращувати та вдосконалювати зворотний зв’язок із користувачем, реалізовувати на сайтах такі можливості, як «Веб-конференція» та «Форум».

У багатьох випадках на головних сторінках сайтів новини подають як єдиний перелік повідомлень, у такому випадку в них важко зорієнтуватися, іноді немає можливості переглянути архів новин. Бажано передбачати на головних сторінках сайтів окремі інформаційні поля: «Оголошення», «Повідомлення», «Анонси подій» тощо або створювати відповідні підрозділи. Також необхідно забезпечувати можливість доступу до архіву новин. Найбільшою проблемою в інформаційній наповненості на сайтах міських рад є відсутність або спосіб розміщення документів, які стосуються роботи ради. Без чіткої структури розміщення документи можуть бути наявні, але не доступні.

Одним з головних недоліків є розміщення великої кількості документів («Бюджет міста», «Програма соціально-економічного розвитку», «Міські програми» та ін.) як додатків до відповідних рішень – пошук таких документів дуже ускладнюється. Бувають випадки, коли перелік рішень сесій розміщують в єдиних архівах чи вказують у переліку тільки номер рішення без назви – зорієнтуватися в такому випадку, що, де розміщено, неможливо. Для вирішення цієї проблеми, необхідно приділити більшу увагу оприлюдненню документації та структурі її розміщення. Створювати окремі логічні розділи та підрозділи. Рішення бажано розміщувати у окремих підрозділах: «Рішення ради», «Рішення виконкому» головного розділу «Документи». Рішення ради бажано впорядковувати по роках та по сесіях, обов’язково вказувати у переліку рішень їх назви, та забезпечити можливість перегляду (викачування) таких документів.

Доцільно розміщувати на початку переліку рішень кожної окремої сесії «Порядок денний сесії ради» та створити окремі підрозділи «Проекти рішень ради що виносяться на розгляд до чергової сесії», «Протоколи засідань ради». До головного розділу «Міська рада» додати, серед інших, підрозділ «Базове законодавство щодо повноважень ради» та розмістити у ньому такі документи як: «Регламент роботи ради», «Положення про виконавчий комітет», «Положення про постійні та тимчасові комісії», «Плани роботи ради» та «Звіти про виконання планів роботи ради». Частіше за все такі документи розміщують у довгих переліках рішень ради, що ускладнює пошук таких документів. Деякі документи потребують створення окремих розділів або підрозділів. Документи: «Статут міста», «Генеральний план міста», «Правила забудови міста» - доцільно розмістити у головному розділі «Про місто». У головному розділі «Бюджет» логічно розмістити: «Бюджет міста на поточний рік», «Звіти за виконання бюджету за минулі роки», «Щоквартальні довідки про виконання бюджету поточного року». Документи «Програма соціально-економічного розвитку» (по роках) та «Звіт за виконання програми соціально-економічного розвитку» доцільно розміщувати у розділі «Економіка». «Щорічні звіти голови про свою роботу та роботу виконавчих органів» - у головному розділі «Голова ради». Окремий розділ потрібен і для місцевих та державних програм в частинах, що стосуються міста, щорічних звітів про їх виконання. Частіше за все тексти програм розміщують у рішеннях ради, таке розміщення не дає можливості зрозуміти, які саме програми існують та продивитися їх зміст [8].

Висновок Отже, ефективна робота міської ради безпосередньо залежить від тісної комунікації з

мешканцями міста, яку можна забезпечити за допомогою функціонування офіційного веб-сайту з інтерактивними можливостями.


99

На сьогоднішній день функціонування офіційних веб-сайтів міських рад у малих містах України перебуває на найнищому рівні, тому потребує вдосконалення та розширення своїх можливостей для повноцінного інформування громадян та забезпечення двосторонньої комунікації з ними.

Список використаної літератури 1. ЗУ «Про місцеве самоврядування в Україні» [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/280/97-вр. 2. Указ Президента «Про додаткові заходи по забезпеченню відкритості в діяльності

органів державної влади» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakon1.rada.gov.ua/laws/show/683/2002.

3. Постанова КМУ «Про порядок оприлюднення у мережі Інтернет інформації про діяльність органів виконавчої влади» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/3-2002-п.

4. Постанова КМУ «Про заходи щодо подальшого забезпечення відкритості у діяльності органів виконавчої влади» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/1302-2002-п.

5. Наказ Державного комітету інформаційної політики, телебачення та радіомовлення України та Державного комітету зв'язку та інформатизації України «Про затвердження Порядку інформаційного наповнення та технічного забезпечення Єдиного веб-порталу органів виконавчої влади та Порядку функціонування веб-сайтів органів виконавчої влади» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakon1.rada.gov.ua/laws/show/z1022-02.

6. Методика моніторингу Інтернет-сайтів органів місцевого самоврядування [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.csi.org.ua/www/?p=965.

7. Веб-сайт органу влади як основна інформаційно-технологічна форма комунікації в е-урядуванні: вимоги щодо контенту, актуалізації, інтерфейсу, дизайну та інтерактивності [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.znannya.org/?view=e-government-aspirations.

8. Корчинський С. М. Інформаційна відкритість сайтів міських рад станом на 2012 р. Які зміни відбулися / С. М. Корчинський. - К.: Леста, 2012. – 43 с.

References 1. The law of Ukraine “About local government in Ukraine” [Online], available at:

http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/280/97-вр (Accessed 26 April 2014). 2. Methods of monitoring of local governments’ Internet-sites [Online], available at:

http://www.csi.org.ua/www/?p=965 (Accessed 26 April 2014). 3. Government websites as a major information-technology form of communication in e-

government: content, actualization, interface, design and interactivity requirements [Online], available at: http://www.znannya.org/?view=e-government-aspirations (Accessed 26 April 2014).

4. Korchynskyj, S.M. (2012), Information openness of city councils’ websites in 2012. Changes that happened, Lesta, Kyiv, Ukraine.



100

Ю.О. Серов, Л.Н. Матиешин Национальный университет «Львовская политехника» Проблемы веб-сайтов городских советов в небольших городах Украины. В этой работе рассматриваются типичные ошибки и проблемы функционирования веб-сайтов органов местного самоуправления, в частности городских советов небольших городов Украины. Перечислены требования к официальным веб-порталам и нормативно-правовые документы, регламентирующие эти требования. Приведены основные недостатки сайтов и рекомендации по их улучшению. Ключевые слова: городской совет, веб-портал, официальный сайт, органы государственной власти, органы местного самоуправления, нормативно-правовые документы, информирования граждан.

Yu.O. Syerov, L.N. Matieshyn Lviv Polytechnic National University Problems of the city councils web-sites in small towns of Ukraine. In this paper the process of functioning of public authorities’ websites, in particular city councils’ in small towns of Ukraine is described. The requirements to the official web portals, legal documents that regulate these requirements and the main disadvantages of websites are accounted. In the article it is stated that the website of the local government, in particular of the City Council, is an effective way for public access to public information of informing the territorial community about the latest news and events from the life of the city and providing the feedback. The legal documents that define the structure of the authorities’ web-sites, requirements for the content, interface design, interactivity etc. are described. The aim of the paper is to analyze the disadvantages of city councils’ web-sites, because of the lack of funds for implicating highly qualified specialists in this area the functioning of government portals in small towns is unsatisfactory. So, the effective work of a city council depends on close communication with the inhabitants of the city that can be achieved by functioning of the official city council web-site means with interactive features. Keywords: city council, web-portal, official web-site, public authorities, local governments, legal documents, informing of citizens.

Сєров Юрій Олегович, Україна, закінчив Національний університет «Львівська політехніка», канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри соціальних комунікацій та інформаційної діяльності Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Основні напрямки наукової діяльності: методи та засоби побудови віртуальних спільнот, віртуальні спільноти та соціальні мережі у WWW, проблеми побудови та розвитку інформаційного суспільства.

Матієшин Любов Миколаївна, Україна, навчається в Національному університеті «Львівська політехніка» на факультеті «Документознавство та інформаційна діяльність», студентка Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Основні напрямки наукової діяльності: інформаційні технології соціальних комунікацій.


© Скрупський С.Ю., Доля А.С., 2014 101

УДК 004.627:004.272.26

С.Ю. Скрупський (канд. техн. наук), А.С. Доля Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя

кафедра комп'ютерних систем та мереж e-mail: [email protected], [email protected]

ФРАКТАЛЬНЕ УЩІЛЬНЕННЯ ВІДЕОІНФОРМАЦІЇ У РОЗПОДІЛЕНИХ КОМП'ЮТЕРНИХ СИСТЕМАХ

Розглянуто фрактальне ущільнення зображень. Проаналізовано його основні параметри та показники результату. Розроблено паралельний алгоритм фрактального ущільнення відеоінформації. Виконано експериментальне дослідження алгоритму у розподіленій комп'ютерній системі. Зроблено висновки стосовно ефективності використання фракталів для компресії відеоінформації у сучасному форматі HDTV. Ключові слова: фрактали, компресія, відеоінформація, HDTV, розподілена система.

Вступ Сучасні засоби запису фото - та відеоінформації дозволяють відтворювати зображення

у найдрібніших деталях. Чим якісніше відтворюється зображення, тим більше біт потрібно для його кодування, а отже, тим більші обсяги дискового простору воно займає і тим більшу смугу пропускання каналів зв'язку воно використовує при передаванні. Для вирішення зазначених проблем використовують методи ущільнення, такі як дискретне косинусне перетворення (ДКП), фрактальне ущільнення та інші. Порівняно низька обчислювальна складність ДКП зумовлює його поширення у сучасних стандартах компресії, однак, ДКП викликає ефект "блоковості" (помітні викривлення на границях блоків) при ущільненні [1, 2]. Одним з перспективних методів компресії є фрактальне ущільнення зображення, яке, через свою високу обчислювальну складність, не отримало значного поширення [3].

Постановка задачі Для ущільнення відеоінформації сучасного формату HDTV за допомогою фрактального

методу за прийнятний час необхідно використовувати паралельні та розподілені комп'ютерні системи. Ефективне застосування цих систем зумовлює необхідність адаптації алгоритму фрактального ущільнення під багатопроцесорні архітектури, що дозволить скоротити час ущільнення при збереженні якості результату та коефіцієнту ущільнення.

Тому метою даної роботи є дослідження принципів фрактального ущільнення зображення, а також розробка паралельного алгоритму фрактального ущільнення відеоінформації та його випробування у розподіленій комп'ютерній системі.

Сутність фрактального ущільнення зображення Коротко розглянемо сутність фрактального ущільнення. Поняття "фрактал"

використовується для позначення нерегулярних самоподібних структур, при цьому частина фракталу може бути використана для відтворення всього фракталу. Фрактальне ущільнення засновано на тому, що за допомогою тривимірних афінних перетворень (x координата, у координата, яскравість) зображення представляється в більш компактній формі у порівнянні з оригіналом. Нехай R – вихідне зображення, di – домени зображення, ri – ранги зображення. Кожне перетворення wi трансформує di в ri таким чином:

i

ii

ii rdwRW )()( .

Алгоритм фрактальної компресії зображення можна представити наступним чином: 1. Повністю розбити вихідне зображення R на блоки – рангові області ri;


102

2. Для кожної рангової області ri знайти доменну область di (блок більшого розміру) і відображення wi з такими властивостями:

а) wi (di) має ту ж форму, розміри і положення, що і ri; б) коефіцієнт перетворення wi повинен бути меншим одиниці; в) значення перетворення повинно бути якомога меншим. 3. Зафіксувати коефіцієнти афінних перетворень W, розбиття зображення на домени і

положення доменних областей di [4, 5]. Аналіз результатів порівняння фрактального ущільнення та ДКП з квантуванням, що

використовуються стандартом JPEG, дозволяє зробити такі висновки: фрактальне ущільнення дозволяє домогтися кращих коефіцієнтів ущільнення при

більшій якості результату в порівнянні з ДКП [6]; на відміну від ДКП, фрактальне ущільнення не викликає ефект "блоковості", що

покращує сприйняття зображення; висока обчислювальна складність фрактального ущільнення не дозволяє виконувати

компресію великих зображень, не кажучи про відеоінформацію, за прийнятний час. Паралельний алгоритм фрактального ущільнення відеоінформації Компресію відеоінформації можна розглядати як ієрархічний процес, в якому на

кожному рівні ієрархії усувається надлишковість об'єкта. Об'єктом може бути група кадрів тієї чи іншої тривалості, окремий кадр, група блоків у кадрі, чи окремий блок.

В даній роботі пропонується здійснити ущільнення окремо кожного кадру відеопослідовності фрактальним методом. Таким чином, буде виконане усунення просторової надлишковості відеоінформації. Часову надлишковістю усунути фрактальним методом неможливо, її усувають іншими методами не верхніх рівнях ієрархії системи компресії відеоінформації (наприклад, блоковими методами, методами оптичного потоку, фазової кореляції та ін. [7]).

Для того, щоб отримати прийнятний час ущільнення відеоінформації у форматі HDTV, кожен кадр якої має розміри 1920×1080 пікселів, розпаралелимо послідовний алгоритм фрактального ущільнення зображення. Для цього треба поділити відеоінформацію на кадри (кожний обчислювальний вузол буде працювати зі своїми кадрами) та розподілити кадри по обчислювальних вузлах. Далі кожен обчислювальний вузол після отримання набору кадрів почне виконувати ущільнення кожного кадру. Після цього ущільнені кадри будуть об'єднуватися у відеопослідовність шляхом конкатенації файлів, що містять ущільнені кадри. На останньому кроці отримувані від обчислювальних вузлів відеопослідовності будуть об'єднуватися на головному вузлі аналогічно шляхом конкатенації файлів. Запропонований паралельний алгоритм фрактального ущільнення відеоінформації наведено на рис. 1.

Зазвичай алгоритм фрактального ущільнення має чотири параметри: розмір рангової області, крок пошуку домену, точність пошуку, спосіб пошуку кращого домену. Варіювання цими параметрами дозволяє отримувати результат ущільнення з різними показниками. До основних показників результату ущільнення можна віднести наступні [8]:

коефіцієнт ущільнення (відношення розміру файлу зображення після ущільнення до розміру файлу зображення до ущільнення) – чим менше, тим краще;

рівень викривлення, що характеризує якість зображення, може бути оцінений за допомогою метрики PSNR в дБ – чим більше значення PSNR, тим якісніше зображення;

час ущільнення характеризує часові витрати на ущільнення зображення – чим менше, тим швидше буде отриманий результат.

Шляхом варіювання зазначених параметрів кодера, що здійснює фрактальну компресію відеоінформації за паралельним алгоритмом, експериментально було досліджено вплив кожного з цих параметрів компресії на показники результату ущільнення.


103

Організація обчислювальних експериментів У розподілену комп'ютерну систему (рис. 2) надходила відеоінформація для

ущільнення. Головний вузол отримував тестові відеопослідовності, розділяв їх на кадри та розподіляв кадри в рівній кількості по обчислювальних вузлах. Обчислювальні вузли виконували ущільнення отримуваних кадрів фрактальним методом. Після цього – об'єднували ущільнені кадри у відеопослідовності, які надсилали до головного вузла, що об’єднував їх у результуючу ущільнену відеопослідовність.

Рисунок 1 – Запропонований алгоритм фрактального ущільнення відеоінформації

Задіяні в експериментах 8 обчислювальних вузлів розподіленої системи мали

двоядерний процесор Intel Celeron E1200 з оперативною пам’яттю 1 ГБ DDR-2 800 МГц. Середовище передачі даних – Fast Ethernet. На вузлах була встановлена операційна система MS Windows XP SP3. Жодного middleware не було використано, замість цього виконувалась власна реалізація алгоритму фрактального ущільнення відеоінформації. Для керування


104

обчислювальними вузлами був задіяний пакет Microsoft PsTools. Для поділу відеопослідовності на кадри був використаний пакет YUVTools [9].

Рисунок 2 – Розподілена комп'ютерна система фрактального ущільнення відеоінформації

Для керування обчислювальним процесом були написані скрипти для batch-

інтерпретатора операційної системи. Синтаксис задавання параметрів фрактального ущільнення:

{*,*,*,*}, де 1-й параметр відповідає розміру рангової області; 2-й параметр – крок пошуку домену; 3-й параметр – точність пошуку; 4-й параметр – спосіб пошуку кращого домену (1 – повний перебір варіантів для кожного рангового блоку; 0 – пошук, що задовольняє максимальному середньоквадратичному відхиленню).

Параметри ущільнення обиралися послідовним підбором за критерієм відношення часу ущільнення до прийнятної візуальної якості стисненої відеопослідовності. В результаті було обрано три варіанти параметрів ущільнення: {8, 64, 0.005, 1}, {8, 32, 0.005, 1}, {8, 8, 0.005, 0}.

Для експериментів використані HD-відеопослідовності з числа загальноприйнятих для тестування методів ущільнення відеопослідовностей, наприклад, [10, 11], а саме: "Riverbed", "Rush_hour", "Blue_sky". Для того, щоб отримати співвідносні результати між кожною відеопослідовністю, вони були скорочені до 30 кадрів (88,9 МБ) кожна шляхом відсічення кадрів з кінця. Всі відеопослідовності мали роздільну здатність кадру 1920×1080 пікселів та не супроводжувалися аудіо доріжкою.

Далі наведено середні значення результатів багаторазових експериментів на одному, двох, чотирьох та восьми вузлах розподіленої системи при ущільненні описаних вище тестових відеопослідовностей.

Результати експериментів Якість ущільнених відеопослідовностей оцінювалася за допомогою метрики PSNR.

Усереднені по всіх кадрах значення PSNR для тестових відеопослідовностей наведено на рис. 3. Порівняння коефіцієнтів ущільнення тестових відеопослідовностей в залежності від параметрів компресії наведено на рис. 4.

Експериментальне порівняння параметрів фрактального ущільнення відеоінформації за часом ущільнення, що виконується за допомогою паралельного алгоритму на одному, двох, чотирьох та восьми вузлах, наведено на рис. 5–8. Графік прискорення обчислювального процесу та графік ефективності розподіленої системи наведено на рис. 9 та 10 відповідно.


105

Рисунок 3 – Усереднені по всіх кадрах PSNR

для тестових відеопослідовностей

Рисунок 4 – Коефіцієнти ущільнення

тестових відеопослідовностей

Рисунок 5 – Час ущільнення на одному вузлі

Рисунок 6 – Час ущільнення на 2х вузлах

Рисунок 7 – Час ущільнення на 4х вузлах

Рисунок 8 – Час ущільнення на 8ми вузлах


106

Рисунок 9 – Графік прискорення процесу ущільнення відеоінформації фрактальним методом

Рисунок 10 – Графік ефективності розподіленої системи ущільнення відеоінформації

фрактальним методом Висновки Прискорення обчислювального процесу зростає майже лінійно зі збільшенням кількості

обчислювальних вузлів. Втрати продуктивності зумовлені комунікаційними накладними витратами. Зі зменшенням кроку пошуку домену час ущільнення зростає. Спосіб пошуку кращого домену впливає на час ущільнення в залежності від конкретної відеопослідовності. Одночасно з цим, повний перебір доменів завжди дає кращий за якістю результат у порівнянні з пошуком за середньоквадратичним відхиленням. Параметри фрактальної компресії в цілому не суттєво впливають на коефіцієнти ущільнення, розбіжність яких зумовлена особливостями конкретних відеопослідовностей. При цьому коефіцієнтів ущільнення, яких вдалося досягти при фрактальній компресії відеоінформації з прийнятною якістю, не достатньо для зберігання ущільненої відеоінформації у форматі HDTV. Однак, за допомогою фрактального ущільнення можна виконувати компресію інтракадрів відеопослідовностей. Подальші дослідження будуть спрямовані на отримання кількісних показників ефективності паралельної компресії відеопослідовностей фрактальним методом у порівнянні з вейвлетним перетворенням.

Перелік використаної літератури 1. Скрупский С.Ю. Методы компрессии видеоинформации / С.Ю. Скрупский // Наукові

праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Обчислювальна техніка та автоматизація". – 2011. – № 21 (183). – С. 122–130.

2. Проведенные в МГУ сравнения видеокодеков [Электронный ресурс] / CS MSU Graphics & Media Lab (Video Group). – Режим доступа: \www/ URL: http://www.compression.ru/video/codec_comparison/.


107

3. Чернов А.В. Быстрый поиск опорных фрагментов при фрактальном кодировании зображений / А.В. Чернов // Компьютерная оптика. – 2005. – № 28. - С. 100–105.

4. Уэлстид С. Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии: учебное пособие / С. Уэлстид; перевод с англ. – М.: Триумф, 2003 – 320 с.

5. Тропченко А.Ю. Методы сжатия изображений, аудиосигналов и видео: учебное пособие / А.Ю. Тропченко, А.А. Тропченко. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 108 с.

6. Илюшин С.В. Фрактальное сжатие телемедицинских изображений / С.В. Илюшин, С.Д. Свет // Электросвязь. – 2009. – № 4. – С. 36–40.

7. Обзор блочных методов оценки движения в цифровых видеосигналах / [С.В. Гришин, Д.С. Ватолин, А.С. Лукин, С.Ю. Путилин, К.Н. Стрельников] // Программные системы и инструменты. Тематический сборник. – 2008. - №9. – С. 50–62.

8. Скрупский С.Ю. Параметры компрессии видеоинформации в распределенных системах / С.Ю. Скрупский, Н.В. Луценко, Л.С. Скрупская // Радіоелектроніка, інформатика, управління. – 2011. – №2 (25). – С. 137–143.

9. YUVTools Sunray Image [Электронный ресурс]. – Режим доступу: \www/ URL: http://www.sunrayimage.com/.

10. Xiph.org Test Media [Электронный ресурс]. – Режим доступу: \www/ URL: http://media.xiph.org/video/derf/.

11. YUV Video Sequences [Электронный ресурс] / Arizona State University. – Режим доступа: \www/ URL: http://trace.eas.asu.edu/yuv/.

References 1. Skrupsky, S.Y. (2011), “Video compression methods”, Naukovi pratsi Donetskoho

natsionalnoho tekhnichnoho universytetu. Seriia: "Obchysliuvalna tekhnika ta avtomatyzatsiia", no. 21 (183), pp. 122-130.

2. Conducted in MSU video codecs comparison by CS MSU Graphics & Media Lab (Video Group (2012) Electronic Resources, available at http://www.compression.ru/video/ codec_comparison/.

3. Chernov, A.V. (2005), “Fast search of reference fragments in fractal image coding”, Kompiuternaia optyka, no. 28, pp. 100-105.

4. Uelstyd, S. (2003), Fraktaly i vejvlety dlya szhatiya izobrazhenij v dejstvii, Triumf, Moscow, Russia.

5. Tropchenko, A.Y. and Tropchenko, A.A. (2009) Metody szhatiya izobrazhenij, audiosignalov i video, SPbGU ITMO, St. Petersburg, Russia.

6. Ilyushin, S.V. (2009), “Fractal compression telemedicine images”, E'lektrosvyaz', no. 4, pp. 36-40.

7. Grishin, S.V., Vatolin, D.S., Lukin, A.S. (2008) “Overview of block motion estimation methods in digital video signals”, Programmnye sistemy i instrumenty, no. 9, pp. 50-62.

8. Skrupsky, S.Y., Lucenko, N.V., Skrupskaya, L.S. (2011), “Video compression parameters in distributed systems”, Radioelektronika, informatyka, upravlinnia, no. 2 (25), pp. 137-143.

9. YUVTools Sunray Image (2013) Electronic Resources, available at http://www.sunrayimage.com (Accessed 20 May 2013).

10. Xiph.org Test Media (2013), available at http://media.xiph.org/video/derf (Accessed 12 May 2013).

11. YUV Video Sequences provided by Arizona State University (2013), available at http://trace.eas.asu.edu/yuv (Accessed 14 May 2013).



108

С.Ю. Скрупский, А.С. Доля Запорожский национальный технический университет Фрактальное сжатие видеоинформации в распределенных компьютерных системах. Рассмотрено фрактальное сжатие изображений. Проанализированы его основные параметры и показатели результата. Разработан параллельный алгоритм фрактального сжатия видеоинформации. Выполнено экспериментальное исследование алгоритма в распределенной системе. Сделаны выводы об эффективности применения фракталов для компрессии видеоинформации в формате HDTV. Ключевые слова: фракталы, компрессия, видеоинформация, HDTV, распределенная система.

S.Y. Skrupsky, A.S. Dolya Zaporizhzhya National Technical University Fractal compression of videoinformation in distributed computer systems. The article deals with fractal compression of images and videoinformation. The actuality of fractal compression application has been substantiated. The fractal image compression method has been considered. The analysis of the main parameters of the compression such as size of rank area, step of domain search, search accuracy and search method; and the indicators of compression outcome as follows: compression ratio, distortion level and compression time has also been performed. Besides the parallel algorithm of fractal videoinformation compression that enables the use of parallel and distributed computer architectures has been developed. In the algorithm, each frame of the video sequence is separately compressed by the fractal method. The experimental investigation of the algorithm in a distributed computer system which, by varying the parameters of the encoder, allows us to estimate the acceleration of the computational process, the effectiveness of the computer system, the quality of the result (with objective metric PSNR) and the compression ratio, has been performed. The experiments have been implemented on generally accepted HDTV-videosequences for testing methods of compression, such as "Riverbed", "Rush hour", "Blue sky", using known packages PsTools and YUVTools. The experimental results have been clearly presented in the form of graphs. Finally, conclusions have been drawn about the effectiveness of fractals to compress video in a modern HDTV format. The directions for further investigations in the field of fractal videoinformation compression have been outlined. Keywords: fractals, compression, videoinformation, HDTV, distributed system.

Скрупский Степан Юрьевич, Украина, закончил Запорожский национальный технический университет, канд. тех. наук, старший преподаватель кафедры компьютерных систем и сетей Запорожского национального технического университета (ул. Жуковского, 64, г. Запорожье, 69063, Украина). Основное направление научной деятельности – компрессия видеоинформации на высокопроизводительных компьютерных системах.

Доля Андрей Сергеевич, Украина, закончил Запорожский национальный технический университет, магистр кафедры компьютерных систем и сетей Запорожского национального технического университета (ул. Жуковского, 64, г. Запорожье, 69063, Украина). Основное направление научной деятельности – фрактальная компрессия видеоинформации.


© Стрихалюк Б.М., Шпур О.М., 109 Селюченко М.О., 2014

УДК 621.391

Б.М. Стрихалюк (канд. техн. наук, доцент), О.М. Шпур (аспірант), М.О. Селюченко (аспірант)

Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів кафедра телекомунікації

e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

ВИЗНАЧЕННЯ ДОСТУПНОСТІ ПРОГРАМНИХ КОМПЛЕКСІВ У СИСТЕМАХ З СЕРВІСНО-ОРІЄНТОВАНОЮ АРХІТЕКТУРОЮ

Доступність сервісів в сучасних системах обслуговування на основі cloud технології є одним з основних показників якості та надійності. В умовах постійних змін існуючих та впровадження нових методів надання сервісу та залежність доступності від багатьох факторів системи, робить її оцінку непростою задачею. Розділення систем керування та надання послуг, перехід до використання інформаційних технологій та методів створення послуг на основі програмного забезпечення призвели до виникнення систем обслуговування з динамічним середовищем, в якому поведінку та стан більшості компонентів чи процесів дуже тяжко передбачити. В результаті чого постає проблема оцінки доступності компонентів системи обслуговування. Класична теорія систем масового обслуговування для оцінки доступності комутаційних систем використовує методи, перевірені експериментально та на практиці. Для вирішення цієї проблеми ми пропонуємо використовувати метод групового пошуку ефективної доступності, що використовувався свого часу для оцінки доступності в класичних комутаційних системах масового обслуговування. Ключові слова : cloud, SOA, доступність.

Вступ та аналіз існуючих досліджень Сучасний стан розвитку інформаційних технологій спрямований на розроблення та

впровадження нових підходів до організації обчислювального процесу [1]. Практично всі методи побудови сучасних систем та програм базуються на принципах

сервісно-орієнтованої архітектури. Сервісно-орієнтована архітектура (SОА) в галузі інформаційних технологій визначає основні принципи побудови програм відповідно до специфіки конкретної задачі [2]. SOA базується на таких основних принципах:

1. Модульність компонентів – кожний компонент є незалежним від всіх інших компонентів і виконує одну визначену функцію. Компонент повинен мати відкритий інтерфейс, який описує синтаксис для виклику функції та результат, який ця функція повертає. Завдяки такому інтерфейсу, компоненти можуть взаємодіяти між собою.

2. В основі взаємодії компонентів лежить другий принцип SOA – обмін інформацією на основі технології комутації повідомлень, завдяки використанню якої будь-який компонент може взаємодіяти з будь-яким іншим компонентом системи використовуючи для звертання відкритий інтерфейс [3].

Будь-який процес можна розділити на логічну послідовність простих функцій, кожну з яких можна реалізувати як окремий програмний компонент. Взаємодіючи між собою за визначеною схемою, ці компоненти можуть реалізувати процес будь-якої складності (рис.1).

Рисунок 1 - Реалізація логічних процесів на основі SOA


110

Така архітектура програм, що може використовуватися для надання сервісів клієнтам, володіє значними перевагами у порівнянні з монолітною архітектурою програмного забезпечення.

На основі SOA можна реалізувати будь-яку послугу, яка може бути отримана як сервіс користувачами у віддаленому режимі. Для цього користувач надсилає запит, який поступає на обробку до програмного додатку, що реалізує потрібну послугу. Запит обробляється всіма компонентами послідовно і результат відправляється останнім компонентом назад до користувача. У випадку реалізації такої програми постає важливе питання - забезпечення високого рівня доступності всіх компонентів програми в умовах збільшення кількості користувачів з метою забезпечення умов договору SLA провайдером послуг. Підвищення інтенсивності вхідного навантаження може призвести до блокування того чи іншого компоненту програми. Це пов’язано з тим, що кожен компонент виконує функції, які відрізняють за складністю і тривалістю обслуговування. В результаті компонент, який потребує більше часу для виконання обробки запиту або повинен очікувати відповідь від інших допоміжних компонентів системи, наприклад бази-даних, або може стати вузьким місцем цілого процесу обслуговування запиту.

Для уникнення вузьких місць в процесі обслуговування доцільно здійснювати реплікацію компонентів. З метою підвищення доступності, всі екземпляри компонента доцільно розташовувати на окремих фізично-незалежних серверах, оскільки відмова одного з серверів не вплине на доступність решти екземплярів компонента, які продовжать обслуговування запитів. В реальних системах доцільно здійснювати реплікацію всіх компонентів програми, що гарантує не тільки доступність але і високу якість обслуговування за рахунок можливості здійснення динамічного балансування навантаження (рис. 2).

Рисунок 2 - Підвищення доступності програм завдяки реплікації її компонентів

Одним з таких підходів на основі сервісно-орієнтованої архітектури по реалізації

реплікацій компонентів програм є cloud системи, що вважається наступним еволюційним кроком у розвитку розподілених обчислень. Метою такого підходу є підвищення ефективності використання розподілених ресурсів, об’єднання їх в єдину високо-продуктивну систему здатну вирішувати масштабні обчислювальні задачі. В cloud-системах використовуються як відомі технології так і нові ідеї та рішення.

Користувачам хмари надаються необхідні сервіси віддалено за допомогою технології віртуалізації. Користувач має доступ до власних даних, але не може управляти і не повинен піклуватися про інфраструктуру, операційну систему і власне програмне забезпечення, з яким він працює. Проте важливим аспектом у наданні cloud послуг є доступність до цих сервісів як у середині хмари так і до хмари загалом, наявність вільних каналів для їх надання та необхідної смуги пропускання для задоволення потреб користувачів.

Однак навіть при великому різноманітті моделей надання сервісів, доступність до компонентів сервісу все одно залишається пріоритетною задачею. Над проблемою доступності компонентів на різних рівнях cloud системи працюють багато вчених. Зокрема, дослідження доступності фізичних серверів в умовах динамічного розгортання віртуальних машин проводиться вченими Hamzeh Khazaei, Jelena Miṧić, Vojislav B. Miṧić та Nasim Beigi-Mohammadi [4]. Ще одна робота, авторами якої є Adam Grzech та Paweł Świątek, присвячена


111

дослідженню доступності складних програм на основі сервісно-орієнтованої архітектури. В цій роботі проведено дослідження структури складних програм та способу її оптимізації для підвищення доступності [5].

Постановка проблеми та її вирішення Сьогодні основним та найбільш оптимальним середовищем для реалізації програм на

основі сервісно-орієнтованої архітектури є Cloud-система. В основі таких систем лежить технологія віртуалізації. Перевагами її використання є можливість динамічного розгортання віртуальних машин на серверах в залежності від потреб користувачів та можливість динамічної міграції віртуальних машин з одного сервера на інший..

На кожній VM можна виділити певну кількість програмних компонентів. Кожен програмний додаток споживає однакову кількість апаратних ресурсів для обслуговування запитів. Кожен програмний додаток може обслуговувати запити від користувачів певної інтенсивності. Проте інтенсивність надходження запитів в певний момент часу може збільшитися. Це призведе до зменшення продуктивності програмного компоненту, до якого цей запит був надісланий та появи блокувань на обслуговування таких запитів.

Для уникнення перевантаження компонентів, а саме зменшення ймовірності блокування, ми пропонуємо оцінювати доступність сервісних програм, що побудовані на основі сервісно-орієнтованої архітектури та виконуються в середовищі Cloud-системи, за допомогою методу визначення ефективної доступності в режимі групового пошуку. Для цього ми вводимо такі умови та обмеження.

кількість функціонально-незалежних, незамінних компонентів програми становить j; у випадку обслуговування запиту компонент буде недоступним для всіх інших

запитів, тобто компонент перейде до обслуговування наступного запиту тільки після закінчення повної обробки поточного запиту;

на одній віртуальній машині можна встановити тільки один компонент чи його екземпляр, незалежно від функціональності, тому для розгортання окремого компоненту використовується нова віртуальна машина;

на всіх фізичних серверах можуть одночасно виконуватися не більше ніж N віртуальних машин одночасно;

кількість компонентів Z для всіх функцій програми є однаковою. В результаті цього можна побудувати схему обслуговування запиту, доступність якої

можна оцінити за допомогою класичної моделі багатоланкових систем типу час-простір-…-простір-час. Така схема відображена на рис.3.

Рисунок 3 - Модель багатоланкової cloud системи


112

Для оцінки доступності пропонуємо використовувати метод ефективної доступності в режимі групового пошуку (метод «КЛІГС») [6].

Метод КЛІГС отримав скорочену назву від англійських слів, що означають «розрахунок багатоланкових систем групового шукання». Метод ґрунтується на поняттях середньої доступності dsr, середньої недоступності максимальної доступності dmax комутаторів останньої ланки від будь-якого вільного входу першої ланки. За допомогою цих понять визначається ефективна доступність def, значення якої дає змогу обчислити ймовірність втрат, користуючись модифікованою формулою Пальма-Якобеуса. Формула Пальма-Якобеуса описує зайняття з’єднувальних ліній в неповнодоступному пучку, який можна описати за допомогою розподілу Ерланга, отриманого ним для зайняття будь-яких D ліній в повнодоступному пучку.

Даний метод визначення доступності системи може бути адаптований для таких систем як cloud. Припустимо, що наша cloud система має 5 фізичних серверів (ланок), які можуть одночасно містити і обслуговувати не більше ніж 4 віртуальних машини кожен. Відповідно до розробленої схеми (рис.4) обслуговування запиту на одному фізичному сервері можуть бути встановлені віртуальні машини, на яких виконуються компоненти тільки одного типу. Такі сервери утворюють ланку. Запит в процесі обслуговування проходить по черзі через усі ланки. Після обробки запиту k-м компонентом у ланці i, запит відправляється до будь-якого вільного компоненту у ланці i+1. При цьому приймається, що протягом часу від моменту надходження запиту на окремий компонент першої ланки до моменту закінчення обслуговування запиту компонентом останньої ланки, всі компоненти, через які проходить запит не можуть здійснювати обробку інших запитів відповідно до типу компоненту, який виконує відповідну обробку запиту. Процес обслуговування запиту послідовністю сервісів в усіх ланках також відображена на рис.4.

Рисунок 4 - Процес обслуговування запиту послідовністю сервісів

Використання методу для cloud систем передбачає введення таких позначень: mi – кількість логічних зв’язків віртуальної машини і-тої ланки з віруальною машиною

ланки і+1( для нашого випадку mi = 4 ); ki – кількість віртуальних машин і-го сервера (ланки); s – кількість ланок (фізичних серверів) cloud системи; qr – кількість логічних виходів з віртуальних машин останньої ланки в напрямку до

користувача ( для нашого випадку qr = 4 ) ; vr – кількість зв’язків в напрямку між VM та користувачем (для нашого випадку vr = 1); М – загальна кількість виходів (для даної системи М=4); vi,i+1 – загальна кількість проміжних ліній між сусідніми ланками;


113

Основними поняттями, якими будемо оперуватися для визначення доступності до програмних компонентів будуть поняття середньої доступності до додатків dsr, середньої недоступності, максимальної доступності віртуальних компонентів системи від кількості запитів на програмний додаток, що надходять від користувачів dmax та ймовірність втрат запитів.

Отже, значення середньої доступності до додатків визначатиметься: 1

s

i

kisr m

ymdk

,

де yk – обслужене навантаження компонентом k-тої ланки. Для даної системи обслужене навантаження одним компонентом ланки не може перевищувати 1 Ерл. Інакше це буде свідчити про те, що будуть одночасно зайняті всі виходи компонента ланки, що обслуговує це навантаження. Враховуючи, що для обслуговування запиту резервується послідовність компонентів в кожній ланці, то звідси випливає, що така послідовність буде постійно зайнята обслуговуванням запитів при максимальній інтенсивності навантаження, яку може обслужити така послідовність. Приймемо, що інтенсивність поступлення запитів на один компонент рівна 100 запитів/год та еквівалентна навантаженню в один Ерланг

Максимальна доступність визначатиметься виразом

1

1 1max

s

i i

immd ,

і дорівнює добутку частки логічних зв’язків віртуальних машин і-тої ланки з віртуальною машиною ланки і+1 до логічних зв’язків віртуальних машин і+1-ої ланки ланки з віртуальною машиною ланки і+2. Оскільки на кожному фізичному сервері виконується однакова кількість компонентних додатків, то кількість логічних зав’язків між і-тою та і+1-ю ланкою буде рівною кількості логічних зав’язків між і+1-ю та і+n-ю ланкою, тобто dmax = 1.

Середня недоступність рівна: srsr ddd max ,

і відповідає середній кількості недоступних VM, що дорівнює різниці між кількістю VM, доступних при відсутності запитів і заданій кількості обслужених запитів.

У цьому методі ефективна доступність визначається як сума двох доданків eee ddd 21 ,

де rsre qdd 1 і є середньою кількістю логічних виходів з віртуальних машин останньої ланки в напрямку до користувача, які можна займати, і створювати середню доступність. Другий доданок ефективної доступності задається виразом

Myv

vy

qdd ss

r

rrsre

0,102

,

де y0r – обслужена кількість запитів; y0 – загальна кількість запитів. Після формування всіх необхідних умов, за допомогою аналітичних і статистичних

методів розрахунку було отримано наступні результати :

Таблиця 1 Результати проведених розрахунків

Обслужене навантаження компонентами і-тої ланки,

зап/год

Середня доступність, %

Середня недоступність, %

Ефективна доступність

1 2 3 4 100 0.316 0.684 9.469 120 0.24 0.76 10.079


114

Продовження табл. 1 1 2 3 4

140 0.179 0.821 10.572 160 0.13 0.87 10.963 180 0.092 0.908 11.268 200 0.063 0.938 11.5 220 0.041 0.959 11.672 240 0.026 0.974 11.795 260 0.015 0.985 11.88 280 8.1e-3 0.992 11.935 300 3.906e-3 0.996 11.969 320 1.6e-3 0.998 11.987 340 5.063e-4 0.999 11.996 360 10e-5 1 11.999 380 6.25e-6 1 12

Провівши аналіз отриманих результатів можна сказати, що: 1. Доступність cloud системи напряму залежатиме від кількості реплікацій

компонентних додатків одного типу; 2. Обслужене навантаження компонентами кожної ланки залежить від кількості

запитів, які надсилатимуть користувачі, та відповідно, і від кількості користувачів cloud системи;

3. Ефективна доступність, яка характеризує наявність вільних логічних зв’язків між компонентами ланок, буде напряму залежати від кількості обслужених заявок та кількості проміжних логічних зв’язків між сусідніми ланками.

На основі результатів отримана залежність між середньою доступністю системи та обслуженим нею навантаженням (рис. 5).

Рисунок 5 - Залежність середньої доступності системи та обслуженим навантаженням

Дана залежність свідчить про те, що чим більша інтенсивність поступлення запитів на

обслуговування, тим менша середня доступність кожної компоненти, а як результат і системи в цілому. Однак така доступність компонентів залежить і від кількості ланок системи (фізичних серверів) (рис.6).

Чим більша кількість ланок системи і чим більша інтенсивність поступлення запитів на обслуговування, тим менша середня доступність кожної компоненти в кожній ланці.


115

Рисунок 6 - Залежність значень середньої доступності від кількості ланок системи при

змінному навантаженні Що стосується ефективної доступності, то спочатку слід добре розібратися, що таке є

доступність сервісних програм, що побудовані на основі сервісно-орієнтованої архітектури та виконуються в середовищі Cloud-системи. Як свідчить класичне визначення цього поняття доступність це властивість інформаційного ресурсу, яка полягає в тому, що користувач та/або процес, який володіє відповідними повноваженнями, може використовувати цей ресурс відповідно до правил, встановлених політикою безпеки не очікуючи довше заданого (прийнятного) інтервалу часу. Суть цієї властивості полягає в тому, що потрібний інформаційний ресурс знаходиться у вигляді, необхідному користувачеві, в місці, необхідному користувачеві, і в той час, коли він йому необхідний. Отож з точки зору систем з сервісно-орієнтованою архітектурою доступність це наявність вільного з’єднувального віртуального каналу, який здатний забезпечити доступ до необхідних ресурсів користувачам в будь який момент часу не очікуючи довше визначеного інтервалу часу. Ресурс повинен надаватися без будь яких затримок та перебоїв.

Тоді ефективною доступністю системи є наявність вільних логічних виходів з віртуальних машин довільної ланки в напрямку до наступної ланки або користувача, які можна займати, і створювати середню доступність при обслуговуванні певної кількості запитів. Цей параметр напряму залежить від інтенсивності поступлення запитів у систему (рис.7).

Рисунок 7 - Залежність значення ефективної доступності та обслуженим навантаженням


116

Як видно із залежності на рис.8 при збільшенні обслуженого навантаження компонентами і-тої ланки системою виділяється більша кількість ліній для обслуговування надісланих запитів користувачів без втрати якості надання ресурсів.

Однак доступність системи залежить не тільки від кількості запитів на ресурси системи, які надходять від користувачів, а й від кількості віртуальних та фізичних компонентів системи. У нашому випадку це кількість фізичних серверів (ланок) cloud системи та кількість віртуальних машин і-го сервера (ланки). Саме від цих параметрів зулежить кількість вхідних і вихідних логічних каналів системи та кількість логічних зв’язків між ланками, що доступні користувачам для отримання того чи іншого ресурсу системи. Зміна кількості фізичних серверів дасть змогу збільшити не тільки кількість програм, які доступні користувачам через cloud систему, а й швидкість обробки компонентів та надання необхідного ресурсу користувачам. Більша кількість віртуальних машин збільшить кількість проміжних з’єднувальних ліній між ланками системи, що дасть змогу пришвидшити процес обробки запитів. На рис. 8 приведена залежність ефективної доступності системи від кількості ланок.

Рисунок 8 - Залежність ефективної доступності від кількості фізичних серверів (ланок)

системи Чим більша кількість ланок cloud системи тим ефективна доступність при заданій

інтенсивності надходження запитів більша, тобто для обслуговування системою виділяється більша кількість логічних каналів.

Рисунок 9 - Процес обслуговування запитів більшою кількістю сервісів

Висновок Практично всі методи побудови сучасних систем та програм базуються на принципах

сервісно-орієнтованої архітектури. Сьогодні основним та найбільш оптимальним


117

середовищем для реалізації програм на основі сервісно-орієнтованої архітектури є Cloud-система. Для уникнення перевантаження компонентів, а саме зменшення ймовірності блокування, у роботі запропоновано оцінювати доступність сервісних програм, що побудовані на основі сервісно-орієнтованої архітектури та виконуються в середовищі Cloud-системи, за допомогою методу визначення ефективної доступності в режимі групового пошуку на основі класичної моделі багатоланкових систем типу час-простір-…-простір-час.

Для оцінки доступності запропоновано використовувати метод ефективної доступності в режимі групового пошуку (метод «КЛІГС»).

Провівши аналіз побудови складних програм на основі SOA можна сказати, що : 1. Доступність cloud системи напряму залежить від кількості реплікацій компонентних

додатків одного типу; 2. Обслужене навантаження компонентами залежати від кількості запитів, які

надсилатимуть користувачі, та відповідно, і від кількості користувачів cloud системи; 3. Ефективна доступність, яка характеризує наявність вільних логічних зв’язків між

компонентами ланок, буде напряму залежати від кількості обслужених заявок та кількості проміжних логічних зв’язків між сусідніми ланками.

На основі отриманих даних в результаті застосування методу КЛІГС, для визначення доступності складних програм, отримана залежність між середньою доступністю системи та обслуженим нею навантаженням. Дана залежність свідчить про те, що чим більша інтенсивність поступлення запитів на обслуговування, тим менша середня доступність кожної компоненти, а як результат і системи в цілому. Однак така доступність компонентів залежить і від кількості ланок системи (фізичних серверів). Чим більша кількість ланок системи і чим більша інтенсивність поступлення запитів на обслуговування, тим менша середня доступність кожної компоненти в кожній ланці.

Ефективною доступністю системи є наявність вільних логічних виходів з віртуальних машин довільної ланки в напрямку до наступної ланки або користувача, які можна займати, і створювати середню доступність при обслуговуванні певної кількості запитів. Цей параметр напряму залежить від інтенсивності поступлення запитів у систему.При збільшенні обслуженого навантаження компонентами і-тої ланки системою виділяється більша кількість ліній для обслуговування надісланих запитів користувачів без втрати якості надання ресурсів. Чим більша кількість ланок cloud системи тим ефективна доступність при заданій інтенсивності надходження запитів більша, тобто для обслуговування системою виділяється більша кількість логічних каналів.

Список використаної літератури 1. N. Kryvinska Next Generation Networks - Service Delivery and Management / N. Kryvinska,

C. Strauss; Electronic Business series, vol. 7, International Academic Publishers, Peter Lang Publishing Group, 2011; ISBN-978-3-631-60871-5; ISSN: 1868-646X.

2. N. Kryvinska Converged Network Service Architecture: A Platform for Integrated Services Delivery and Interworking. Electronic Business series edited by C. Strauss, vol. 2, International Academic Publishers, Peter Lang Publishing Group, 2010; ISBN-13:978-3631595251; ISSN:1868-646X.

3. N. Kryvinska Integrated management platform for seamless services provisioning in converged network/ N. Kryvinska, Do van Thanh, C. Strauss, Inderscience Publishers, International Journal of Information Technology, Communications and Convergence (IJITCC), ISSN (Online): 2042-3225, ISSN (Print): 2042-3217, Vol. 1, No. 1, 2010, pp. 77-91.

4. Khazaei, H. Performance of Cloud Centers with High Degree of Virtualization under Batch Task Arrivals/ Khazaei, H., Misic, J., Misic, V; Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on, On page(s): 2429 - 2438 Volume: 24, Issue: 12, Dec. 2013 Grzech, A.,


118

5. Swiatek, P. Complex Services Availability in Service Oriented Systems / Inst. of Comput. Sci., Wroclaw Univ. of Technol., Wroclaw, Poland / Systems Engineering (ICSEng), 2011 21st International Conference on Date 16-18 Aug. 2011: p. 227 – 232.

6. Лившиц Б.С. Теория телетрафика / Б.С.Лившиц, А.П.Пшеничников, А.Д.Харкевич. – М.: Связь, 1979. - С. 119.

References 1. Kryvinska, N., Strauss, C. (2011), Next Generation Networks - Service Delivery and

Management, Book, Electronic Business series, vol. 7, International Academic Publishers, Peter Lang Publishing Group, ISBN-978-3-631-60871-5; ISSN: 1868-646X.

2. Kryvinska, N. (2010), Converged Network Service Architecture: A Platform for Integrated Services Delivery and Interworking. Electronic Business series edited by C. Strauss, vol. 2, International Academic Publishers, Peter Lang Publishing Group; ISBN-13:978-3631595251; ISSN:1868-646X.

3. Kryvinska, N., Do van Thanh, Strauss, C. (2010), "Integrated management platform for seamless services provisioning in converged network", Inderscience Publishers, International Journal of Information Technology, Communications and Convergence (IJITCC), ISSN (Online): 2042-3225, ISSN (Print): 2042-3217, Vol. 1, No. 1, 2010, pp. 77-91.

4. Khazaei, H., Misic, J., Misic, V. (2013), "Performance of Cloud Centers with High Degree of Virtualization under Batch Task Arrivals", Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on, Volume: 24, pp. 2429 – 2438.

5. Swiatek, P. (2011) “Complex Services Availability in Service Oriented Systems, Proc. 21st International Conference on Date 16-18 Aug. 2011, pp. 227 – 232.

6. Lyvshyts, B.S., Pshenychnykov, A.P., Kharkevych A.D. (1979), Teoryya teletrafyka, Svyaz', Moskva, Russia, pp. 119.

Надійшла до редакції: Рецензент: 25.04.2014 д-р техн. наук, доц. Пелішок В.О.

Б.М. Стрыхалюк, О.Н. Шпур, М.А. Селюченко Национальный университет «Львовская политехника» Определение доступности программных комплексов в системах с сервисно-ориентированной архитектурой. Доступность сервисов в современных системах обслуживания на основе cloud технологии является одним из основных показателей качества и надежности. В условиях постоянных изменений существующих и внедрение новых методов предоставления сервиса и зависимость доступности от многих факторов системы, делает ее оценку непростой задачей. Разделение систем управления и предоставления услуг, переход к использованию информационных технологий и методов создания услуг на основе программного обеспечения привели к возникновению систем обслуживания с динамической средой, в которой поведение и состояние большинства компонентов или процессов очень тяжело предсказать. В результате чего возникает проблема оценки доступности компонентов системы обслуживания. Классическая теория систем массового обслуживания для оценки доступности коммутационных систем использует методы, проверенные экспериментально и на практике. Для решения этой проблемы мы предлагаем использовать метод группового поиска эффективной доступности, использовавшийся в свое время для оценки доступности в классических коммутационных системах массового обслуживания. Ключевые слова: cloud, SOA, доступность.


119

B.M. Strykhalyuk, O.M. Shpur, M.O. Seliuchenko Lviv Polytechnic National University Detecting the availability of software complexes in systems with service-oriented architecture. The availability of services in the current service systems based on cloud technology is one of the main indicators of quality and reliability. Under conditions of constant change of existing systems and introducing new methods of service provisioning, system accessibility assessment which depends on many factors is not an easy task to solve. Separation of management systems and services, the transition to use of information technologies and methods for creating service-based software systems have led to the emergence of dynamic service environment in which the behavior and state of most components or processes are very difficult to predict. As a result, there is a problem of assessing service components accessibility. The classical theory of queuing systems for assessing the availability of switching systems used methods tested experimentally and in practice. To solve this problem, we propose to use an effective method of finding availability group, that has been used once to assess the accessibility of classical switching systems. Effective availability means presence of virtual logical outputs from virtual machines of any link in the direction to the next link or the user, which can be occupied and used to create an average availability while servicing certain amount of requests. This parameter directly depends on incoming requests intensity in the system. When processed load by i-link is being increased, bigger amount of links is provided for processing incoming requests from users without quality of service losses. The greater number of links in cloud system the more efficient is availability by determined incoming requests intensity that is more logical channels are provided for processing. Keywords: cloud, SOA, availability.

Стрихалюк Богдан Михайлович, канд. техн. наук, доцент кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка» (м. Львів, вул. С. Бандери, 12). Наукові інтереси: теоретичні основи побудови та функціонування мереж наступного покоління NGN та cloud-технологій.

Шпур Ольга Миколаївна, аспірантка кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка» (м. Львів, вул. С. Бандери, 12). Наукові інтереси: особливості побудови та функціонування мереж на основі сервісно-орієнтованої архітектури, mesh- та cloud-технологій.

Селюченко Мар’ян Олександрович, аспірант кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка» (м. Львів, вул. С. Бандери, 12). Наукові інтереси: особливості побудови та функціонування мереж на основі сервісно-орієнтованої архітектури, формування композитних додатків у мережах з технологією cloud.


© Ткаченко Н.О., Воропаєва В.Я., 2014 120

УДК 6081.518:004.451.6

Н.О. Ткаченко (аспірант), В.Я. Воропаєва (канд. техн. наук, доц.) ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

науково-технічна бібліотека ДонНТУ, кафедра автоматики і телекомунікацій


АЛГОРИТМ РОБОТИ ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВОЇ СИСТЕМИ ЗІ ЗВОРОТНИМ ЗВ’ЯЗКОМ

У статті висвітлено актуальну проблему оптимізації інформаційного пошуку серед великої кількості електронних ресурсів. Проведено аналіз та класифікацію пошукових систем зі зворотним зв'язком. Розроблено критерії оцінки релевантності інформації залежно від потреб користувача. Запропоновано структуру та алгоритм роботи нової адаптивної інформаційно-пошукової системи зі зворотним зв’язком. Ключові слова: пошукова система, інформаційні потреби користувача, системи зі зворотним зв'язком, релевантність.

Вступ Ускладнення інформаційних вимог наукової комунікації призвело до ситуації, коли

друковані фонди традиційних бібліотек вже не в змозі забезпечувати потреби користувачів в інформації. Бібліотеки наукових установ та університетів активно створюють електронні колекції. Крім того, всесвітня мережа Інтернет щогодини поповнюється різноманітними електронними документами, що розміщуються на різних платформах. Це призвело до виникнення проблеми релевантного пошуку інформації окремим користувачем, бо традиційні пошукові системи використовують автоматичні алгоритми пошуку. Ці алгоритми надають однакову інформацію усім користувачам, враховуючи лише персональні оцінки веб-сайтів [1]. Проблема пошуку релевантної інформації стосується не лише глобальних пошукових систем, локальні пошукові системи окремих країн, та навіть навчальні заклади, що мають електронні колекції, потерпають від цієї ж самої проблеми. Розташування електронних ресурсів на різних платформах знижує якість пошуку інформації, бо призводить до підвищення часових витрат з боку користувача: користувач повинен повторювати свій запит в різних пошукових інтерфейсах. Але навіть такий спосіб пошуку інформації не гарантує отримання релевантної інформації, бо ігнорує інформаційні інтереси окремого користувача. Отже, розробка єдиної оптимальної системи пошуку інформаційних ресурсів, адаптованих до потреб окремого користувача, все ще залишається актуальною задачею.

Постановка проблеми Донецький національний технічний університет також має власну електронну колекцію,

що оновлюється кожного місяця. Окрім електронних підручників та методичних вказівок вона нараховує велику кількість наукових ресурсів як власної генерації, розташованих в основному в інституціональному репозитарії відкритого доступу (ea.donntu.edu.ua), так і отриманих із зовнішніх джерел (тестові та передплачені бази даних або електронні журнали), а також ресурсів, що розміщуються на сайтах окремих кафедр.

Важливою частиною електронної колекції ДонНТУ є інтелектуальна система дистанційного навчання, що дозволяє підвищити якість освіти завдяки адаптації системи під конкретного учня [2].

Велику популярність останнім часом завойовують ресурси відкритого доступу, що виступили потужним конкурентом традиційним платним журналам. Ідея відкритого доступу


121

швидко отримала підтримку вчених потужних навчальних та наукових закладів світу. На фоні цього у ДонНТУ на базі бібліотеки було створено електронний архів (репозитарій) відкритого доступу, що зберігає наукові матеріали вчених університету. Це покращує ступінь наукової комунікації вчених університету, робить його частиною світового наукового простору та дозволяє підвищити позиції навчального закладу у різноманітних рейтингах, зокрема WEBOMETRIX [3].

З іншого боку, наявність великої кількості розрізнених електронних ресурсів у бібліотеці університету дозволяє стверджувати про необхідність розробки єдиної системи пошуку релевантних документів.

Велику популярність в останні роки завойовують пошукові системи зі зворотним зв'язком. Залежно від виду зворотнього зв'язку такі системи умовно розділяють на (рис.1): системи з явним зворотним зв'язком (systems with explicit relevance feedback) та системи з неявним зворотнім зв'язком (systems with implicit relevance feedback) [4].

Рисунок 1 - Класифікація пошукових систем зі зворотним зв'язком Усі пошукові системи з неявним зворотнім зв'язком аналізують неявну поведінку

користувачів у всесвітній мережі. Зворотний зв'язок з користувачем відбувається неявно, тобто без його прямої участі. Оскільки усі ці системи враховують поведінку користувача, то їх класифікація відбувається умовно, в залежності від того, що вони обробляють.

Системи, що аналізують рух очей (еye tracking). Аналіз активності користувачів при відборі релевантної інформації, що надала

пошукова система, довів, що вибір багатьох користувачів прямо пропорційно залежить від популярності сайту. Тобто частіше за все користувачі зупиняють свій вибір на перших двох десятках результатів, навіть якщо вони не містять релевантних документів. Авторами [5] було проведено дослідження щодо залежності переваг користувачів від довжини анотації сайту. Дослідження складалося з двох частин: навігаційне та інформаційне. Усі запити оброблялися на окремому сервері, рух очей відстежувався за допомогою додаткового обладнання. Авторами отримано висновок, що переваги користувачів при пошуку інформації залежить від довжини анотації сайту: сайтам з короткою анотацією користувачі віддають більшу перевагу.

Системи, що аналізують кліки користувачів. T.Joachims [6] використовує SVM (Support Vector Machine) алгоритм для аналізу кліків

користувачів. Згідно автору, ці клікі надаються у вигляді трійки (q, r, c), що складається з q запитів, r документів, наданих користувачеві, та c посилань, на які користувач натиснув. Для алгоритму використовується функція Кендала: для запиту q та колекції документів D={d1,…,dm} оптимальна пошукова система повинна повертати документи в порядку їх

Системи зі зворотним зв’язком

Системи з явним зворотним зв’язком

Колективні пошукові системи

Адаптивніі пошукові системи

Системи з неявним зворотним зв’язком

Системи, що аналізують рух очей

Системи, що аналізують кліки користувачів

Системи, що аналізують історію веб-браузера


122

релевантності до інтересів користувача. Для двох різних рейтингів документів ra та rb функція Кендала залежить від двох параметрів: кількості пар, що співпадають (Р) та кількості різних пар (Q). Пара документів di≠dj Р, якщо обидва рейтинги документів ra та rb розташували їх в однакову порядку, в іншому випадку пара відноситься до Q. Для цього випадку функція Кендала обчислюється за наступною формулою:

mQ

QPQPrr ba 2

21),(

. (1)

Такий підхід раціональний лише для бінарної оптимізації. Для фіксованої, але невідомої послідовності запитів ),( *rqPr та рейтингів ранжування колекції D з m документами, отримання оптимальної функції ранжування можливе при максимізації функції Кендала:

),(),()( **)( rqdPrrf rqfp . (2)

Не дивлячись на позитивні результати, що були отримані авторами описаних систем, вони все ж таки мають один великий недолік — це статичність, тобто ці системи не встигають за змінами в інформаційних потребах користувача. Тому останнім часом все більшу популярність завойовують адаптивні системи, що здатні пристосовуватися до змін у інтересах користувача.

У роботі [7] Kazunari Sugiyama та ін. розроблено новий метод пошуку релевантної інформації, який дає змогу системі адаптуватися до змін в інтересах користувачів завдяки аналізу історії веб-браузера. Головна відмінність цієї системи від вже існуючих у тому, що аналізується не лише довгострокова історія веб-браузера, а й поточна історія (тобто історія веб-браузера за поточний день). Це дозволяє враховувати актуальні зміни в інформаційних потребах користувача та оновлювати його інформаційний профіль. Формула для створення або оновлення такого профілю виглядає наступним чином:

curbrpertodayper βyP+βxP+αP=βP+αP=P , (3), де P per - історія відвіданих сторінок за декілька днів, Pbr - історія відвіданих сторінок за поточний день та Pcur - поточна сесія пошуку інформації.

Завдяки аналізу неявної поведінки користувача в мережі системи з неявним зворотним зв'язком хоч і дозволяють опосередковано підвищити результати пошуку релевантних документів, все ж таки мають окремий недолік — поведінка користувача у мережі не завжди вказує на його власні інформаційні інтереси.

На фоні цієї проблеми почали розвиватися пошукові системи з явним зворотним зв'язком, що враховують інтереси користувачів шляхом їх залучення до процесу пошуку інформації у всесвітній мережі. До таких систем відносяться, зокрема, рекомендуючі системи, в яких переваги групи користувачів відіграють вирішальну роль у наданні релевантної інформації. Сайти отримують рекомендації за допомогою персональних оцінок користувачів. Для організації таких систем використовуються два різних підходи - спільна фільтрація та системи рекомендації контенту:

- спільна фільтрація (Collaborative Filtering). Для пошуку релевантних документів системи на основі спільної фільтрації використовують дані попередніх оцінок інших користувачів [8];

- системи рекомендації контенту порівнюють зміст знайденої сторінки з контентом, що цікавить окремого користувача. Рекомендуючі системи надають релевантні результати при наданні користувачами

добровільних оцінок запропонованим ресурсам. Це створює додаткові навантаження на окремого користувача, тому зазвичай такі рекомендації не можуть виступити гарантом релевантності через небажання користувачів витрачати зайвий час на оцінку ресурсу.

У роботі [9] авторами запропоновано адаптивну пошукову систему зі зворотним


123

зв'язком. Для пошуку інформації система використовуватиме онтологічний профіль користувача, що будується методом аналізу історії веб-браузеру користувача, а додатковий інтерфейс дозволить користувачу приймати участь у відборі інформації. Окрема онтологія являє собою орієнтований граф, у якому кожному поняттю та зв'язкам між поняттями присвоюються індивідуальні ваги. А кінцева вага окремої онтології розраховується за формулою:

*W , (4), де - вага окремого поняття онтології, - вага зв’язків між цими поняттями.

Вага кожного поняття в документі розраховується за відомою tf * idf формулою: iijij idftf * , (5),

де

p

i

mmtf - частота слова,

PSidf log - зворотна частота документу.

Наявність великої кількості електронних ресурсів в Донецькому національному технічному університеті викликає необхідність створення єдиної інформаційно-пошукової системи, яка оброблятиме запити користувачів та надаватиме релевантну інформацію. Система, що розробляється, матиме змогу адаптуватися до змін в інтересах користувачів та використовуватиме явним зворотний зв'язок для уточнення користувачем своїх запитів. Для виконання зазначених функцій система складається з чотирьох модулів (рис.2).

Рисунок 2 - Структура інформаційно-пошукової системи Модуль авторизації містить усі дані про користувачів інформаційно-пошукової системи,

які розділяються на п'ять категорій: адміністратор, бібліотекар, викладач, студент та молодий вчений. Тобто власне споживачі інформації умовно поділені на 3 групи, залежно від їх переважних інтересів. За умовчанням прийнято, що студенти переважно шукають у бібліотеці навчальні матеріали, молоді вчені – наукові ресурси, а викладач може цікавитися як навчально-методичними, так і науковими джерелами.

Адміністратор виконує функції налаштування, управління, усунення несправностей в системі та надання відповідних прав іншим категоріям користувачів. Співробітники бібліотеки оновляють базу даних електронних ресурсів: додають до бази нові електронні ресурси та видаляють вже не актуальні. Усі інші категорії користувачів отримують права на пошук інформації в системі та, при необхідності, її збереження і роздруківки.

Модуль експертних оцінок

Модуль авторизації Користувач

Згоден з оцінкою Не згоден з оцінкою

Пошуковий інтерфейс

Введення запиту

Адаптивний інтерфейс

Зміна вагових

коефіцієнтів

База даних електронних ресурсів

Релевантні документи

Модуль оцінки релевантності


124

Модуль електронних ресурсів об’єднує розподілені електронні ресурси в єдину базу даних, серед якої здійснюється пошук інформації. До складу цієї бази даних входять: власні електронні ресурси бібліотеки, електронний архів ДонНТУ, матеріали інших репозитаріїв та журналів відкритого доступу згідно тематики університету, передплачені та тестові ресурси, а також матеріали системи дистанційної освіти.

Модуль експертних оцінок містить у своєму складі оцінки ресурсів для різних груп користувачів, що визначаються відповідними експертами та завантажуються у систему. Для кожної категорії визначається експертна оцінка ресурсів, яка складається з декількох критеріїв з певними ваговими множниками. Але користувач має змогу змінювати ці множники відповідно до своїх інформаційних потреб, що дозволяє системі адаптуватися під конкретного користувача.

Модуль оцінки релевантності, ґрунтуючись на функції релевантності, здійснює пошук релевантної інформації серед бази даних електронних ресурсів.

Алгоритм роботи системи. 1. На першому етапі читач авторизується у системі за допомогою номеру свого

читацького квитка. Система аналізує дані читача та розподіляє його до однієї з категорій користувачів.

2. Для введення свого запиту користувач використовує спеціальний інтерфейс, що підтримує зворотний зв'язок з читачем.

3. На цьому етапі система звертається до модулю експертних оцінок та обирає ту, що відповідає обраній категорії користувача. Вона пропонує користувачеві визначені вагові множники для кожного з критеріїв. Якщо користувач згоден, система переходить до іншого етапу. Якщо ні – користувач особисто змінює значення вагових множників відповідно до своїх інформаційних інтересів та повертає їх системі.

4. Система звертається до бази даних електронних ресурсів та за допомогою обраної функції релевантності повертає користувачеві релевантні документи.

Висновки У статті надана класифікація інформаційно-пошукових систем зі зворотним зв'язком.

Приведені основні переваги та недоліки систем з явним та неявним зворотним зв'язком. Запропоновано принцип роботи адаптивної пошукової системи зі зворотним зв'язком. Авторами розроблено структуру та алгоритм роботи нової інформаційно-пошукової системи з явним зворотним зв'язком, яка відрізняється від існуючих тим, що дозволяє користувачеві особисто приймати участь у пошуковому процесі для підвищення релевантності пошуку.

Список використаної літератури 1. Ткаченко Н.О. Розробка критеріїв для оцінки інформаційних наукових ресурсів в Інтернет

/ Н.О. Ткаченко// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2013. - Вип. 2 (25). - С. 136-143.

2. Воропаєва В.Я. Математичне моделювання процесів дистанційного навчання / В.Я Воропаєва, Д.В. Криворучко // Научно-технический журнал «Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы». – 2004. - № 2(14). - C. 11-15.

3. Воропаєва В.Я Вплив електронного архіву ВНЗ на наукометричні показники / В.Я. Воропаєва, Н.О. Ткаченко // Бібліотеки та інформаційні ресурси у сучасному світі науки, освіти та культури: матеріали наук: практ. конф., (Севастополь, 7-10 жовтня 2013 р.). - Севастополь: Купол, 2013. - С. 13-15.

4. Kelly Diane Implicit Feedback for Inferring User Preference: A Bibliography / Diane Kelly, Jaime Teevan// SIGIR. – 2003. - №37. - C. 18-28.

5. Cutrell, E. What are you looking for? An eye-tracking study of information usage in Web search / E. Cutrell, G. Zhiwei // Proceedings of the SIGCHI conference on Human factors in computing systems. – 2007. – C. 407-416.


125

6. Joachims, T. Optimizing Search Engines using Clickthrough Data. / T. Joachims, // Proceedings of the ACM Conference on Knowledge Discovery and Datamining. – 2002. С. 184–203.

7. Kazunari Sugiyama Adaptive Web Search Based on User Profile Constructed without Any Effort from Users / Kazunari Sugiyama, Kenji Hatano, Masatoshi Yoshikawa // Proceedings of the 13th international conference on World Wide Web. - 2004. - С. 675 – 684.

8. Goldberg, D. Using Collaborative Filtering to Weave an Information Tapestry / D.Goldberg, D. Nichols, B.M. Oki, D.B. Terry // Communications of the ACM. - 1992. - 35(12). – C.61–70.

9. Ткаченко Н.О. Принципи функціонування інформаційно-пошукової системи зі зворотним звязком / Н.О. Ткаченко, В.Я. Воропаєва, М.М. Дученко // Збірник наукових праць ДонІЗТ. - 2013. - № 36. - С. 83-90.

References 1. Tkachenko, N.A. (2013), “Development of the Criteria to Evaluate Scientific Information

Resources in Internet”, Naukovyi praci Donetsk National Technical University.Ser.Obchusluvalna tehnika ta avtomatuzaciya , vol. 2, no. 25, pp. 137-143.

2. Voropayeva, V.Y. and Krivoruchko, D.V. (2004), “Mathematical modeling of Distance Learning”, Nauchno-tehnicheskiy jornal “Avtomatika.Avtomatizaciya.Electrotehnicheskie kompleksu I systemu”, vol. 2, no. 14, pp. 11-15.

3. Voropayeva, V.Y. and Tkachenko, N.A. (2013), “Effect of electronic university archive on Scientometrics indicators”, Proceedings of the scientific conference Libraries and Information Resources in the Modern World of Science, Education and Culture, Sevastopol, Ukraine, 7-10 October 2013, pp. 13-15.

4. Kelly, Diane and Teevan, Jaime (2003), “Implicit Feedback for Inferring User Preference: A Bibliography”, ACM SIGIR Forum, vol. 37, no. 2, pp. 18-28.

5. Cutrell, E. and Zhiwei, G. (2007), “What are you looking for? An eye-tracking study of information usage in Web search”, ACM, Proceedings of the SIGCHI conference on Human factors in computing systems, California, USA, 28 April - 3 May, 2007, pp. 407-416.

6. Joachims, T. (2002), “Optimizing Search Engines using Clickthrough Data”, ACM, Proceedings of the eighth ACM SIGKDD international conference on Knowledge discovery and data mining, New York, USA, 23-26 April 2002, pp. 184–203.

7. Kazunari, Sugiyama, Kenji, Hatano and Masatoshi, Yoshikawa (2004), “Adaptive Web Search Based on User Profile Constructed without Any Effort from Users”, Proceedings of the 13th international conference on World Wide Web, New York, USA, 17-22 May 2004, pp. 675-684.

8. Goldberg, D., Nichols, D., Oki, B.M. and Terry, D.B. (1992), “Using Collaborative Filtering to Weave an Information Tapestry”, Communications of the ACM, vol. 35, December, pp. 61–70.

9. Tkachenko, N.A., Voropayeva, V.Y. and Duchenko, M.M. (2013), “Principles of adaptive information retrieval system with feedback”, Zbirnik Prac’ DonIZT, No. 26, pp. 83-90.


Н.А. Ткаченко, В.Я. Воропаева ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Алгоритм работы информационно-поисковой системы с обратной связью. В статье рассмотрена актуальная проблема информационного поиска среди огромного количества электронных ресурсов. Был проведен анализ и предложена классификация поисковых систем с обратной связью. Разработаны критерии оценки релевантности информации в зависимости от потребностей пользователя. Предложены структура и алгоритм работы


126

новой адаптивной информационно-поисковой системы с обратной связью. Ключевые слова: поисковая система, информационные потребности пользователя, системы с обратной связью, релевантность.

N.A. Tkachenko, V.Y. Voropayeva Donetsk National Technical University Information retrieval system with feedback operation algorithm. This article describes the problem of information search. Detailed analysis of existing retrieval systems with feedback was given. The authors proposed a classification of such systems: systems with explicit feedback and systems with implicit feedback. Systems with explicit feedback attract users to the process of finding relevant information, i.e. user indicates its information needs individually. These systems include: collective and adaptive systems. In contrast, a system with implicit feedback analyzes only user’s behavior on the worldwide web (eye movement, the history and the history of clicks user's web browser), which facilitate the burden on the user. Adaptive systems take up a special place among systems with feedback, they are able to adapt to changes in the information to the user's interests. Analysis of the electronic collection in Donetsk National Technical University was given in the article and the necessity of creating a search engine among these electronic resources was considered. The authors developed an adaptive information retrieval system with feedback, which includes four modules: an authorization module, expert evaluation module, the database of electronic resources and assessment relevance module. Authorization module contains information about all users of the system that allows dividing them into several categories: administrator, librarian, student, a young scholar and teacher. Electronic resources module combines all electronic resources of the University. Expert evaluation module contains expert estimation of resources for each category of user. Assessment relevance module contains relevance function working algorithm, by which relevant information among database of electronic resources is selected. The algorithm of this system is presented in the article. Keywords: retrieval system, information needs of the user, system with feedback, relevance.

Ткаченко Наталія Олександрівна, Україна, закінчила Донецький національний технічний університет, бібліотекар НТБ ДонНТУ, аспірант кафедри автоматики та телекомунікацій ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності - оптимізація сучасних пошукових систем.

Воропаєва Вікторія Яківна, Україна, закінчила Донецький національний технічний університет, канд. техн. наук, доцент, професор кафедри автоматики та телекомунікацій ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – сучасна теорія телетрафіку, оптимізація телекомунікаційних та інформаційно-комунікаційних систем та мереж.


© Федоров Е.Е., 2014 127

УДК 004

Е.Е. Федоров (д-р техн. наук, доц.) Донецкая академия автомобильного транспорта, г. Донецк

кафедра специализированных компьютерных систем e-mail: [email protected]

МЕТОД СИНТЕЗА ВОКАЛЬНЫХ ЗВУКОВ РЕЧИ ПО ЭТАЛОННЫМ ОБРАЗЦАМ НА ОСНОВЕ САУНДЛЕТОВ

В статье изложен метод синтеза вокальных звуков речи по эталонным образцам на основе саундлетов. Использованы материнский и дочерний дискретные и непрерывные саундлеты и исследованы свойства саундлетных отображений, которые позволяют учитывать структуру квазипериодического сигнала и сопоставлять образцы вокальных звуков речи разной длины. На основе саундлетов и саундлетных отображений разработаны метод создания образцов, метод формирования эталонных образцов и модель синтеза вокальных звуков по эталонным образцам, которые используются в интеллектуальных системах общения и позволяют сократить объем хранимой информации. Ключевые слова: дискретный саундлет, непрерывный саундлет, материнский саундлет, дочерний саундлет, эталонные образцы вокальных звуков, синтез звуков.

Общая постановка проблемы В современных условиях актуальной является разработка интеллектуальных

процессоров предназначенных для распознавания речи человека, синтеза речи и др., и используемых в компьютерных системах общения.

В корне данной задачи лежит проблема построения эффективных методов, обеспечивающих большую скорость обучения модели синтеза, а также большую адекватность синтеза речевых сигналов.

Анализ исследований Существующие системы синтеза речевых образов используют такие подходы как [1-4]:

формантный синтез, синтез на основе коэффициентов линейного прогноза (КЛП-синтез) и конкатенативный синтез. Формантный синтез и КЛП-синтез опираются на модель речеобразования человека. Модель речевого тракта реализуется в виде адаптивного цифрового фильтра. Для формантного синтеза параметры адаптивного цифрового фильтра определяются формантными частотами [5-6], а для КЛП-синтеза – КЛП-коэффициентами [7]. Лучшие результаты в отношении разборчивости и натуральности звучания речи удается получить с помощью конкатенативного синтеза. Конкатенативный синтез осуществляется путем склейки нужных звуковых единиц [1,3,8,9]. В таких системах необходимо применять обработку сигнала для приведения частоты основного тона, энергии и длительности звуковых единиц к тем, которыми должна характеризоваться синтезируемая речь. В системах конкатенативного синтеза применяются три основных алгоритма: TD-PSOLA (осуществляется масштабирование звуковой единицы по времени), FD-PSOLA (осуществляется масштабирование звуковой единицы по частоте), LP-PSOLA (осуществляется масштабирование сигнала ошибки прогноза по времени с последующим применением фильтра с КЛП-коэффициентами). Недостатком конкатенативного синтеза является необходимость хранения большого числа звуковых единиц. В связи с чем возникает задача их более экономного представления [10].


128

Постановка задач исследования Целью работы является разработка метода синтеза вокальных звуков речи,

базирующегося на саундлетах и формируемых на их основе саундлетных отображениях. Решение задач и результаты исследований Для достижения поставленной цели необходимо: 1. Разработать метод создания семейства образцов вокальных звуков. 2. Сформировать семейства материнских и дочерних саундлетов, характеризующих

образцы вокальных звуков. 3. Формализовать саундлетные отображения, действующие между семействами

образцов и саундлетов, результатом которых является образец, находящийся в заданном амплитудно-временном окне.

4. Разработать метод формирования эталонных образцов на основе семейства дискретных саундлетов и саундлетных отображений.

5. Разработать модель синтеза вокальных звуков по эталонным образцам на основе семейства саундлетов и саундлетных отображений.

6. Создать критерии оценки эффективности модели. 7. Формализовать условия синтеза вокального звука по эталонным образцам на основе

семейства саундлетов и саундлетных отображений для оценивания результатов синтеза. 8. Разработать логико-формальные правила для оценивания результатов синтеза по

модели. Метод создания семейства образцов вокальных звуков Образцом вокального звука речи назовем участок вокального звука в речевом сигнале,

расположенный между соседними пиковыми значениями и имеющий длину соответствующую квазипериоду.

При формировании образца экспертом вводится левая и правая границы rl NN , вокального звука в сигнале f .

После задания границ rl NN , на множестве },...,{ rl NN сигнала f вычисляется функции автокорреляции, с помощью которой определяется длина периода основного тона

FTN вокального звука. Для формирования образца как структурообразующего элемента вокального звука

множество },...,{ rl NN сигнала f разбивается на участки на основе вычисленной длины

периода основного тона FTN согласно следующему правилу )(maxargmax

0 nfNn

, }5.0,...,5.0{ FTlFTl NNNNn ,

)(maxargmaxmax

1minmax

1 nfNNNNNn

iiir

i ,

]5.1,5.0[ minmin FTi

FTi NNNNn .

На основе этого разбиения формируется конечное семейство образцов, описываемых множеством целочисленных ограниченных финитных дискретных функций

}},...,1{|{ IixX i , в виде

},...,{,0},...,{),()( maxmin

maxmin

ii

iii NNn

NNnnfnx , },...,1{ Ii ,

)(minmin nfAn

i , },...,{ maxminii NNn , },...,1{ Ii ,

)(maxmax nfAn

i , },...,{ maxminii NNn , },...,1{ Ii .


129

Для дальнейшего сопоставления образцов между собой при формировании эталонных образцов необходимо привести их к единообразию (т.е. к единому прямоугольному амплитудно-временному окну, в которое точно вписана только та часть образца, которая находится на компактном носителе). Для этого в статье разрабатываются материнский и дочерний саундлеты.

Создание семейства материнских дискретных саундлетов Материнским саундлетом образца вокального звука речи назовем образец, сдвинутый

по времени и амплитуде в левый нижний угол положительной плоскости. Материнский дискретный саундлет образца вокального звука речи представлен в виде

целочисленной ограниченной финитной дискретной функции

},...,0{,0

},...,0{,0)0(0)( NnNndbnxxFns m ,

min0 Nb , min0 Ad , minmax NNN , minmax AAA , где 0F – преобразование, переводящее образец в материнский саундлет,

0b , 0d – параметры сдвига функции x по времени и амплитуде, maxmin , AA – минимальное и максимальное значение функции x на компакте

},...,{ maxmin NN . Таким образом, часть материнского саундлета, которая находится на компактном

носителе },...,0{ N , точно вписана в амплитудно-временное окно высотой A и шириной N . Определим конечное семейство материнских дискретных саундлетов образцов

вокального звука речи как }{ mm sS , причем все функции mS ограничены снизу и сверху числами 0 и A соответственно.

От материнского дискретного саундлета породим материнский непрерывный саундлет. Создание семейства материнских непрерывных саундлетов Материнский непрерывный саундлет m получен из материнского дискретного

саундлета ms на основе кусочно-линейного сплайна с равноотстоящими узлами. Материнский непрерывный саундлет образца вокального звука речи представлен в виде

вещественнозначной ограниченной финитной непрерывной функции

],[,0

],[,)()()()()1()()(1)(1

1}{

1),( 1

tTtt

tTttnstttt

nsnsnstsFtN

n

mt

N

nn

mmm

ttmm nnn ,

tNT , tntn ,

Bt

BttB ,0,1)( ;

где t – шаг квантования по времени. Таким образом, часть материнского саундлета, которая находится на компактном

носителе ],[ tTt , точно вписана в амплитудно-временное окно высотой A и шириной tT 2 .

Определим конечное семейство материнских непрерывных саундлетов образцов вокального звука речи как }{ mm , причем все функции m ограничены снизу и сверху числами 0 и A соответственно.

От материнского непрерывного саундлета породим дочерний непрерывный саундлет, описывающий образец вокального звука речи, который находится в заданном амплитудно-временном окне.


130

Создание семейства дочерних непрерывных саундлетов Дочерним саундлетом назовем сдвинутый и масштабированный по времени и

амплитуде материнский саундлет. Дочерний непрерывный саундлет представлен в виде вещественнозначной

ограниченной финитной непрерывной функции

tTt

tTTtt

ttTa

bTcd

TTta

btcd

TtTtt

tTta

bTcd

tTt

Gt

m

m

m

mc

max

maxmaxmaxmax

maxmin

minminminmin

min

,0

],[,)(

],[,

],[,)(,0

1)(

,

TTTa

minmax

, minTb

, minmax

minmax

~~ AAAAc

, minAd

,

a

btA mt

max~ max ,

a

btA mt

min~ min , ],[ maxmin TTt

,

где a , c – параметры масштабирования функции m по времени и амплитуде,

b , d – параметры сдвига функции m по времени и амплитуде, maxmin , AA

– заданное минимальное и максимальное значение функции c на

компакте ],[ maxmin TT

. Таким образом, часть дочернего саундлета, которая находится на компактном носителе

],[ maxmin tTtT

, точно вписана в заданное амплитудно-временное окно высотой minmax AA

и шириной tTT 2minmax .

Определим конечное семейство дочерних непрерывных саундлетов образцов вокального звука речи как }{ cc , причем все функции c имеют одинаковый

компактный носитель ],[ maxmin tTtT

и одинаковые минимальные и максимальные значения minA

, maxA

на нем. От дочернего непрерывного саундлета породим дочерний дискретный саундлет. Создание семейства дочерних дискретных саундлетов Дочерний дискретный саундлет cs получен из дочернего непрерывного саундлета c

путем дискретизации. Дочерний дискретный саундлет представлен в виде целочисленной ограниченной

финитной дискретной функции ))((2)( tnroundFns ccc , },...,{ maxmin NNn

,

tTNtTN /,./ maxmaxminmin ,

где round – функция, округляющая число до ближайшего целого. Таким образом, часть дочернего саундлета, которая находится на компактном носителе

},...,{ maxmin NN

, точно вписана в заданное амплитудно-временное окно высотой minmax AA

и шириной minmax NN

.


131

Определим конечное семейство дочерних дискретных саундлетов образцов вокального звука речи как }{ cc sS , причем все функции cS имеют одинаковый компактный носитель

},...,{ maxmin NN

и одинаковые минимальные и максимальные значения minA

, maxA

на нем. Для преобразования образца с целью приведения его к единообразию (одинаковому

амплитудно-временному окну) формализуем отображения между образцами, материнскими саундлетами и дочерними саундлетами.

Формализация саундлетных отображений Саундлетным отображением назовем преобразование, переводящее образец в

материнский дискретный саундлет, материнский дискретный саундлет в материнский непрерывный саундлет, материнский непрерывный саундлет в дочерний непрерывный саундлет, дочерний непрерывный саундлет в дочерний дискретный саундлет путем сплайновой интерполяции, сдвига и масштабирования по времени и амплитуде, дискретизации.

Преобразование 0F , введенное в пункте 2 и осуществляющее сдвиг функции x , описывающей образец, по времени и амплитуде в левый нижний угол положительной плоскости, для получения материнского дискретного саундлета ms , представимо в виде саундлетного отображения

mSXF :0 . Преобразование 1F , введенное в пункте 3 и создающее из материнского дискретного

саундлета ms материнский непрерывный саундлет m (как кусочно-линейный сплайн с равноотстоящими узлами), представимо в виде саундлетного отображения

mmSF :1 . Преобразование 1G , введенное в пункте 4 и осуществляющее сдвиг и масштабирование

материнского непрерывного саундлета m по времени и амплитуде для получения

дочернего непрерывного саундлета c , представимо в виде саундлетного отображения cmG :1 .

Преобразование 2F , введенное в пункте 5 и создающее путем дискретизации из дочернего непрерывного саундлета c дочерний дискретный саундлет cs , представимо в виде саундлетного отображения

cc SF :2 . Композиция преобразований 0F , 1F , 1G , 2F представлена в виде

0112 FFGFF . Таким образом, преобразование, осуществляющее переход от функции x ,

описывающей образец, к дочернему дискретному саундлету cs , представимо в виде саундлетного отображения

cSXF : , и обладает следующими свойствами 1. Одинаковый компактный носитель у всех дочерних саундлетов

Xx Xx xFxF suppsupp 2. Одинаковые минимальные и максимальные значения на компактном носителе у всех

дочерних саундлетов

Xx Xx

))((min))((min

suppsuppnxFnxF

xFnxFn


132

))((max))((max

suppsuppnxFnxF

xFnxFn

.

Ограничения 1-2 обеспечивают единое прямоугольное амплитудно-временное окно для всех полученных дочерних саундлетов, в которое точно вписана только та часть этих саундлетов, которая находится на компактном носителе.

На основе введенных семейств саундлетов и саундлетных отображений сформируем эталонные образцы вокальных звуков речи.

Метод формирования эталонных образцов Пусть дана конечная совокупность обучающих образцов вокального звука, которая

описывается множеством целочисленных ограниченных финитных дискретных функций }},...,1{|{ IixX i , причем maxmin , ii AA – минимальное и максимальное значение функции

ix на компакте },...,{ maxminii NN .

Для сопоставления элементов множества X между собой для каждой функции ix , описывающей обучающий образец, формируется соответствующее ему конечное множество дочерних дискретных саундлетов cS , находящихся в том же самом амплитудно-временном окне, что и эта функция, в виде

Xxi }},...,1{|{ IrsS cr

c : rcr Fxs .

Вычисляется нормированное расстояние между функцией, описывающей обучающий образец, и дочерним дискретным саундлетом в виде

},...,1{, Iri p

iiii

crip

irNNAA

sxd

)1()(

),(minmaxminmax

,

pm

pcri

crip msmxsx |)()(|),( .

Осуществляется выбор множества функций H , описывающих эталонные образцы, из множества функций X , описывающих обучающие образцы, на основе матрицы нормированных расстояний ][ ird .

На основе введенных семейств саундлетов и саундлетных отображений и сформированного множества эталонных образцов и подпокрытия C~ создадим модель синтеза вокального звука по эталонным образцам.

Модель синтеза вокального звука по эталонным образцам Модель синтеза вокального звука по эталонным образцам создается на основе

детерминированного конечного автомата. Детерминированный конечный автомат, синтезирующий некоторый вокальный звук с учетом его квазипериодической структуры, множества эталонных образцов H и подпокрытия C~ , представлен в виде графа на рис.1.

Чтобы повысить эффективность синтеза необходимо определить точное количество повторений u каждого состояния ks , которое соответствует эталонному образцу kh , для чего в статье предложена следующая процедура.

Рисунок 1 – Детерминированный конечный автомат, синтезирующий вокальный звук

|}~|,...,1{ 1Cu

u=0

hK hk h1 s1 sk sK

u=0 u=0 u=0 …

|}~|,...,1{ kCu

u=0 u=0 …

|}~|,...,1{ KCu


133

Процедура установления соответствия между обучающим образцом и эталонным

образцом Вектор ),...,,...,( 1 Ii kkkk , содержащий номера эталонных образцов, которые

соответствуют обучающим образцам, формируется согласно следующей процедуре ),(minarg ki

ki hFxk , },...,1{ Kk , },...,1{ Ii ,

pkkkk

kipki

NNAA

hFxhFx

)1()(

),(),(

minmaxminmax

, },...,1{ Kk , },...,1{ Ii ,

pm

pkikip mhmFxhFx |)())((|),( ,

где ix – целочисленная ограниченная финитная дискретная функция, описывающая k -й эталонный образец i -й обучающий образец вокального звука,

kh – целочисленная ограниченная финитная дискретная функция, описывающая k -й эталонный образец вокального звука,

ik – номер эталонного образца, соответствующий i -му обучающему образцу, maxmin , kk AA – минимальное и максимальное значение функции kh на компакте

},...,{ maxminkk NN ,

K – количество эталонных образцов вокального звука, I – количество обучающих образцов вокального звука. Для созданной модели сформулируем критерии эффективности. Критерии оценки эффективности модели 1. Критерий скорости синтеза означает выбор из заданного набора метрик такой

метрики, которая на стадии обучения модели требует наименьшего количества эталонных образцов

pTQ min .

2. Для оценки готовности модели к эксплуатации используется критерий адекватности модели, основанный на минимуме среднеквадратичной ошибки

kH

I

i

testi

modeli yy

IQ

,1

2 min)~~(1

,

),(~iki

modeli hFxy ,

где ix – целочисленная ограниченная финитная дискретная функция, описывающая k -й эталонный образец i -й обучающий образец вокального звука,

testiy~ – тестовое расстояние для i -го образца,

kh – целочисленная ограниченная финитная дискретная функция, описывающая k -й эталонный образец вокального звука,

ik – номер эталонного образца, соответствующий i -му образцу, I – количество образцов вокального звука. Для созданной модели сформулируем критерии эффективности. Условия синтеза вокального звука по эталонным образцам Пусть дан вокальный звук, который представлен конечным семейством обучающих

образцов, описываемых множеством целочисленных ограниченных финитных дискретных функций }},...,1{|{ IixX i .


134

Пусть для этого вокального звука дано множество эталонных образцов, описываемых множеством целочисленных ограниченных финитных дискретных функций

}},...,1{|{ KkhH k , вектор ),...,,...,( 1 Ii kkkk , содержащий номера эталонных образцов, которые соответствуют обучающим образцам, и множество

}},...,1{|),,,{( maxminmaxmin IiAANN iiii , характеризующее положение амплитудно-временного окна для каждого i -го образца.

Пусть для каждого обучающего образца вокального звука вычислено расстояние ),( ik xFh

i между функцией ix , описывающей i -й обучающий образец, и функцией

ikh ,

описывающей ik -й эталонный образец вокального звука в виде

piiii

ikpik

NNAA

xFhxFh i

i)1()(

),(),(

minmaxminmax

, },...,1{ Ii ,

pm

pikikp mxmFhxFh

ii |)())((|),( .

Необходимое условие синтеза вокального звука. Вокальный звук синтезирован, если

~),(1

I

iik xFh

i,

где ~ – заданная точность синтеза. Достаточное условие синтеза вокального звука. Вокальный звук синтезирован, если

0),(1

I

iik xFh

i.

На основе полученных условий возможно сформировать логико-формальные правила оценивания результатов синтеза.

Логико-формальные правила оценивания результата синтеза Для оценивания результатов синтеза формируются следующие логико-формальные

правила

если

~),(1

I

iik xFh

i, то 1q ,

если

~),(1

I

iik xFh

i, то 0q ,

где 1q – успешный синтез, 0q – неуспешный синтез, ~ – заданная точность синтеза. Численное исследование метода синтеза вокальных звуков В табл. 1 приведено сравнение метрик, используемых при формировании эталонных

образцов на основе базы данных TIMIT. исследовались все вокальные звуки. Отношение KI / представляет собой отношение общего количества образцов, содержащих вокальные

звуки, к количеству эталонных образцов, при этом образцы, содержащие конец первого вокальные звука и начало вокальные второго звука, не учитывались. Приведенные в табл.1 стандартные метрические методы были реализованы автором статьи, посредством пакета Matlab. Исследование позволяет сделать вывод, что метрика 2 обеспечивает наименьшее количество эталонных образцов (позволяет сократить количество хранимых образцов вокального звука в 4 раза) и, следовательно, обладает наибольшей обобщающей способностью.


135

Таблица 1

Оценка метрики Метрики Среднее значение KI /

1 3.0

2 4.0

3 3.0

3.4 Выводы Новизна. В работе усовершенствован подход к синтезу вокальных звуков, который

отличается тем, что позволяет обобщать образцы одного звука различной длины и различным размахом амплитуд, что повышает эффективность синтеза вокальных звуков речи. Получил дальнейшее развитие метод создания множества эталонных образцов, который отличается тем, что основан на семействах саундлетов и саундлетных отображений, что повышает эффективность процедуры формирования эталонных образцов. На основе семейств саундлетов и саундлетных отображений усовершенствована модель синтеза вокальных звуков, которая отличается тем, что позволяет сопоставлять образцы различной длины и использовать адаптивный нормированный порог в логико-формальных правилах, что повышает эффективность синтеза полезных звуков.

Практическое значение. Разработан метод построения модели синтеза вокальных звуков по эталонным образцам на основе семейств саундлетов и саундлетных отображений, что позволяет сократить количество эталонных образцов. Предложен адаптивный нормированный порог для логико-формальных правил оценивания синтеза речевых сигналов, который позволяет с большей вероятностью выделять полезные синтезированные звуки. В результате численного исследования было установлено, что алгоритм синтеза вокальных звуков на основе семейств саундлетов и саундлетных отображений позволяет сократить количество хранимых образцов вокального звука в 4 раза. Созданные алгоритмы могут использоваться в информационных системах для решения задач, связанных с конкатенативным синтезом речи. Предложенные в статье саундлеты и саундлетные отображения могут использоваться в системах распознавания речевых образов

Список использованной литературы

1. Бондарев В.Н. Искусственный интеллект / В.Н. Бондарев, Ф.Г. Аде. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2002. – 615 с.

2. Потапова Р.К. Речь: коммуникация, информация, кибернетика / Р.К. Потапова. - М.: Радио и Связь, 1997. - 528 с.

3. Dutoit T. An introduction to text-to-speech synthesis / T. Dutoit. – Dodrecht: Kluwer Academic Publishers, 1997. – 285 p.

4. Allen J. From text to speech, the MITALK system / J. Allen, S. Hunnicut, D. Klatt. – Cambridge: Cambridge University Press, 1987. – 340 p.

5. Рабинер Л.Р. Цифровая обработка речевых сигналов / Л.Р. Рабинер, Р.В. Шафер. – М.: Радио и связь, 1981. – 495 с.

6. Bailly G. A text-to-speech system for French using formant synthesis / G. Bailly, G. Murillo, O. Dakkak, B. Guerin // Proc. of SPEECH’ 88. – Edinburgh, 1988. – P. 255-260.

7. Rabiner L.R. Fundamentals of speech recognition / L.R. Rabiner, B.H. Jang. – Englewood Cliffs: Prentice Hall PTR, 1993. –507 p.

8. Hunt A.J. Unit selection in a concatenative speech synthesis system using a large speech database / A.J. Hunt, A. Black // Proc. of the ICASSP 96. – Atlanta, 1996. – С. 11-14.


136

9. Hamon C. A diphone system based on time-domain prosodic modifications of speech / C. Hamon, E. Moulines, F. Charpentier // Proc. of ICASP 89. – Edinburgh, 1989. – P. 238-241.

10. Винцюк Т.К. Анализ, распознавание и интерпретация речевых сигналов / Т.К. Винцюк. – К.: Наук. думка, 1987. – 261 c.

11. Федоров Е.Е. Методология создания мультиагентной системы речевого управления / Е.Е. Федоров. – Донецк: изд-во «Ноулидж», 2011. – 356 с.

References 1. Bondarev, V.N., and Ade F.G. Iskusstvenniy intellekt (2002), SevNTU, Sevastopol, Ukraine. 2. Potapova, R.K. Rech: kommunikatsia, informatsia, kibernetika (1997), Radio i sviaz, Moskva,

Russia. 3. Dutoit, T. An introduction to text-to-speech synthesis (1997), Kluwer Academic Publishers,

Dodrecht, Netherlands. 4. Allen, J., Hunnicut, S., and Klatt, D. From text to speech, the MITALK system (1987), Cambridge

University Press, Cambridge, UK. 5. Rabiner, L.R., and Shafer, R.V. Tsifrovaia obraborka rechevykh signalov (1981), Radio i sviaz,

Moskva, USSR. 6. Bailly, G., Murillo, G., Dakkak, O., and Guerin, B. (1988), “A text-to-speech system for French

using formant synthesis”, Proc. of SPEECH’ 88, Edinburgh, pp. 255-260. 7. Rabiner, L.R., and Jang, B.H. Fundamentals of speech recognition (1993), Prentice Hall PTR,

Englewood Cliffs, USA. 8. Hunt, A.J., and Black, A. (1996), “Unit selection in a concatenative speech synthesis system using a

large speech database“, ICASSP 96, Atlanta, pp. 11-14. 9. Hamon, C., Moulines, E., Charpentier, F. (1989), “A diphone system based on time-domain

prosodic modifications of speech”, Proc. of ICASP 89, Edinburgh, pp. 238-241. 10. Vintsiuk, T.K. Analiz, raspoznavanie i interpretatsia rechevikh signalov (1987), Naukova dumka,

Kiev, USSR. 11. Fedorov, E.E. Metodologia sozdania multiagentnoi sistemy rechevogo upravlenia (2011),

Noulidzh, Donetsk, Ukraine.

Надійшла до редакції: Рецензент: 18.02.2014 д-р техн. наук, проф. Чичикало Н.І.

Є.Є. Федоров Донецька академія автомобільного транспорту Метод синтезу вокальних звуків мовлення по еталонним зразкам на підставі саундлетів. У статті викладений метод синтезу вокальних звуків мови по еталонних зразках на основі саундлетів. Використано материнський і дочірній дискретні й безперервні саундлети та досліджені властивості саундлетних відображень, які дозволяють ураховувати структуру квазіперіодичного сигналу й зіставляти зразки вокальних звуків мови різної довжини. На основі саундлетов і саундлетних відображень розроблений метод створення зразків, метод формування еталонних зразків і модель синтезу вокальних звуків по еталонних зразках, які використаються в інтелектуальних системах спілкування й дозволяють скоротити обсяг збереженої інформації. Ключові слова: дискретний саундлет, безперервний саундлет, материнський саундлет, дочірній саундлет, еталонні зразки вокальних звуків, синтез звуків.

Ye. Fedorov Donetsk Academy of Automobile Transport A method of synthesis of vocal sounds of speech on reference samples on the basis of soundlets. Existing systems of synthesis of speech patterns use such approaches as: formant synthesis,


137

synthesis on the basis of coefficients of the linear prediction (LPC-synthesis) and concatenative synthesis (methods PSOLA and unit selection), and the most effective is concatenative synthesis. However this approach for storage of speech units demands great volumes of a database (especially a method unit selection), in this connection there is a problem of effective representation of speech units. For the solution of this problem in the article the method of synthesis of vocal sounds of speech on reference patterns on the basis of soundlets is stated. The author enters concept mother soundlet (the pattern of a vocal sound of the speech, shifted on time and amplitude into the left bottom corner of a positive plane) and child soundlet (shifted and scaled on time and amplitude mother soundlet), both their discrete and continuous versions. The author enters the maps operating between families discrete and continuous mother and child soundlets. In the work the approach to synthesis of vocal sounds that allows generalizing patterns of one sound of various length and various scope of amplitudes that raises efficiency of synthesis of vocal sounds of speech is improved. A model of synthesis of vocal sounds that allows comparing samples of various length is improved and an adaptive normalized threshold in logic-formal rules that raises efficiency of synthesis of useful sounds is used. A method of construction of model of synthesis of vocal sounds on reference patterns on the basis of families soundlets and soundlets maps that allows to reduce quantity of reference patterns is developed. As a result of numerical research it has been established, that the synthesis algorithm of vocal sounds on the basis of families soundlets and soundlets maps allows reducing quantity storage samples of a vocal sound by 4 times. The created algorithms can be used for the solution of the problems by synthesis of speech in information systems, and also in systems of reproduction of texts. The soundlets and soundlets maps offered in the article can be used in the systems of recognition of speech patterns. Keywords: discrete soundlet, continuous soundlet, mother soundlet, child soundlet, reference patterns of vocal sounds, synthesis of sounds.

Федоров Евгений Евгениевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, д-р техн. наук, доцент, проректор по научной работе Донецкой академии автомобильного транспорта (просп. Дзержинского, 7, г. Донецк, 83086, Украина). Основное направление научной деятельности – методы идентификации и верификации диктора; распознавания и синтеза речи; методы анализа и синтеза естественно-языковых объектов.


© Червінська Н.В., Клімов І.О., Ігнатенко Є.Г., 2014 138

УДК 004.057.4

Н.В. Червінська (канд. техн. наук, доц.), І.О. Клімов, Є.Г. Ігнатенко (канд. техн. наук, доц.)

ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк кафедра автоматики і телекомунікацій


АНАЛІЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОТОКОЛІВ МАРШРУТИЗАЦІЇ ДЛЯ БЕЗДРОТОВИХ AD-HOC МЕРЕЖ

Виконано аналіз протоколів маршрутизації, що можуть бути застосовані для mesh/MANET мереж. Проведено моделювання роботи протоколів на прикладі AODV, OLSR та HWMP. За результатами моделювання проаналізовано роботу зазначених протоколів за параметрами співвідношення відправлених, отриманих та втрачених повідомлень, величини затримки, визначено кумулятивні кількісні характеристики та залежність пропускної здатності від кількості вузлів. За результатами досліджень запропоновано побудову нового протоколу маршрутизації на базі розглянутих. Ключові слова: бездротова мережа, моделювання, пропускна здатність, протокол маршрутизації, mesh/MANET мережа.

Загальна постановка проблеми Поточний стан інформаційних та телекомунікаційних технологій характеризується

стрімким розвитком. В першу чергу, це обумовлено постійно зростаючим попитом і потребою людей у забезпеченні їх різноманітними видами інформаційних послуг та сервісів. Такі сервіси стають дедалі зручнішими, а люди отримують нові можливості для роботи, розваг тощо.

Одним з показників, що характеризує такий стрімкий розвиток, є неухильне зростання трафіку від мобільних пристроїв. Ця тенденція спонукає розвиненню рухомих мереж і відповідного обладнання, яке зможе якісно обслуговувати та підтримувати цей зростаючий стан. Провідні групи розробників в галузі стандартизації телекомунікаційних систем (ITU, IETF та ін.)[1] та інженери світових брендів щодня розробляють і вдосконалюють існуючі протоколи, стандарти, технології в цілому.

Аналізуючи наявні телекомунікаційні можливості нашої країни, можна зробити висновок, що існуючі технології не в змозі повністю задовольнити всіх існуючих та потенціальних клієнтів. Зважаючи на всі вищезазначені тенденції та проблеми, які полягають, передусім, у невідповідності сучасним вимогам рівня доступності до послуг та якості їх надання, постає проблема пошуку нових рішень, напрямів в галузі зв’язку, що покращували б процеси надання клієнтам доступу до телекомунікаційних послуг.

Одним з таких підходів до проектування та побудови бездротових телекомунікаційних мереж абонентського доступу практично будь-якої складності та масштабу є підхід децентралізованих мереж MANET (Mobile Ad-Hoc Networking) [1]. Переваги децентралізованих мереж полягають в тому, що вони дуже надійні, самовідновлювальні, а їх розгортання та модифікація набагато простіші у порівнянні із дротовими системами. Маючи доступ до такої бездротової мережі, користувачі зможуть підключатися до неї в будь-якій точці в межах площі покриття та, незалежно від пересування, отримувати практично ті ж самі здатності, що і в дротових мережах.

Також слід зазначити, що розгортання таких мереж дуже спрощується, якщо за основу взяти набір стандартів IEEE 802.11 [2]. Це також надасть змогу використовувати вже існуючі


139

мобільні пристрої з підтримкою Wi-Fi, тим самим дозволяючи позбавитись від необхідності впроваджувати підтримку нових стандартів зв’язку у клієнтські апаратні рішення.

Треба відзначити, що деякі відомі світові компанії активно просувають свої бездротові рішення, на базі яких можна розгортати повноцінні mesh мережі, але поки що співвідношення ціна/якість не відповідає бажаному рівню. В першу чергу, це пов’язано із тим, що підтримка mesh сильно завантажує процесор таких пристроїв, чим не дозволяє при наявному потенціалі повністю його розкрити.

Постановка задачі досліджень Зважаючи на зазначені проблеми, розробка та вдосконалення системи маршрутизації в

бездротових мережах зі змінною топологією є актуальною задачею, вирішення якої надасть таким мережам змогу стати альтернативним рішенням в побудові бездротових мереж нового класу. У рамках вирішення даної задачі пропонується розробити такі альтернативні рішення з розгортання бездротових мереж абонентського доступу, що зможуть забезпечити необхідний рівень якості обслуговування зростаючого трафіку, бути максимально наближеними до характеристик дротових мереж чи навіть ефективнішими та, головне, бути спроможними легко встановлюватися та модернізуватися із мінімальними затратами.

Для розробки таких комплексних рішень спочатку необхідно провести аналіз та дослідження протоколів маршрутизації, що можуть використовуватись для бездротових повнозв’язних мереж, з метою виявлення їхніх переваг і недоліків, та запропонувати найкращий варіант з існуючих або при відсутності такого розробити на їх основі новий.

Вирішення задачі Обрана тема має невелику популярність серед вітчизняних вчених, проте іноземні вчені

нею зацікавлені більш глибоко. Так, серед російських науковців можна виділити таких як Шамін П. Ю., Тухтамірзаєв А. Ю., Вишневский В., Ляхов А. І. Гайнулін А. Г.[3]. Серед іноземних можна виділити Tony Larsson, Nicklas Hedman, Luis Gironés Quesada, Yuming Jiang, Мухаммад Шоаб Сиддик, Сон Чон Хонго, Anna Farahmand, Michael Webber та ряд інших [4-7]. Однак проблеми загальної пропускної здатності мереж та ефективності застосовуваних методів маршрутизації досі є актуальними, оскільки не мають єдиного ефективного рішення.

Протоколи маршрутизації для mesh/MANET мереж відіграють дуже важливу роль, оскільки при їх неефективній роботі всі переваги таких мереж одразу втрачаються, а показники роботи стають ще гіршими, ніж в існуючих бездротових мережах. Вони мають враховувати всі особливості multi-hop мереж, пристосовуватися до їх бездротової та динамічної природи. Протоколи маршрутизації, що використовуються в дротових мережах, не підходять для таких мереж [9,10]. Протоколи маршрутизації для бездротових mesh мереж беруть свій початок від таких для MANET, розроблюваних через військову необхідність взаємозв’язку між різними об’єктами збройних сил. Не зважаючи на те, що мережі дійсно мають багато спільного, протоколи мають бути адаптовані саме для використання їх у mesh.

На сьогодні протоколи маршрутизації для бездротових повнозв’язних мереж можна класифікувати за трьома групами:

– реактивні (за запитом): AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing), TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) та ін.;

– проактивні (або табличні): OLSR (Optimized Link State Routing Protocol), DSDV (Dynamic Destination Sequenced Distance Vector), OSPF (Open Shortest Path First) та ін.;

– гібридні: HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), ZRP (Zone Routing Protocol). Так, проактивні протоколи засновуються на класичній схемі маршрутизації, при якій

кожен вузол має свою таблицю маршрутизації, яку постійно оновлює, навіть коли немає необхідності в передачі пакетів даних. Звичайно протоколи використовують розподілені алгоритми маршрутизації на основі стану каналів (link state), та базуються на існуючих алгоритмах знаходження найкоротшого шляху до вузлів (shortest path).


140

Реактивні протоколи обчислюють маршрути тільки при необхідності (за запитом). Коли вузол-джерело хоче відправити дані в місце призначення, формується маршрут, за яким пересилаються корисні пакети даних. Цей маршрут деякий час зберігається в таблиці маршрутизації, але якщо передача більше не проводиться, то він видаляється з неї. Первісно такі протоколи є дистанційно векторними протоколами, тобто метрика розраховується на основі кількості вузлів (хопів), які треба пройти, щоб досягнути мережі призначення [3].

На відміну від реактивних, табличні протоколи зазвичай побудовані на стані каналів, тому в них метрика може бути визначена набагато точніше. Вона може враховувати пропускну здатність каналу, завадостійкість того чи іншого каналу, затримку в передачі даних і т.ін., що більш точно відображає роботу бездротової мережі. Так, наприклад, запропоновано декілька способів визначення метрик на основі стану каналу [4]:

– Expected Transmission Counted (ETX) – одна з перших метрик, запропонованих для бездротових mesh мереж, яка враховує кількість спроб, які треба зробити, щоб успішно передати кадр даних. Таким чином, її метою є знаходження шляху з найбільшою імовірністю доставки пакетів, а не за меншу кількість хопів. Формула, за якою розраховується метрика, має наступний вид:

rf ddETX

*1

, (1)

де: df – відсоток вдало доставлених пакетів у прямому напрямку до свого сусіда; dr – відсоток вдало доставлених пакетів у зворотному напрямку. Маршрут, сумарна метрика якого буде мінімальною, буде визначений як оптимальний

для відправки пакетів даних до призначення. – Expected Transmission Time (ETT) – метрика, яка крім імовірності доставки враховує

ще й пропускну здатність каналу зв’язку. Її розрахунок може бути виконаний по-різному. У роботі [4] вона розраховується як розширення метрики ETX і має наступний вигляд:

BSETXETT * , (2)

де: ETX – метрика, обчислювана за формулою (1); S – розмір пробного пакету; B – пропускна здатність ланки. Для передачі даних аналогічно попередньому випадку обирається маршрут з

найменшим сумарним значенням метрики ETT [4, 5]. Слід зазначити, що окрім цих формул є й інші підходи до розрахунку метрик. Вони

менш поширені, основна їх частина не стандартизована та перебуває у якості рекомендацій до того чи іншого протоколу.

Третя група – група гібридних протоколів – намагається використовувати комбінацію обох попередніх – реактивних і проактивних з метою їх поліпшення.

Щоб постійно підтримувати актуальні таблиці маршрутизації, проактивні протоколи періодично розсилають інформацію своїм сусідам про стани каналів між всіма вузлами. На це може витрачатися значна частина пропускної здатності, особливо коли кількість вузлів поступово зростає. Особливо негативно це впливає на мережі, в яких значна частина вузлів постійно пересувається, змінюючи топологію всієї мережі. Це призводить до завантаження процесору необхідністю постійно обчислювати нові таблиці маршрутизації і до підвищення службового трафіку в мережі. Проте, ці витрати дають змогу мінімізувати затримку у часі при пошуку маршруту для передачі, вона практично відсутня завдяки тому, що всі маршрути відомі і їх треба тільки зчитати із своєї, заздалегідь побудованої таблиці маршрутизації.

Реактивні протоколи, навпаки, мають дуже незначні витрати, пов’язані з відсутністю необхідності в періодичному пересиланні таблиць маршрутизації між всіма вузлами. Але платою за таку знижену величину витрат, і, як наслідок, більшу корисну пропускну


141

здатність, є наявність затримки в передачі даних. Вона присутня на початку ініціювання з’єднання, оскільки маршрутизатор має знайти необхідний маршрут. Для цього він у широкомовному режимі розсилає всім своїм сусідам запит на пошук вузла призначення, потім однокрокові сусіди своїм сусідам і так далі, доки його не буде знайдено. По суті вся величина трафіку управління визначається кількістю цих широкомовних запитів.

Питанням маршрутизації, а саме розробці нових та вдосконаленню існуючих протоколів маршрутизації в IETF приділяють пильну увагу. Так, протоколи AODV та OLSR були запропоновані в якості RFC (Request For Comments) [6, 7]. Однак це не розв’язує всі існуючі задачі, що стосуються розгортання mesh мереж. Багато з них залишаються поки не вирішеними та роблять впровадження таких систем передачі даних якісно не виправданими.

Для виявлення переваг і недоліків зазначених протоколів маршрутизації необхідно провести моделювання їх роботи. У рамках даної роботи проводиться дослідження протоколів AODV, OLSR та HWMP. Як пакет імітаційного моделювання використовується пакет ns-2 (версія 2.35). Цей симулятор відноситься до дискретно-безперервних симуляторів, є загальнодоступним. До його недоліків можна віднести те, що він не має користувацького інтерфейсу, однак він здатен аналізувати роботу багатьох протоколів маршрутизації та механізми управління чергами в маршрутизаторах.

Є декілька засобів наглядного представлення моделі та аналізу отриманих результатів моделювання, одним з яких є NAM (Network Animator), що будує топологію мережі та процеси, що в ній відбуваються. Програма, що аналізує вихідний файл, виводить розширену статистику та дозволяє побудувати велику кількість різноманітних графіків.

Модель складається з бездротових вузлів, що можуть переміщуватися, додаватись чи видалятись з мережі, зв’язаних між собою за повнозв’язною схемою. Процес моделювання побудовано таким чином, що спочатку модель налічує 5 вузлів, з часом додається ще 5 і так до того моменту, доки мережа не нараховуватиме 25 маршрутизаторів. Це надасть змогу проаналізувати роботу протоколів маршрутизації в залежності від кількості вузлів в мережі. Топологія мережі динамічно змінюється завдяки збільшенню та переміщенню вузлів, примушуючи протоколи маршрутизації шукати нові шляхи. Кожен етап моделювання триває 150 секунд. В якості стандартів бездротової передачі обрано стандарт IEEE 802.11g, механізм транспортування TCP з службою FTP.

Результати досліджень Процес моделювання докладно розглянуто на прикладі протоколу AODV. На початку роботи моделі мережа нараховує п’ять вузлів, що представляють топологію,

наведену на рис. 1.

Рисунок 1 – Топологія мережі на початковій стадії моделювання

Вузли починають обмінюватись повідомленнями HELLO з метою виявлення своїх

сусідів. Наприкінці моделювання мережа має повнозв’язну топологію, зображену на рис. 2.


142

Рисунок 2 – Кінцева топологія мережі

Після того як завершено моделювання, отримано вихідний файл, що містить записи всіх подій в мережі. Цей файл передається на вхід програми Tracegraph, яка виконує детальний і повний його аналіз і відображає отримані характеристики роботи мережі. Нижче наведені отримані характеристики для мережі, що працює за протоколом AODV.

На рис. 3 зображено співвідношення пропускних здатностей відправлених, отриманих та відкинутих (втрачених) пакетів відповідно, з верху вниз впродовж часу моделювання.

Рисунок 3 – Співвідношення відправлених, отриманих та втрачених повідомлень

З цієї характеристики видно, що із плином часу частота втрати повідомлень

збільшується, а пропускна здатність корисних пакетів знижується майже на 40%. Далі проводиться аналіз затримки передачі даних між двома вузлами, один з яких

пересувається, змінюючи маршрут до вузла призначення. На рис. 4 представлена затримка при передачі даних, в залежності від часу моделювання.


143

Рисунок 4 – Величина затримки при передачі даних між нульовим та четвертим вузлом

З вищенаведеної характеристики чітко видно, що з плином часу, тобто із збільшенням кількості вузлів в мережі, затримка при передачі даних сягає величини, за якої актуальність в передачі даних просто втрачається. Виходячи з цього графіку можна зробити висновок, що для AODV прийнятним є розмір мережі у 10-15 вузлів, що спостерігається на протязі перших тридцяти секунд моделювання, коли забезпечується затримка близько 300-350 мс, враховуючи те, що нульовий вузол пересувається вздовж мережі.

За результатами моделювання також було отримано так звану кумулятивну характеристику. На рис. 5 представлено процес зростання кількості всіх відправлених, отриманих та втрачених пакетів.

Рисунок 5 – Кумулятивна кількісна характеристика всіх пакетів в мережі

Завдяки цій характеристиці можна оцінити закон розподілу того чи іншого параметру, а

також зробити порівняльний аналіз обраних протоколів маршрутизації. Порівняльний аналіз виконано за таким параметром, як використання корисної

пропускної здатності мережі, що розраховано у відсотках як співвідношення пропускної здатності у фіксовані проміжки часу (тобто при різній кількості вузлів в мережі) до пропускної здатності на початку функціонування мережі.

На рисунку 6 наведена досліджувана динаміка поведінки пропускної здатності мережі.


144

Рисунок 6 – Графік залежності пропускної здатності від кількості вузлів для протоколів

AODV, OLSR та HWMP Висновки 1. При невеликій кількості вузлів (5-10) реактивний протокол AODV демонструє кращі

результати, незважаючи на активне пересування джерела трафіку. Із зростанням кількості вузлів показники роботи AODV стрімко падають. Після завершення всіх змін у топології мережі та прийняття нею сталого режиму протокол покращує свою роботу, що пов’язано зі зниженням динаміки мережі та підвищенням потенціальних вузлів ретрансляторів.

2. Протокол OLSR, навпаки, на початку роботи показує найгірші результати. Це пояснює його фаза «затоплення» мережі. Однак загалом OLSR показує середні результати, коефіцієнт використання пропускної здатності в мережі з 25-ти хостів більший, ніж у AODV.

3. Кращі результати спостерігаються при функціонуванні мережі за протоколом HWMP. Його гібридний режим роботи дозволяє знизити час пошуку маршруту, в наслідок чого збільшується загальна пропускна здатність мережі.

4. При подальшому зростанні кількості вузлів у мережі показники пропускної здатності наближуватимуться до однакової величини за всіма протоколами, що призведе до низького використання ресурсів мережі і тому доцільність впровадження такої системи передачі даних буде майже відсутня. Рішенням цієї проблеми може стати розробка нового протоколу на базі зазначених, який був би спроможним швидко адаптуватися до змін в топології, мав мінімальний трафік управління та був ефективним навіть при великій кількості вузів мережі.

Список використаної літератури 1. Corson Mobile Ad hoc Networking (MANET), IETF RFC 2501 [Електронний ресурс] / S.

Corson, J. Macker. – Режим доступу: http://tools.ietf.org/html/rfc2501. 2. IEEE 802.11 Wireless LAN Working Group [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.ieee802.org/11/. 3. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh сетях стандарта IEEE 802.11s /

В.М. Вишневский, Д.В. Лаконцев, А.А. Сафонов, С.А. Шпилев // Электроника: наука, технологии, бизнес. – 2008. - № 6. – С. 64-69.

4. iETT: A Quality Routing Metric for Multi-rate Multi-hop Networks [Електронний ресурс] / Saad Biaz, Bing Qi. – Режим доступу: http://www.eng.auburn.edu/users/sbiaz/publications/IETT-Bing2008.pdf.

5. Douglas S. J. De Couto. High-Throughput Routing for Multi-Hop Wireless Networks / Douglas S. J. De Couto. – Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2004. – 109 p.

6. Perkins C. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, IETF RFC 3561 [Електронний ресурс] / C. Perkins, E. Belding-Royer, S. Das. – Режим доступу: http://tools.ietf.org/html/rfc3561.


145

7. Clausen T. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), IETF RFC 3626 [Електронний ресурс] / T.Clausen, P.Jacquet. – Режим доступу: http://tools.ietf.org/html/rfc3626.

8. Маршрутизация в беспроводных мобильных Ad hoc-сетях / [В.М. Винокуров, А.В. Пуговкин, А.А. Пшенников, Д.Н. Ушарова, А.С. Филатов] // Доклады ТУСУРа. – 2010. - № 2 (22), Ч.1. – С. 288-293.

9. Климов И.А. Сравнение протоколов маршрутизации для беспроводных мобильных Ad-Hoc сетей / И.А. Климов, Н. В. Червинская // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції, (Донецьк, 14 – 17 травня 2013 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 76-80.

10. Chervinska N.V. Routing protocols investigation in fully connected wireless networks / N.V. Chervinska, I.A. Klimov, V.V. Chervynskyy // Proceedings of the International Conference “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications, and Computer Science” TCSET’2014. Lviv-Slavske, Ukraine, February 25 – March 1, 2014. – Lviv: Lviv Polytechnic National University, 2014. – 834p. – P.585-586. – ISBN: 97 8-617-607-556-1

References 1. IETF Tools (1999), “Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance

Issues and Evaluation Considerations”, available at: http://tools.ietf.org/html/rfc2501 (Accessed 25 November 2013).

2. IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (2014), “IEEE 802.11 Wireless LAN Working Group”, available at: http://www.ieee802.org/11/ (Accessed 21 February 2014).

3. Vishnevskiy, V.M., Lakontsev, D.V., Safonov, A.A. and Shpilev, S.A. (2008), “Routing in wideband wireless mesh networks IEEE 802.11s”, Electronics: Science, Technologies, Business, no. 6, pp. 64-69.

4. Samuel Ginn College of Engineering (2014), “iETT: A Quality Routing Metric for Multi-rate Multi-hop Networks”, available at: http://www.eng.auburn.edu/users/sbiaz/publications/IETT-Bing2008.pdf (Accessed 20 March 2014).

5. Douglas, S. J. De Couto (2004), “High-Throughput Routing for Multi-Hop Wireless Networks”, Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, USA.

6. IETF Tools (2003), “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing”, available at: http://tools.ietf.org/html/rfc3561 (Accessed 30 November 2013).

7. IETF Tools (2003), “Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)”, available at: http://tools.ietf.org/html/rfc3626 (Accessed 15 December 2013).

8. Vinokurov, V.M., Pugovkin, A.V., Pshennikov, A.A., Usharov, D.N. and Filatov, A.S. (2010), “Routing in wireless Ad hoc networks”, Dokladi TUSURa, vol. 2(22), no.1. – pp. 288-293.

9. Klimov, I.A. and Chervinska, N.V. (2013), “Comparison of routing protocols for mobile wireless Ad-Hoc networks”, XIII International Scientific and Technical Conference "Automation of technological objects and processes. Search for young", Donetsk, May 14-17 2013, pp. 76-80.

10. Chervinska, N.V., Klimov, I.A. and Chervynskyy V.V. (2014), “Routing protocols investigation in fully connected wireless networks”, Proceedings of the International Conference “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications, and Computer Science” TCSET’2014, Lviv-Slavske, Ukraine, February 25 – March 1, 2014, pp. 585-586.

Надійшла до редакції: Рецензент: 12.05.2014 д-р техн. наук, доц. Іванов Д.Є.


146

Н.В. Червинская, И.А. Климов, Е.Г. Игнатенко ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Анализ и исследование протоколов маршрутизации для беспроводных Ad-hoc сетей. Выполнен анализ протоколов маршрутизации, которые могут применяться для mesh/MANET сетей. Проведено моделирование работы протоколов на примере AODV, OLSR и HWMP, по результатам которого проанализирована их работа по параметрам пропускной способности, величины задержки, кумулятивных количественных характеристик. По результатам исследований предложено построение нового протокола маршрутизации на базе рассмотренных. Ключевые слова: беспроводная сеть, моделирование, пропускная способность, протокол маршрутизации, mesh/MANET сеть.

N.V. Chervinska, I.A. Klimov, Ye.G. Ignatenko Donetsk National Technical University Analysis and investigation of routing protocols for wireless Ad-hoc networks. The analysis of routing protocols that can be applied to mesh/MANET networks is performed. The simulation of reactive, proactive and hybrid protocols is conducted in terms of the protocols AODV, OLSR and HWMP. The performance of the protocols is analyzed by the results of the simulation and the following parameters are estimated and compared depending on the number of nodes: the bandwidth, the ratios of sent, received and lost messages, the delay, the cumulative quantitative characteristics. According to the research the development of a new protocol is proposed. Keywords: wireless network, simulation, bandwidth, routing protocol, mesh/MANET network.

Червинская Наталья Владимировна, Украина, закончила Донецкий национальный технический университет, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование и управление в объектах дискретно-непрерывного и дискретно-событийного класса. Климов Иван Александрович, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, магистр по специальности «Телекоммуникационные системы и сети», выпускник кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – беспроводные сети с переменной топологией. Игнатенко Евгения Геннадьевна, Украина, закончила Донецкий национальный технический университет, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – системы управления телекоммуникаци-онными сетями.


© Шаховська Н.Б., Болюбаш Ю.Я., Верес О.М., 2014 147

УДК 004.

Н.Б. Шаховська (д-р техн. наук), Ю.Я. Болюбаш, О.М. Верес (канд. техн. наук) Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів,

кафедра інформаційних систем та мереж, e-mail: [email protected]

ОРГАНІЗАЦІЯ ВЕЛИКИХ ДАНИХ У РОЗПОДІЛЕНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

У статті уведено поняття терміну Великі дані та проаналізовано причину їх появи. Визначено причини використання NoSQL та інших нереляційних засобів зберігання даних. Описано простір даних як технологію роботи з Великими даними. Ключові слова: великі дані, інформаційний продукт, простір даних.

Постановка проблеми Опрацювання інформаційних ресурсів, що використовують різні моделі даних, схеми

керування тощо вимагає розроблення уніфікованого методу доступу до них для того, щоб надати можливість користувачу вибирати адекватний інструментарій для вивчення та використання різних засобів опрацювання даних. Необхідність у цьому виникає в організацій, робота яких полягає в опрацюванні великої кількості різнотипних, взаємонезалежних джерел даних, для яких не всі семантичні взаємозв'язки відомі i вказані. У деяких випадках семантичні зв'язки невідомі через невизначену кількість початкових джерел або через брак кваліфікованих людей у визначенні таких зв'язків. У інших випадках, не всі семантичні зв'язки необхідні для класифікації послуг користувачам. Тому в користувачів немає єдиної схеми, за якою вони можуть створювати запити відносно цільових задач.

Внаслідок керування різнотипними даними з метою розв’язання аналітичних задач стратегічного рівня виникає задача якості даних – відповідності вимогам користувачів. На рівні задач, для яких використовується точкове джерело, якість даних цього джерела є достатньою, і задовольняє (повністю чи частково) потреби осіб, що приймають рішення на їх основі. Проте використання даних з декількох джерел, наперед неузгоджених та з невідомими структурами, призводить до того, що якість даних різко знижується і вже не може задовольняти потреб користувача через неузгодженість форматів, різне подання, необхідне для вирішення проблеми.

За усієї важливості відомих результатів, теоретичні та експериментальні дослідження повинні розвиватися в напрямку: розроблення ефективних засобів опрацювання даних з різнотипних інформаційних ресурсів та вироблення засад і критеріїв оцінювання якості інтегрованих даних, які би підвищувати ефективність прийнятих рішень.

Великі дані (Big Data) в інформаційних технологіях – набір методів та засобів опрацювання структурованих і неструктурованих різнотипних динамічних даних великих обсягів з метою їх аналізу та використання для підтримки прийняття рішень. Є альтернативою традиційним системам управління базами даних і рішеннями класу Business Intelligence. До цього класу відносять засоби паралельного опрацювання даних (NoSQL, алгоритми MapReduce, Hadoop) [1, 2].

Визначальними характеристиками для Великих даних є обсяг (volume, в сенсі величини фізичного обсягу), швидкість (velocity в сенсах як швидкості приросту, так і необхідності високошвидкісної обробки та отримання результатів), різноманіття (variety, в сенсі можливості одночасної обробки різних типів структурованих і напівструктурованих даних).


148

З одного боку, через свою неоднорідність і постійного зростання Big Data вимагають до себе нестандартних підходів у зберіганні та опрацюванні. Для ефективної роботи необхідні комплексні рішення моніторингу, фільтрації, структурування та пошуку ієрархічних зв'язків. З іншого - використовуючи Big Data, можна спостерігати за величезною множиною змінних, і на основі наданої інформації виявляти глобальні тренди і висновки, розглядаючи певну ситуацію в перспективі.

Модель федеративного сховища Великих даних Для технології Великі дані необхідних є опрацювання інформації з різних за виразною

потужністю типів джерел інформації: структурованих, напів-структурованих, неструктурованих. Відповідно федеративне сховище даних, побудоване на їх основі, містить реляційні бази даних, багатовимірні бази даних, бази даних XML, бази даних NoSQL, файлове сховище, репозиторій метаданих, інтегратор джерел даних і подання для доступу до сховища (рис. 1).

Джерело 1 Джерело 2 Джерело 3 Джерело n...

Реляційні бази даних Багатовимірні бази даних

Служби доступ до джерел даних

Служби доступу до сховища

Клієнт МСД Клієнт МСД Клієнт МСД Клієнт МСД Клієнт МСД

Файлове сховище Бази даних XML

< >Репозиторій метаданих

Бази даних NoSQL

Рисунок 1 - Архітектура федеративного сховища даних

Основними характерними властивостями, які відрізняють федеративні сховища даних

для Великих даних від інших сховищ даних, є наступні: - наявність своєї системи керування сховищем даних, за допомогою якої здійснюється

робота з сховищем (виконання запитів до сховища); - наявність у сховищі реляційної БД, основними призначенням якої є зберігання

структурованих даних і даних, до яких здійснюється частий доступ;


149

- наявність у сховищі багатовимірної БД, яка може містити як атомарні, так і узагальнені дані, основним призначенням багатовимірної бази даних є зберігання даних, до яких виконуються складні запити;

- наявність у сховищі бази даних XML та баз даних NoSQL, основним призначенням якої є зберігання слабко-структурованих даних і слабко-структурованої частини частково-структурованих даних;

- збереження неструктурованих даних у вигляді файлів, що зберігаються безпосередньо у файловій системі;

- взаємодія з джерелами даних, що здійснюється за допомогою інтегратора, та полягає у відслідковуванні змін даних і метаданих, які відбуваються у джерелах, і застосуванні цих змін відповідно до налаштувань сховища даних;

- уніфікований доступ користувачів до сховища даних через подання сховища даних, який дає змогу користувачам звертатися до даних за допомогою єдиного інтерфейсу, незалежно від фізичного та логічного розташування цих даних у сховищі.

Необхідність наявності баз даних NoSQL виникає через: - проблеми з розширення РБД, коли набір даних занадто великий; - СУБД не були призначені для дистрибуції; - поширення набули бази даних багатовузлових рішень; - необхідність у масштабуванні або горизонтальному масштабуванні. Іншими шляхами скалювання РБД є: - мульти-майстер реплікації - система реплікації з декількома майстрами відповідає за

поширення зміни даних, зроблені кожним учасником в решті частини групи, і вирішення конфліктів, які можуть виникнути через одночасні зміни, зроблені різними членами ;

- дані тільки додаються, а не оновлюються та знищуються; - зменшення використання операції з'єднання (Join), тим самим зменшуючи час запиту

(включаючи в тому числі денормалізовані дані, які призводять до появи ще більших баз даних);

- баз даних в пам’яті (in-memory). Серез причин появи NoSQL треба виділити: - вибух соціальних мереж (Facebook, Twitter) з великими потребами в даних; - появу хмарних рішень, таких як Amazon S3 (рішення простого зберігання); - використання динамічно типізованих мов (Ruby / Groovy), зрушення в динамічно

типізованих даних з частими змінами схеми; - формування спільнот, що користуються та розробляють програмне забезпечення з

відкритим вихідним кодом. При проектуванні федеративного сховища даних Великих даних для забезпечення його

оптимального функціонування пропонується поєднати підходи проектування на базі структурованості джерел даних і запитів до сховища даних. В основі цього лежить CAP-теорема. За цією теоремою є три властивості системи: узгодженість, доступність і подільність. Можна мати не більше двох з цих трьох властивостей для будь-якої системи з розділюваними даними. Проте, щоб масштабувати, необхідно розбити на розділи, що у свою чергу, призводить до втрати узгодженості та доступності.

Нехай N - кількість вузлів з реплікою даних,W - кількість вузлів, які мають підтвердити оновлення, R - мінімальна кількість вузлів, які встигають здійснювати операцію читання. Тоді для W + R> N виконується вимога суворої узгодженості.

Для задоволення вимог САР-теореми спроектуємо інформаційну структура Великих даних (рис. 2).


150

Рисунок 2 - Інформаційна структура Великих даних

Для роботи з Великими даними передбачається чотири фази перетворення даних: 1. Набуття – робота з фіксованими або придбаними з використанням розподілених

файлових систем даними (Hadoop Distributed File Systems [HDFSs]) і базами даних NoSQL (Oracle NoSQL баз даних).

2. Організація - парадигма програмування MapReduce використовується для інтерпретації й уточнення даних.

3. Аналіз - очищені і організовані дані подаються в реляційну базу даних (бази даних SQL), щоб здійснити належний аналіз.

4.Підтримка рішень – використання методів підтримки прийняття рішень для подальшого аналізу даних.

Ці чотири фази обробки даних не можуть здійснюватись з використанням однієї машини.

Вважається, що Великі дані є технологією Hadoop. Проте Великі дані є дещо більше, ніж Hadoop. Одною з ключових вимог є розуміння і навігація по федеративних джерелах великих даних - щоб виявити дані на місці. Нова технологія підтримує також індекси, пошук та навігацію різних джерел Великих даних. Hadoop являє собою набір можливостей з відкритим вихідним кодом. Два з найбільш відомих з них є: Hadoop FS для зберігання різноманітної інформації, MapReduce - двигун паралельної обробки. Сховища даних також керують Великими даними, оскільки обсяг структурованих даних швидко зростає. Можливість запуску глибоких аналітичних запитів на величезних обсягах структурованих даних є великою проблемою даних. Це вимагає наявності величезних сховищ даних паралельної обробки і спеціально побудованих засобів для аналізу даних. Великий дані містять не тільки статичні, але й динамічні дані. Потокові дані представляють абсолютно іншу проблему Великих даних - здатність швидко аналізувати і діяти у відповідності з даними в той час як вони ще прибувають.

Однією з технологій, що доцільно використовувати для роботи з Великими даними, є простір даних.

Простір даних – це блоковий вектор, що містить множину інформаційних продуктів предметної області, поділену на три блоки: структуровані дані (бази, сховища даних), напівструктуровані дані (XML, електронні таблиці) та неструктуровані дані (текст). Над цим вектором та його окремими елементами визначено операції та предикати, які забезпечують:

- перетворення різних елементів вектора один в одного; - об’єднання елементів одного типу; - пошук в елементах за ключовим словом.


151

Моделі даних, що підтримуються у просторі даних, утворюватимуть ієрархію відповідно до їх виразної потужності:

- реляційна; - багатовимірна; - об’єктно-реляційна моделі; - об’єктно-орієнтована модель; - розширена мова розмітки інформації (XML) зі схемою; - середовище описання ресурсів (Resource Description Framework – RDF); - стандартний засіб описання зв’язків між об’єктами даних – онтології, описані за

допомогою Web Ontology Language – OWL; - структурований текст (у тому числі HTML); - напівструктурований текст. Придатність моделей даних до підтримання мов запитів та до використання в

глобальній мережі подано на рис. 3.

Рисунок 3 - Придатність моделей даних до підтримання мов запитів та до використання в глобальній мережі

Кожен учасник простору даних підтримує деяку модель даних і деяку мову запитів,

відповідну цій моделі. Запит до такого програмного засобу відповідає тому, що зазвичай підтримується у файлових системах стосовно до їх директорій: зіставлення імен, пошук в діапазоні дат, сортування за розміром файлу та ін. На наступному рівні простору даних модель даних повинна підтримувати мультимножини слів з метою здійснення ефективного пошуку необхідної інформації за ключовими словами, внаслідок чого отримаємо певну можливість бачення вмісту учасників простору даних. Нижче рівня моделі мультимножини слів в ієрархії може розташовуватися модель напівструктурованих даних, заснована на позначених графах. Оскільки джерела даних є різнотипні, то необхідно визначити платформу та архітектуру ПД.

Платформа підтримання ПД (ПППД) – це набір програмного забезпечення, що керує організацією, зберіганням і пошуком даних у просторі. Також здійснює контроль безпеки та цілісності (рис. 4.).


152

Рисунок 4 - Платформа підтримання простору даних

Архітектуру простору даних спроектуємо за рівнями (рис. 5). Рівень застосувань призначений для реалізації операцій над даними у просторі даних. Рівень онтологій використовується для встановлення зв’язку між джерелами. Останній рівень містить джерела даних та забезпечує доступ до даних та виконання операцій рівня застосувань безпосередньо в джерелі (наприклад, операція вибірки на рівні реалізації виконується як запит в конкретній базі даних).

Рисунок 5 - Рівні реалізації фізичної моделі простору даних

Формалізація каталогу простору даних Каталог Cg – це реєстр ресурсів даних, що містить базову інформацію про кожного з

них: джерело, ім'я, місцезнаходження в джерелі, розмір, дату створення і власника, технологічну платформу, протоколи та режим доступу, частоту оновлення та ін. Формується на основі метаописань джерел даних:

Metadata(DB, DW, Wb, Nd, Gr)Cg. Він не лише містить описову інформацію (тобто виконує роль метаданих), але й

зберігає для кожного учасника схему джерела, статистичні дані, швидкість зміни, точність, можливості відповідей на запити, інформацію про власника і дані, про політику доступу і підтримання конфіденційності.


153

Оскільки джерела простору даних фізично не переносять у нього інформацію та не можуть обмінюватись між собою інформацією, то у каталозі необхідно зберігати дані і про зв’язки між джерелами.

Зазначимо, що поняття каталогу простору даних ширше, ніж поняття метаданих простору даних. Окрім традиційних за Захманом 6-ти типів метаданих, каталог простору даних зберігає ще інформацію про зв’язки між джерелами і протоколи обміну інформацією між ними. Відмінності між поданням джерел даних у метаданих та каталозі схематично подані на рис. 6.

а) б)

Рисунок 6 - Подання даних у а) метаданих у сховищі даних; б) каталозі простору даних

Зв'язки у каталозі можуть зберігатися у вигляді метаданих, перетворень запитів, графів залежності або текстових описань тощо. Зв’язок між елементами простору даних поданий на рис. 7.

gC

Рисунок 7 - Схема елементів простору даних

Над каталогом розміщене середовище керування моделями EM, яке дає змогу

створювати нові зв'язки і маніпулювати наявними зв'язками (наприклад, об'єднувати або інвертувати відображення, зливати схеми і створювати єдині подання декількох джерел).

Важливою компонентою простору даних є федералізоване сховище даних ( gC ), яке слугує для досягнення наступних цілей:

- створення асоціацій між об'єктами даних від різних учасників; - вдосконалення доступу до джерел з обмеженими власними засобами доступу; - забезпечення можливості виконання деяких запитів без доступу до реального джерела

даних;


154

- консолідації даних як результат запиту користувача; - підтримання високого рівня доступності і відновлення. Отже, зв’язок між каталогом Cg, середовищем керування моделями EM і

федералізованим сховищем даних gC можна подати як відображення: EM(Cg) gC .

Що більше моделей здатне «розрізнити» середовище керування, то точнішою буде інформація в gC і ефективніше можна буде здійснювати процедури інтеграції, пошуку та опрацювання даних у просторі даних DS.

Висновки 1. Введено інформаційну модель Великих даних та визначено складові

федералізованого сховища даних. 2. Показано, що простір даних доцільно використовувати для роботи з Великими

даними. 3. Описано структуру простору даних.

Список використаної літератури 1. Шаховська Н.Б. Формальне подання простору даних у вигляді алгебраїчної системи /

Н.Б. Шаховська // Системні дослідження та інформаційні технології; Національна академія наук України, Інститут прикладного системного аналізу. – 2011. – № 2. – С. 128 – 140.

2. Шаховська Н.Б. Аналіз методів опрацювання показників соціо-еколого-економічного розвитку регіону / Н.Б. Шаховська, Ю.Я. Болюбаш // Східно-європейський журнал передових технологій - 2013. – Т. 5, № 2(65). – С. 4-8.

3. Згуровський М.З. Основи системного аналiзу / М.З. Згуровський, Н.Д. Панкратова. - К.: Видавнича група BHV, 2007. - 544 с.

References 1. Shakhovska, N.B. (2011) “A formal representation of the data space in the form of algebraic

system”, System Research and Information Technologies, no. 2, pp. 128–140. 2. Shakhovska, N.B. and Bolubash, Yu.Ja. (2013) “Analis metodiv opratsuvannia pokaznykiv

sotsio-ekologo-ekonomichnogo rozvytku regionu”, Shidno-yevropeyskij zhurnal peredovyh tehnologij, vol. 5, no. 2(65), pp. 4-8.

3. Zgurovskyj, М.Z. and Pankratova N.D. (2007), Osnivy systemnogo analizu, BHV, Kiev, Ukraine.


Н.Б. Шаховська, Ю.Я.Болюбаш, О.М. Верес Национальный университет «Львовская политехника» Организация Больших данных в распределенной среде. В статье введено понятие срока Большие данные и проанализированы причины их появления. Подано информационную модель федеративного хранилища данных и описаны его составные элементы. Определены особенности использования NoSQL и других нереляционных средств хранения данных. Описано пространство данных как технология работы с Большими данными. Описаны уровни физической модели пространства данных. Ключевые слова: большие данные, информационный продукт, пространство данных.


155

N.B. Shakhovska, Yu.Ya .Bolubash, O.M. Veres Lviv Polytechnic National University Big data organizing in a distributed environment. This paper introduced the concept of the term Big Data and analyzes the cause of its appearance. Big Data is a set of methods and tools for processing different types of structured and unstructured data in large amounts for their analysis and use of decision support. There is an alternative to traditional database management systems and solutions of Business Intelligence class. To this class belong the parallel data processing means (NoSQL, algorithms MapReduce, Hadoop). Defining characteristic for Big data is the amount (volume, in terms of volume size ), speed (velocity in terms of both growth rate and the need for high-speed processing and the results), diversity (variety, in terms of the possibility of simultaneous processing of different types of structured and semi-structured data). One of the technologies that should be used for large data region is the data space available. Data space is a block vector containing a set of information products divided into three categories: structured data (databases, data warehouses), semi-structured data (XML, spreadsheets) and unstructured data (text). Above this vector and its individual elements there are defined operations and predicates. A federated information model is posted that describes the data warehouse and its components. The features of non-relational NoSQL and other means of storage are described. We describe the data space as the technology of working with large data. The levels of physical model data space are given. Keywords: big data, information products, data space.

Шаховська Наталія Богданівна, Україна, закінчила Національний університет «Львівська політехніка», д-р техн. наук, доцент, професор кафедри інформаційних систем та мереж, декан базової вищої освіти Інституту комп’ютерних наук та інформаційних технологій Національного університету «Львівська політехніка» (вул. С.Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна). Основні напрями наукової діяльності – бази, сховища даних, моделювання інформаційних систем, розподілені системи, хмарні технології. Болюбаш Юрій Ярославович, Україна, закінчив Тернопільський державний педагогічний університет, здобувач Національного університету «Львівська політехніка», заступник директора з навчальної роботи Золочівського коледжу. Основні напрями наукової діяльності – бази даних, Великі дані, методи прогнозування. Верес Олег Михайлович, Україна, канд. техн. наук, доцент кафедри «Інформаційні системи та мережі» Інституту комп’ютерних наук та інформаційних технологій Національного університету «Львівська політехніка». Основні напрями наукової діяльності – інформаційне моделювання, системи баз даних та знань, інтелектуальні системи підтримання прийняття рішень, методи прийняття рішень в слабко структурованому середовищі, системний аналіз, моделювання складних систем.


© Шрамко Н.А., Молоковский И.А., 156 Турупалов В.В., 2014

УДК 621.371.3

Н.А. Шрамко, И.А. Молоковский (канд. техн. наук), В.В. Турупалов (канд. техн. наук, проф.)

ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк кафедра автоматики и телекоммуникаций


ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОГО ПРОСТРАНСТВА

В статье рассматривается влияние помех на радиоканал в условиях ограниченного пространства. Исходя из условий обеспечения радиосвязи, была определена зависимость значения множителя ослабления сигнала, который моделирует влияние ограниченного пространства на прохождение сигнала, от длины волны, излучающей антенны. Ключевые слова: помеха, напряженность поля, мощность, радиоволна, ослабление, радиосвязь.

Актуальность проблемы В наше время стало актуальным внедрение комплексов подземной радиосвязи на

шахтах и рудниках, а значит, для обеспечения надежности и возможности осуществления радиосвязи необходимо исследовать влияние помех на распространение радиоволн в условиях ограниченного пространства шахт.

Постановка задачи В зависимости от места возникновения посторонние электрические колебания можно

разделить на внешние и внутренние помехи. Внутренние помехи возникают в узлах аппаратуры и трактах систем связи. Внешние помехи обусловлены действием источников помех, внешних по отношению к системе связи и не связанных с ее функционированием. Их также можно разделить на естественные и искусственные.

К внешним помехам естественного происхождения относятся [2]: атмосферные помехи в виде излучения электрических разрядов в атмосфере; космические помехи - радиоизлучение источников, находящихся за пределами атмосферы; тепловые помехи атмосферы и Земли.

К внешним помехам искусственного происхождения относятся промышленные помехи, создаваемые различной электроаппаратурой, и помехи от посторонних радиостанций. Помехи при приеме радиосигналов, возникающие на движущихся объектах (бортовые помехи), также можно отнести к промышленным помехам. В данной статье будут рассмотрены помехи именно этого типа и определено их влияние на передаваемый сигнал с разными параметрами.

Основная часть Для обеспечения радиосвязи в условиях ограниченного пространства необходимо

соблюдение двух критериев: 1) искажения сигнала в процессе распространения не должны превышать допустимой нормы; 2) должно быть обеспечено определенное превышение мощности сигнала над мощностью различного рода помех на входе приемника, зависящее от вида работы, достоверности и надежности приема.

Первое условие ограничивает полосу частот неискаженной передачи, т.е. скорость и число каналов. В дальнейшем полагаем, что вид работы удовлетворяет этому требованию, т.е. согласован с особенностями используемого способа распространения радиоволн.


157

По ряду причин мощность помех, а в ряде случаев и мощность сигнала на входе приемника, испытывают непрерывные беспорядочные изменения в виде флуктуаций. Поэтому при формулировке второго условия осуществления радиосвязи приходится оперировать средними значениями мощностей сигнала и помех Рс и Рп и учитывать законы их статистического распределения:

Рс = k2Рп , (1)

где k - коэффициент превышения по напряжению, или коэффициент защиты, зависящий от вида работы, достоверности и надежности приема.

Величина Рн:

Рн= k2Рп , (2) характеризует минимальную необходимую мощность сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается прием с требуемой достоверностью и надежностью.

Обозначим через η величину КПД приемной антенно-фидерной системы. Тогда величина (1-η) будет характеризовать долю мощности, расходуемой на потери и переизлучаемой в виде тепловых шумов антенно-фидерной системы, термодинамическую температуру которой можно считать равной Т0.

Выражение для эффективной антенной температуры Тэ и эффективного коэффициента шума Fэ приемного устройства:

,1 пр0э0 TTTkBPFТТ Anэ (3)

где ТА – абсолютная температура двухполюсника; Т0 = 288К – стандартная абсолютная температура; В – полоса частот, в которой определяется мощность шума;

kГцk ;Вт1038,1 23 – постоянная Больцмана. В диапазоне коротких и более длинных волн внешние помехи часто характеризуют

действующей (среднеквадратичной) напряженностью поля помех )1(nE , отнесенных к

единичной полосе частот (обычно 1 кГц). Величину удельной напряженности )1(nE находят

через мощность помех Рвн в антенне без потерь, в предположении, что помехи приходят равномерно со всех направлений. При этом эффективная площадь антенны не зависит от коэффициента направленности и для всех антенн без потерь равна 42nA . Таким образом

.4120

Р22

вн

n

nnEAП (4)

Отсюда находим )1(nE :

2

2

2

2

2вн

2)1( 480480480

AAA

nFkT

BkT

BPЕ . (5)

С помощью соотношений (4) можно пересчитывать величины Рвн, TA ,FA и )1(

nE от одной к другой величине, в зависимости от исходных данных по уровню помех. В частности, уровень )1(

nE в децибелах относительно 1 мкВ/м связан с коэффициентом помех FA соотношением:


158

дБ,дБ,)1(An FмкВE 20lg f, МГц – 65,5. (6)

С учетом соотношений (3) и (5) для минимальной необходимой мощности сигнала на

входе приемника на основании выражения (2)можно записать:

.480

1 2

22)1(202

шnпр

AнPBEk

TTTkBkР (7)

Мощность сигнала на входе приемника:

,4

2

212112

rFGGРР (8)

где Р1 – мощность передатчика; η1 и η2 – КПД фидеров передающей и приемной антенн; G1 иG2 – соответственно коэффициенты усиления передающей и приемной антенн; F – множитель ослабления, равный:

.свE

EF

(9)

Множитель ослабления характеризует ослабление поля радиоволны E при

распространении в реальных условиях по сравнению с полем Eсв при распространении в свободном пространстве.

Приравнивая мощность сигнала Р2 на входе приемника величине Рн, получаем основное уравнение для расчета радиолинии, связывающее вид и качество работы с условиями распространения и параметрами радиоаппаратуры:

.14

пр022111

TTTkBkr

FDGР A (10)

где D – коэффициент направленности данной антенны.

Формула (10) может быть записана в следующем виде:

.4804 2

22)1(2

2111

2

шn PBEkDGP

rF (11)

Если уровень внешних помех велик, а КПД приемного антенно-фидерного устройства

не слишком мал (режим больших внешних помех), то можно пренебречь внутренними шумами. При этом уравнение радиолинии принимает вид:

.302

2)1(22

11 DBEk

rFGP n

(12)

Левая часть выражения (12) определяет квадрат напряженности поля Е, создаваемого

передающей антенной, а правая часть – квадрат необходимой напряженности Ен поля в пункте приема:


159

.2

)1(

DBkEЕ nн (13)

Таким образом, в режиме больших помех условием осуществления радиосвязи

является:

.нЕЕ (14)

Исходя из формул (5), (8), (9) и (10) постоим графики зависимости множителя ослабления от частотного диапазона и длины волны. При расчетах были использованы следующие данные: частотный диапазон: 2400-2483,5 МГц; Р1=20 Вт; G1=13 dBi; G2=17 dBi; r=1000 м; η1=0,87; η2=0,72.

Рисунок 1 – График зависимости множителя ослабления от длины волны

На графике отчетливо видна обратно пропорциональная зависимость множителя

ослабления от длины волны.

Рисунок 2 – График зависимости множителя ослабления от частотного диапазона

На данном графике прямо пропорциональная зависимость множителя ослабления от

частоты работы передающей антенны.


160

Выводы Помехи радиоприему, создаваемые естественными радиошумами, зависят как от

средней интенсивности, так и от статистической структуры их поля. Таким образом, для более полного учета их мешающего воздействия на системы радиосвязи необходимо иметь сведения о тонкой структуре и мощности этих шумов. Подобные сведения позволяют выбрать помехоустойчивые коды и рассчитать необходимые параметры излучаемых сигналов для обеспечения требуемой достоверности и надежности при передаче информации по радиоканалам.

В настоящее время можно выделить несколько основных способов борьбы с помехами: увеличение энергетического потенциала радиолинии (мощности передатчика,

коэффициента усиления антенны); снижение уровня собственных шумов приемника; снижение уровня внешних помех на входе приемника за счет их компенсации; применение совместной обработки помехи и сигнала, основанной на определении

различий между полезным сигналом и помехой; повышение отношения сигнал/помеха за счет использования помехозащитных

методов модуляции и кодирования. Развитие технических решений, обеспечивающих защиту от помех, идет в направлении

комплексного применения указанных выше и других методов, однако реализация таких решений требует определенного усложнения аппаратуры, а значит – увеличения ее стоимости. Поэтому на практике не стремятся создавать устройства с предельно достижимой (потенциальной) помехоустойчивостью. Чаще всего конечный продукт представляет собой компромиссный вариант, оптимизированный по критерию «стоимость – эффективность». Сопоставление реальной и потенциальной помехоустойчивости позволяет судить об эффективности того или иного метода доступа, а также целесообразности его дальнейшего совершенствования.

Список использованной литературы 1. Благовещенский Д.В. Радиосвязь и электромагнитные помехи: учеб. пособие / Д.В.

Благовещенский; СПбГУАП. - СПб., 2002. – 70 с. 2. Молоковський І.О. Дослідження можливості передачі інформації за допомогою

бездротових технологій у технологічних мережах промислових підприємств / І.О. Молоковський // Сборник научных трудов Донецкого національного технического университета, серия: «Вычислительная техника и автоматизация». - 2010. – Выпуск 19 (171). – С. 77-82.

3. Молоковський І.О. Використання радіозв’язку у складних умовах розповсюдження / І.О. Молоковський, В.В. Турупалов // Науково-методична конференція ["Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій-2011"], (Львів, 27-30 жовтня, 2011 р.). - Львів, 2011. - С. 21-23.

4. Молоковський І.О. Аналіз систем промислового зв’язку / І.О.Молоковський // Наукові праці інституту проблем модулювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова «Моделювання та інформаційні технології». – 2009. - Випуск 52. – C. 157-160.

5. Молоковський І.О. Бездротові технології у технологічних мережах промислових підприємств / І.О. Молоковський, В.В. Турупалов // Матеріали VI Міжнародного науково-технічного симпозіуму «Нові технології в телекомунікаціях» ДУІКТ-Карпати. - Вишків, 2011. - С. 54-56.

6. Молоковський І.О. Аналіз технологій бездротового зв’язку у технологічних мережах промислових підприємств / І.О. Молоковський, В.В. Турупалов, Л.О. Шебанова // Наукові праці Донецького інституту залізничного транспорту Української державної академії залізничного транспорту. – 2011. – Випуск 28. – С. 88-93.


161

7. Турупалов В.В. Надежность промышленных телекоммуникационных сетей / В.В. Турупалов // Наукові записки Українського науково-дослідного інституту зв'язку. - 2012. - №2 (22). - С. 47-51.

8. Турупалов В.В. Основные требования к промышленным телекоммуникационным системам крупних технологических предприятий / В.В. Турупалов // Науковий вісник Чернівецького університету «Комп’ютерні системи та компоненти. Збірник наукових праць. - 2012. – Т. 3, Випуск 1. – С. 87-90.

9. Леонид Невдяев. CDMA: борьба с помехами [Электронный ресурс] / Леонид Невдяев // «Сети/networkworld». - 2000. - № 10. – Режим доступа: URL:http://www.osp.ru/nets/2000/10/141420/. - (Дата обращения: 25.03.2014).

10. Семенов М.А. Организация современной подземной связи на шахтах и рудниках [Электронный ресурс] / М.А. Семенов // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии. - 2012. – Режим доступа: URL: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=20. - (Дата обращения: 28.03.2014).

11. Молоковский И.А. Влияние окружающей среды на передачу радиосигналов в промышленных телекоммуникационных системах / И.А. Молоковский // Матеріали VIII Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології». - Лівадія: ДУІКТ, 2012. – С. 147-149.

12. Турупалов В.В. Информационная система обеспечения безопасности промышленных предприятий / В.В. Турупалов // Науковий вісник Чернівецького університету «Комп’ютерні системи та компоненти. Збірник наукових праць. - 2012. – Т. 3, Випуск 2. – С. 65-68.

13. Турупалов В.В. Роль телекомунікаційних технологій у системах автоматизації підприємств гірничого-добувного комплексу / В.В. Турупалов // Научно-теоретический журнал «Искусственный интеллект». - 2012. - №4. - С. 516 - 521.

14. Турупалов В.В. Спеціалізована телекомунікаційна мережа в системі управління вугільною шахтою / В.В. Турупалов, Р.В. Федюн, В.О. Попов // «Автоматика-2004»: 11-я международная конфернция по автоматическому управлению: тези докл, (27–30 сентября 2004 г., Т. 4). – К., 2004. - С. 113.

15. Молоковский И.А. Исследование процесса распространения радиоволн в телекоммуникационных сетях спеціального назначения / И.А. Молоковский, В.В. Турупалов, Р.Ш. Абрамов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. – 2013. – Випуск 2(25). – С. 144-151.

References

1. Blagoveshhenskij, D.V. Radio and electromagnetic interference: tutorial, SPbGUAP, St. Petersburg, Russia.

2. Molokovskiy, I.О.(2010), “Investigation of the possibility of information transmission using the wireless technologies inindustrial networks”, Collection of scientific works of Donetsk National Technical University, vol. 19(171), pp. 77–82.

3. Molokovskiy, I.О. and Turupalov, V.V. (2011), “ The use of wireless communication in difficult conditions distribution ”, Scientific and practical conference, Modern problems of telecommunications and training in the field of telecommunications-2011, Lviv, Ukraine, 27-30 October, pp. 21-23.

4. Molokovskiy, I.О. (2009), “Analysis of systems of industrial communication”, National Academy of Sciences of Ukraine, Simulation and informational technologies. Collection of scientific works, vol. 52, pp. 157–160.

5. Molokovskiy, I.О. and Turupalov, V.V. (2011), “Wireless technologies in industrial networking industry”, VI International Scientific and Technical Symposium, New technologies in


162

telecommunications DUIKT-Carpathians, Vyshkiv, Ukraine, pp.54-56. 6. Molokovskiy, I.О., Turupalov, V.V. and Shebanova, L.O. (2011), “Analysis of wireless

technology in industrial networks”, Proceedings of Donetsk Institute of Railway Transport of Ukrainian State Academy of Railway Transport, no. 28, pp. 88-93.

7. Turupalov, V.V. (2012), “Reliability industrial telecommunication networks”, Scientific Notes of the Ukrainian Research Institute of Communications, no. 2(22), pp. 47-51.

8. Turupalov, V.V. (2012), “Basic requirements for industrial telecommunications systems, large technology companies”, Scientific Bulletin of Chernivtsi University, Computer systems and components, Collected papers, vol. 3, no.1, pp. 87-90.

9. Networkworld (2000), “CDMA: striving interference”, available at: http://www.osp.ru/nets/2000/10/141420/ (Accessed 25 March 2014).

10. Online Electrician: Electric Utilities. New technologies (2012), “Organization of modern underground communication at mines and pits”, available at: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=20 (Accessed 28 March 2014).

11. Molokovskiy, I.О. (2012), “Influence of the environment on a radio transmission in telecommunication systems of industrial”, VIII International Scientific and Technical Conference, Modern Information and Communication Technologies, Livadia, Ukraine, pp. 147-149.

12. Turupalov, V.V. (2012), “Information system of ensure the safety of industrial enterprises”, Scientific Bulletin of Chernivtsi University, Computer systems and components, Collected papers, vol. 3, no. 2, pp. 65-68.

13. Turupalov, V.V. (2012), “The role of communication technologies in systems automation mining complex”, Scientific theory journal "Artificial Intelligence", no. 4, pp. 516-521.

14. Turupalov, V.V., Fedjun, R.V. and Popov, V.O. (2004) “Special telecommunication network management system of coal mine”, Automatics-2004: 11th International Conference on Automatic Control, Kiev, Ukraine, 27-30 September, vol. 4, pp. 113.

15. Molokovskiy, I.О., Turupalov, V.V. and Abramov, R.Sh. (2013), “Research propagation process of radio waves in the special purpose telecommunication networks”, Collection of scientific works of DONNTU, vol. 2(25), pp. 144–151.

Надійшла до редакції Рецензент: 25.04.2014 д-р техн. наук, проф. Скобцов Ю.О.

Н.А. Шрамко, І.О. Молоковський, В.В. Турупалов ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Дослідження впливу завад при поширенні радіохвиль в умовах обмеженого простору. У статті розглядається вплив завад на радіоканал в умовах обмеженого простору. Виходячи з умов забезпечення радіозв'язку була визначена залежність значення множника ослаблення сигналу, який моделює вплив обмеженого простору на проходження сигналу, від довжини хвилі випромінюючої антени. Ключові слова: завада, напруженість поля, потужність, радіохвиля, ослаблення, радіозв'язок. N.A. Shramko, I.O. Molokovskiy, V.V. Turupalov Donetsk National Technical University Research of interference influence for distribution of radio waves in confined spaces. Nowadays it has became topical to introduce underground radio communication systems for mines and hence to ensure the reliability and feasibility of radio communication is necessary to investigate the effects of interference on the propagation of radio waves in the confined spaces of mines. The article considers the influence of interference on radio channels in confined spaces. We determined


163

the dependence of values of signal attenuation coefficient, which models the effects of confined space for the passage of the signal of the wavelength, the radiating antenna. The interference to radio created by natural radio noise, depends both on the average intensity as well as the statistical structure of their field. Thus to better accommodate the impact of the interfering radio systems we need to have information on the fine structure of this noise and power. Such information can help you choose the noise-resistant codes and calculate the required parameters of the signals emitted to provide the required accuracy and reliability of the transmission of information by radio channels. The development of technical solutions to protect against harmful interference is going in the direction of complex application mentioned above and other methods, but the implementation of such solutions requires a certain complication of equipment, so - increases its value. Therefore, in practice, we do not intend to create devices with the maximum achievable (potential) interference immunity. Most often, the final product is a compromise that is optimized by the criterion: "cost - effectiveness". Comparison of real and potential interference immunity allows judging the effectiveness of a particular method of access, and the expediency of its further improvement. Keywords: interference, field intensity, power, radio wave, attenuation, radio communication.

Шрамко Надежда Андреевна, Украина, магистр кафедры «Автоматика и телекоммуникации» Донецкого национального технического университета, ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – исследование промышленных телекоммуникационных систем.

Молоковский Игорь Алексеевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд.тех.наук, доцент кафедры автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – исследование промышленных телекоммуникационных систем, надежность в ТКС, исследование современных технологий беспроводного доступа.

Турупалов Виктор Владимирович, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд. тех. наук, профессор, заведующий кафедрой автоматики и телекоммуникаций ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – надежность в телекоммуникационных сетях, современные технологии беспроводного доступа.


© Щербов І.Л., Воропаєва В.Я., Вашакідзе Г.А., 2014 164

УДК 621.391

І.Л. Щербов, В.Я. Воропаєва (канд. техн. наук, доц.), Г.А. Вашакідзе ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

кафедра радіотехніки та захисту інформації, кафедра автоматики і телекомунікацій


АЛГОРИТМ ПРИЙНЯТТЯ РИЗИКУ З МЕТОЮ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БЕЗПЕКИ ТКС

Проведено аналіз послідовності прийняття рішення з управління інформаційною безпекою в телекомунікаційній системі (ТКС). Розглянуто найбільш поширені методи оцінки ризику. Запропоновано порядок дискретної оцінки ризику для інформаційно-телекомунікаційної системи на основі експертних оцінок очікуваного збитку в разі реалізації загроз. Ключові слова: телекомунікаційна система, методи оцінки ризику, алгоритм прийняття ризику.

Загальна постановка проблеми Стрімкий розвиток інформаційно-телекомунікаційних технологій все значніше впливає

на процеси життєдіяльності людини, спрощуючи процес отримання необхідної інформації, сприяючи економічному розвитку, дозволяючи більш ефективно вирішувати проблеми державного управління. Але з іншого боку виникають нові глобальні проблеми – кібернетичні злочини. Розробка ефективних моделей і методів управління безпекою телекомунікаційних систем (ТКС) з метою протидії кібернетичній злочинності наразі є актуальним завданням. Його вирішення ускладнюється значною кількістю факторів, що впливають на його виконання. Найбільш суттєвими є [1]:

- необхідність виконання сукупності технічних вимог для спільної роботи програмних продуктів та обладнання різних виробників;

- необхідність ефективного використання каналів зв'язку та дотримання вимог електромагнітної сумісності;

- врахування потенційних загроз для безпеки ТКС та інформації, що обробляється; - необхідність врахування перспектив модернізації системи; - собівартість та ін. Постановка завдань дослідження Для розробки ефективних моделей і методів управління безпекою телекомунікаційних

систем в першу чергу необхідно вирішити наступні задачі: 1. Розробити алгоритм прийняття ризику при розробці системи захисту ТКС. 2. Запропонувати метод визначення експертних оцінок вразливості активів ТКС від

ймовірних загроз. Вирішення завдання та результати дослідження Враховуючи широкий спектр юридичних та фізичних осіб, які надають послуги,

обладнання та програмне забезпечення, що застосовуються в сфері телекомунікацій, Міжнародним союзом електрозв'язку в рекомендації МСЕ-T X.805 запропонована архітектура захисту для систем, що забезпечують зв'язок між кінцевими пристроями (рис.1). Дана архітектура дозволяє провести деталізацію складових частин ТКС з метою спрощення прийняття рішення, спрямованого на ефективне управління, контроль і використання мережевої інфраструктури, послуг і програм. Архітектура захисту забезпечує комплексну, зверху донизу наскрізну область мережевого захисту і може застосовуватися до елементів


165

мережі, послуг і програм, з тим, щоб виявляти, прогнозувати і виправляти вразливість захисту [2].

. Рисунок 1 - Архітектура захисту систем

Прийнята архітектура захисту систем, що забезпечують зв'язок між кінцевими

пристроями, дозволяє більш якісно провести оцінку ризику безпеки ТКС. З цією метою, виходячи з рекомендацій міжнародного стандарту ISO/IEC 27005 «Менеджмент ризику інформаційної безпеки», в початковій стадії прийняття рішення проводиться облік активів, вразливість яких може вплинути на ступінь захищеності ТКС [3].

Доцільно активи телекомунікаційної системи розглядати окремо у відповідності до площини захисту: управління, контролю або кінцевого користувача, а для кожної площини захисту виділяти активи, що відносяться до відповідного рівня: інфраструктури, послуг, застосовуваних програм. Враховуючи важливість початкового етапу прийняття рішення, до даного процесу повинен бути притягнутий персонал, що має відповідну кваліфікацію та досвід роботи.

Наступним кроком оцінки ризиків активів є визначення загроз для ідентифікованих активів. Загрози для ТКС за своєю природою поділяються на природні та техногенні, останні в свою чергу поділяються на випадкові і навмисні. На даному етапі також визначається джерело загроз і «область» дії загрози, тобто, на які складові частини ТКС може впливати дана загроза.

Етап оцінки вразливості активів схематично представлені на рисунку 2.

Рисунок 2 - Оцінка вразливості активів від імовірних загроз

Активи

Виміри захисту

Загрози

s

так

ні

i

так

ні

a

так

ні

c

так

ні

Площини захисту

Виміри захисту керування доступом аутентифікація збереження інформації конфіденційність даних безпека зв'язку цілісність даних доступність секретність

ЗАГРОЗИ Цілісності Доступності Конфіденційності Спостережуваності Керованості

ВРА

ЗЛИ

ВО

СТІ

Рівні захисту захист програм захист послуг

захист інфраструктури


166

Виміри захисту по своїй суті являють комплекс реалізованих заходів щодо захисту активів ТКС. У випадку успішної реалізації загрози активам може бути завдано шкоди, яка впливає на цілісність (i), доступність (a), конфіденційність (c), спостереженість та керованість (s). Таким чином визначається рівень стану захищеності ТКС від загроз.

Виділяється вісім основних вимірів захисту (рисунок 1): управління доступом; аутентифікація ; збереження інформації ; конфіденційність даних; безпека зв'язку; цілісність даних; доступність; секретність [2].

Результати оцінки вразливості активів на прикладі загроз, що можуть бути реалізовані з урахуванням недоліків протоколів міжмережевої взаємодії, наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Загрози для інформаційної безпеки ТКС

№ k Загрози (threat) Конфіденційність

(confidentiality) Цілісність (integrity)

Доступність (availability)

Спостереженість та керованість

(accountability and manageability)

Ваговий коефіцієнт

1 Аналіз протоколів c1 i1 a1 s1 p1

2 Сканування мереж c2 i2 a2 s2 p2

3 Автоматичний підбір паролів c3 i3 a3 s3 p3

4 Spoofing c4 i4 a4 s4 p4

5 Захоплення мережевих підключень c5 i5 a5 s5 p5

6 Підміна мережевих об’єктів c6 i6 a6 s6 p6

7 Розподілена відмова в обслуговуванні c7 i7 a7 s7 p7

8 Віддалене проникнення c8 i8 a8 s8 p8

Використовуючи отримані дані, можна отримати кількісну оцінку вразливості

конкретного активу від однієї загрози за такою формулою:

kkkkkk

k pzsaic

T **4

. (1)

Ваговий коефіцієнт pk визначає частоту появи даної загрози щодо сукупності можливих загроз, коефіцієнт zk визначає вірогідність захисту активу ТКС за допомогою встановленого засобу захисту від загрози pk [4, 5].

Визначення вразливості активу від всіх імовірних загроз Ql визначаємо наступним чином:

k

iii

iiiil pz

saicQ

1**

4. (2)

Кожний із рівнів захисту (програм, послуг, інфраструктури), що представлено на рисунку 1, складається з обмеженої кількості активів. Тому для визначення загальної оцінки захисту одного рівню Qp скористаємось наступною формулою:

l

j

k

iii

iiiip pzsaicQ

1 1**

4. (3)

На підставі отриманої кількісної оцінки захищеності активів системи приймається рішення на прийняття ризику. Алгоритм даного процесу представлено на рисунку 3. Запропонований алгоритм оцінки та прийняття ризику може бути застосований для всіх розглянутих рівнів захисту (програм, послуг, інфраструктури) всіх трьох площин захисту (управління, контролю, кінцевого користувача).


167

Рисунок 3 - Алгоритм прийняття ризику

У запропонованих формулах вагові коефіцієнти pk – частота появи k-ї загрози щодо

сукупності можливих загроз та коефіцієнт zk – вірогідність захисту активу ТКС за допомогою встановленого засобу захисту від k-ї загрози, – визначаються на основі аналізу статистичних даних або з використанням відомих методик [6, 7]. Визначення вагових коефіцієнтів ak,, ck,, ik,, sk. повинно здійснюватися групою призначених експертів.

Методи, що можуть бути використані для оцінки ризику, детально описані в додатках А і В міжнародного стандарту ISO/IEC 31010 «Менеджмент ризику. Методи оцінки ризику». Розглянемо деякі з них, що можуть бути застосовані до ТКС [8, 9, 10].

Мозковий штурм – це ідентифікація групою фахівців можливих відмов, які з’явилися внаслідок погроз, ризику, способів обробки ризику та критеріїв його оцінювання. Даний метод не може бути використаний самостійно або в поєднанні з іншими методами. Основне його призначення – визначення можливостей прогнозування ситуацій учасниками обговорення.

Метод Дельфі є одним з видів мозкового штурму. Основна відмінність – кожна група експертів висуває свою індивідуальну думку, при цьому зберігаючи анонімність. Даний метод використовується для отримання узгодженої оцінки ризику на різних етапах. Однак даний метод є досить тривалим і трудомістким.

Метод дослідження небезпеки і працездатності ґрунтується на ретельному аналізі систем обробки інформації та здійсненні ідентифікація небезпек і ризиків. Цей метод може

Да

Актив (M) Загроза (N)

Оцінка ризику

Прийняття ризику

Засоби захисту

Перегляд/ вдосконалення засобів захисту

Tk

Ні

N=Nmax Ні

Да

N=N+1

Ql M=M+1

M=Mmax

Да Qp

Ні


168

бути застосований до великої кількості систем і дозволяє найбільш повно їх описати, але є досить трудомістким, а отже, і досить тривалим.

Структурований аналіз сценаріїв методом «що, якщо?» ґрунтується на дослідженні сценаріїв з використанням слів-підказок (що, якщо) для ідентифікації небезпечних ситуацій і сценаріїв їх розвитку. Даний метод можна застосовувати у великих системах з високим рівнем деталізації. Також є досить трудомістким і тривалим.

Аналіз дерева подій дозволяє ідентифікувати взаємовиключні послідовності подій, що з’являються за появою вихідної події, залежно від готовності систем, призначених для зниження наслідків загрози. За допомогою цього методу встановлюються всі варіанти розвитку події. Даний метод є досить наочним, але в той самий час для його існування необхідно знати всі початкові події, які потягли за собою ланцюжок інших подій.

Аналіз «краватка-метелик» – це схематичний спосіб опису й аналізу шляху розвитку події, від його появи до завершення (появи загрози). Основна область ідентифікації даного методу зосереджена на кордонах між причиною і подією, подією і наслідком. Даний метод направлений на засоби управління попередженням і зменшенням наслідків створених загроз. Але даний метод не ідентифікує всі причини, що потягли за собою подію.

Мультикритеріальний аналіз рішень використовує ранжування критеріїв для отримання об'єктивної оцінки ризику, в результаті чого необхідно вибрати доступні варіанти рішень. Даний метод дозволяє вибрати найбільш ефективне рішення виникаючих проблем, але в теж час багатокритеріальні проблеми можуть не отримати жодного рішення. Мультикритеріальний аналіз найбільш підходить для порядку прийняття рішення для управління безпекою ТКС відповідно до рекомендацій міжнародних стандартів ISO/IEC 31010 «Менеджмент ризику. Методи оцінки ризику» та ISO/IEC 27005 «Інформаційні технології. Методи і засоби забезпечення безпеки. Менеджмент ризику інформаційної безпеки».

Таблиця 2 Експертна оцінка вразливості активу від ймовірної загрози

№ k Загрози (threat) Е1 Е2 Е3 Е4

1 Аналіз протоколів 80 90 70 70 2 Сканування мереж 90 70 90 90 3 Автоматичний підбір паролів 70 70 80 70 4 Spoofing 100 90 90 70

5 Захоплення мережевих підключень 80 85 90 80

6 Підміна мережевих об’єктів 50 60 50 70

7 Розподілена відмова в обслуговуванні 60 80 70 80

8 Віддалене проникнення 55 60 70 80 Враховуючи данні рекомендації розглянемо алгоритм роботи експертів по визначенню

вагових коефіцієнтів ak,, ck,, ik,, sk,, які за своєю суттю визначають оцінку впливу загрози на властивості активу.

Експерти (Е) на підставі знань проставляють бали імовірним загрозам за 100 бальною шкалою, як показано в таблиці 2. Експертна оцінка вразливості активу від ймовірної загрози є сумою оцінок впливу загрози на властивість активу. В таблиці 3 для прикладу представлено отримання оцінки вразливості активу від загрози «аналіз протоколів».

Для подальшого аналізу проводимо нормування експертних оцінок. Нормування експертних оцінок для першої загрози наведено у таблиці 4.


169

Таблиця 3 Детальна оцінка вразливості активу

Оцінка впливу загрози на властивості активів Загрози Експерти

(Е) c i a s

Сумарна кількість балів

E1 20 10 30 20 80 E2 35 10 25 20 90 E3 20 10 25 15 70

Аналіз протоколів

E4 25 5 20 20 70

Таблиця 4 Нормовані експертні оцінки Оцінка впливу загрози на властивості

активів Загрози Експерти (Е) c i a s

Сумарна кількість балів

E1 0.25 0.125 0.375 0.25 1 E2 0.39 0.1 0.282 0.228 1 E3 0.286 0.143 0.357 0.214 1

Аналіз протоколів

E4 0.286 0.071 0.357 0.286 1

Візьмемо до уваги факт, що оцінки експертів узгоджені. У цьому випадку для побудови узагальненої експертної оцінки використаємо метод попарних порівнянь. Для цього виконаємо ранжування оцінок кожного експерта:

,:1 iscaE ,:2 isacE ,:3 iscaE .:4 iscaE Далі складемо матриці попарних порівнянь кожного експерта за формулою:

ijIE 1 ,

.,0;,1jiякщоjiякщо

I ij (4)

Тоді: Експерт 1 c i a s

c 1 1 0 1 i 0 1 0 0 a 1 1 1 1 s 0 1 0 1

Експерт 2 c i a s c 1 1 1 1 i 0 1 0 0 a 0 1 1 1 s 0 1 0 1




170

На наступному кроці необхідно підсумовувати матриці по всім елементам, тобто формула має вид:

k

kijij k

IS1

, (5)

де - елемент підсумованої матриці, k – номер експерта. Результат має вид:

Сума c i a s c 4 4 1 4 i 0 4 0 0 a 3 4 4 4 s 1 4 0 4

Результуючу матрицю знаходимо за правилом:

.2/,0

;2/,1

dSякщо

dSякщоR

ij

ijij

де d – кількість експертів.

Сума c i a s c 1 1 0 1 i 0 1 0 0 a 1 1 1 1 s 0 1 0 1

Для кожної властивості активу ТКС отримуємо результат у балах – таблиця 5.

Таблиця 5

Оцінка загрози для властивості активу Властивість активу Бали

с 3 і 1 a 4 s 2

Для подальшого використання цих балів, виконаємо їх нормування. Результати

представлено у таблиці 6. Таким чином, результатом роботи експертів є визначення вагових коефіцієнтів ak,, ck,,

ik,, sk,, які за своєю суттю визначають оцінку впливу загрози на властивості активу.

Таблиця 6 Нормовані коефіцієнти

Властивість активу Бали с 0,75 і 0,25 a 1 s 0,5


171

Висновки У статті розглянуто рекомендації міжнародної спілки електрозв’язку щодо архітектури

захисту, яка дозволяє провести деталізацію складових частин ТКС з метою спрощення прийняття рішення, спрямованого на ефективне управління, контроль і використання мережевої інфраструктури, послуг і програм. Активи телекомунікаційної системи ідентифіковані у відповідності до площини захисту: управління, контролю або кінцевого користувача. Проведена класифікація імовірних загроз залежно від уразливості активів до цих загроз.

Розроблено новий алгоритм прийняття ризику при проектуванні системи захисту ТКС, який відрізняється від відомих тим, що базується на дискретній експертній оцінці захищеності активів системи від різних типів загроз.

Здійснено порівняльний аналіз методів, що можуть бути використані для оцінки ризику активів телекомунікаційної системи, та вибрано мультикритеріальний метод як найбільш ефективний. Запропоновано методику визначення експертних оцінок вразливості активів ТКС від імовірних загроз, що базується на мультикритеріальному методі, та приведений приклад розрахунку вагових коефіцієнтів експертної оцінки впливу загрози «аналіз протоколів» на властивості активів телекомунікаційної системи.

Список використаної літератури 1. Воропаєва В. Я. Адаптування інформаційно-телекомунікаційних систем до зовнішніх

впливів / В. Я. Воропаєва, І.Л. Щербов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2012. - Випуск 23 (201). – С. 83-88.

2. ITU-T X.805. Security architecture for systems providing end-to-end communications. 3. ISO/IEC 27005. Information technology — Security techniques — Information security risk

management. 4. Дядин И.П. Исследование распределенных информационных атак и методов борьбы с

ними / И.П.Дядин, В.В. Червинский // «Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих»: збірник наукових праць ХІI науково-технічної конференції аспірантів та студентів, (Донецьк, 17-20 квітня 2012 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – С. 32-34.

5. Воропаєва В. Я. Управління інформаційною безпекою інформаційно-телекомунікаційних систем на основі моделі «plan-do-check-act» / В. Я. Воропаєва, І.Л. Щербов, Е.Д. Хаустова // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2013. - Випуск 25. – С. 104-110.

6. Васяева Т.А. Подготовка данных при разработке медицинских экспертных систем / Т.А. Васяева, Ю.А. Скобцов // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2007. - №4(27). – С. 49-55.

7. Аноприенко А.Я. Особенности моделирования и оценки эффективности работы сетевой инфраструктуры / А.Я. Аноприенко, С.Н. Джон, С.В. Рычка // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. – 2002. - Випуск 38. – С. 205 – 210.

8. ISO/IEC 31010. Risk management – Risk assessment techniques. 9. Астахова Л.В. Проблема идентификации и оценки кадровых уязвимостей

информационной безопасности организации / Л.В. Астахова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2013. – Т. 13, №. 1.

10. Королев О. Л. Определение и управление рисками информационных систем / О. Л. Королев // Ученые записки ТНУ им. ВИ Вернадского: Серия «Экономика». – 2006. – Т. 19, №. 58. – С. 113-120.


172

References 1. Voropaeva, B.Y. and Shcherbov, I.L. (2012), “Adaptirovanie informacionno-

telekommunikacionih sistem k vneshnim vozdeistviyim”, Proceedings of Donetsk National Technical University. Series: Computers and Automation, no.23 (201), pp. 83-88.

2. ITU-T X.805. Security architecture for systems providing end-to-end communications. 3. ISO/IEC 27005. Information technology - Security techniques - Information security risk

management. 4. Dyadin, I.P. and Cherwinski, V.V. (2012), “Issledovanie raspredelenih informacionnih atak i

metodi borbi s nimi”, Automation of technological objects and processes. Search young. Collected Works of XII scientific conference and students in Donetsk on 17-20 April 2012, Donetsk, Ukraine, 2012, pp.32-34.

5. Voropaeva, V.Y., Shcherbov, I.L. and Haustova, E.D. (2013), “Upravlenie informacionnoi bezopasnostiu informacionno-telekommunikacionih system na osnove modeli «plan-do-check-act»”, Proceedings of Donetsk National Technical University. Series: Computers and Automation, no. 253 (201), pp. 104-110.

6. Vasyaeva, T.A. and Skobtsov, Y.A. (2007), “Podgotovka dannih pri razrabotke medicinskih ekspertnih system”, Bulletin of Kherson National Technical University, no. 4(27), pp. 49-55.

7. Anoprienko, A.Y., Djon, S.N. and Richka, S.V. (2002), “Osobenosti modelirovania I ocenki effektivnosti raboti setevoi infrastrukturi”, Proceedings of Donetsk National Technical University. Series: Computers and Automation, no. 38, pp. 205-210.

8. ISO/IEC 31010. Risk management – Risk assessment techniques. 9. Astahov, L.V. (2013), “Problema identifikacii i ocenki kadrovih uyazvimostei informacionnoi

bezopasnosti organizacii”, Bulletin of the South Ural State University. Series: computer technology, management, electronics, vol. 13, no. 1.

10. Korolov, O.L. (2006), “Opredelenie i upravlenie riskami informacionnih system”, Scientific notes of TNU. Vernadsky Series "Economy", vol. 19, no. 58, pp. 113-120.

Надійшла до редакції: Рецензент: 02.04.2014 д-р пед. наук, проф. Стефаненко П.В.

И.Л. Щербов, В.Я. Воропаева, Г.А. Вашакидзе ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Алгоритм принятия риска с целью обеспечения безопасности телекоммуникационных систем. Проведен анализ последовательности принятия решения по управлению информационной безопасностью в телекоммуникационной системе. Предложен математический аппарат по определению общей оценки защищенности составных элементов ТКС. Рассмотрены наиболее распространенные методы оценки риска. Разработан алгоритм принятия риска при проектировании системы защиты. Разработана методика определения экспертных оценок уязвимости активов ТКС. Ключевые слова: телекоммуникационная система, методы оценки риска, алгоритм принятия риска.

I.L. Shcherbov, V.Y. Voropaeva, G.A. Vashakidze Donetsk National Technical University Risk acceptance algorithm aiming to provide safety of telecommunications systems. The analysis of decision making sequence on information security management in the telecommunications system was done. The model for analysis is security architecture of systems, which provide connection between users ITU-Т X.805). Application of this architecture allows assessing the risk of telecommunications system.


173

Mathematical tool for security rating definition of the telecommunication systems compound elements was offered. Security rating estimation is based on analysis of: assessment of the hazard impact on assets property, frequency of hazard occurrence, probability of hazard avoidance using existing security equipment. The routine methods of risk assessment were considered. Multi-criterion method was chosen according to special aspects of telecommunications system structure and operating. An algorithm of risk acceptance during security system design was developed on the base of offered mathematical tool for telecommunications system security rating definition. The algorithm is based on quantitative assessment of system assets security. Method of expert estimation definition of telecommunications system assets vulnerability was developed. The order of risk discrete valuation for telecommunications system was developed on the basis of expert estimation of expected damage in case of hazard materializing. Key words: telecommunications system, risk assessment methods, risk acceptance algorithm.

Щербов Ігор Леонідович, Україна, Краснодарське вище військове училище ім. г.а. Штеменко С.М., ст. викладач кафедри радіотехніки та захисту інформації ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Основний напрям наукової діяльності – управління інформаційною безпекою в телекомунікаційних системах та мережах.

Воропаєва Вікторія Яківна, Україна, закінчила Донецький національний технічний університет, канд. техн. наук, доцент, професор кафедри автоматики та телекомунікацій ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецк, 83001, Україна). Основний напрямок наукової діяльності – сучасна теорія телетрафіку, оптимізація телекомунікаційних та інформаційно-комунікаційних систем та мереж.

Вашакідзе Гурам Аміранович, Україна, магістрант Донецького національного технічного університету, кафедра радіотехніки та захисту інформації (вул. Артема, 58, м. Донецьк, 83001, Україна). Основний напрям наукової діяльності – дослідження методів прийняття рішень щодо захисту інформації в інформаційно-телекомунікаційних мережах.


174

Розділ 3 Інформаційно-вимірювальні системи,

електронні та мікропроцесорні прилади


© Куценко В.П., 2014 175

УДК 004:621.396.6

В.П. Куценко (д-р техн. наук, доц.) ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

кафедра системного аналізу та моделювання Державне науково-виробниче підприємство „Кварсит”, м. Костянтинівка


ОЦІНКА КОМПЛЕКСНИХ УЗАГАЛЬНЕНИХ ВЕЛИЧИН СПРЯМОВАНОГО ХВИЛЬОВІДНОГО ВІДГАЛУЖУВАЧА З ВИКОРИСТАННЯМ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ

З врахуванням проведеного математичного моделювання НВЧ-каскаду приладу мікрохвильового контролю зі спрямованим хвильовідним відгалужувачем (СХВ,) виконані комп’ютерні розрахунки оцінки комплексних узагальнених величин (КУВ) СХВ з використанням нечіткої логіки при відхиленні від оптимальних значень параметрів довжини хвилі сигналу, всіх фаз і модулів комплексних коефіцієнтів відбиття антени і еквівалента антени, а також фаз і модулів елементів матриці розсіювання СХВ. Розраховані й побудовані графіки. Ключові слова: прилад мікрохвильового контролю, спрямований хвильовідний відгалужувач,. моделювання, спектральна щільність потужності, оптимальні параметри, комплексні величини.

Вступ При розробці схем високочутливих мікрохвильових приладів контролю параметрів

діелектричних матеріалів і виробів у їх вхідної частини використовують СХВ, які можуть обмежувати смугу прийнятих частот широкосмугових сигналів, що знижує чутливість апаратури і точність дослідження. У роботах [1-7] розвинені наукові основи мікрохвильового неруйнівного контролю в частині перетворення низькоінтенсивних шумових сигналів з періодичним порівнянням на вході приладу. Без спрощень побудовані математичні моделі і проведено теоретичне дослідження СХВ з урахуванням власних радіотеплових шумів НВЧ-кіл.

Оцінка оптимальних значень комплексних параметрів елементів, підключених на вході приладу контролю [8-10] і введених додатково при розрахунках нормованих відбитих хвиль КУВ, розрахована на основі узагальненої моделі багатополюсного НВЧ-перетворювача і дозволяє істотно поліпшити його метрологічні характеристики і розрахувати похибки при радіометричному контролі.

Постановка задачі дослідження Для подальшого розвитку теорії побудови засобів мікрохвильового контролю

діелектричних матеріалів і виробів на їх основі актуальними є дослідження, з використанням нечіткої логіки, на основі проведених розрахунків оптимальних параметрів СХВ [7], [8] і залежностей введених в процесі моделювання його КУВ від режимів роботи НВЧ-кіл.

Основна частина На основі проведеного раніше математичного моделювання вхідної частини

радіометричного приладу контролю з спрямованим хвильовідним відгалужувачем [2], [3], [7] виконаємо з використанням нечіткої логіки комп’ютерні розрахунки введених його КУВ, при відхиленні параметрів НВЧ-кіл у межах ±10% від оптимальних значень.

Розрахунки оптимальних параметрів СХВ і з’єднаних з ним НВЧ-елементів вхідної частини функціональної схеми радіометричного приладу контролю в умовах низькоінтенсивних сигналів наведені в таблиці 1. На підставі результатів оптимізації СХВ (таблиця 1) проведемо за допомогою програми Mathcad 15 розрахункову оцінку стабільності


176

КУВ СХВ при відхиленні параметрів НВЧ-кіл від оптимальних значень.

Таблиця 1 Оптимальні параметри СХВ в умовах низькоінтенсивних сигналів

φ12 S12 S13 φ13 S14 φ14 S23 φ23 φ24 S24 0,25 0,818 0,285 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,25 0,285 φ34 S34 ГА φА φ1 ГRn φRn Г4 φ4 λ 0,25 0,818 0,415 0,5 0,25 0,125 0,25 0,508 0,25 7,352

При оптимальних значеннях параметрів НВЧ-кіл отримані наступні значення КУВ:

027,0928,1 jA , 237,0237,0 jB , 237,0237,9 jC , 47,2908,3 jD , 019,6883,4 jE , 649,12025,11 jF , 989,4976,3 jK , 48,178,3 jL , 664,2289,5 jM , 428,4976,5 jN , 24,0298,0 jG , 356,121,2 jS .

Для аналізу стабільності залежностей значень КУВ при відхиленні параметрів НВЧ-кіл приладу мікрохвильового контролю від оптимальних значень хвильового діапазону (λ), всіх фаз (φ) комплексних коефіцієнтів відбиття (ККВ) і модуля ККВ (ГA), всіх фаз елементів матриці розсіювання СХВ (φS) і модуля елемента матриці розсіювання (S14) розрахуємо таблиці і побудуємо графіки. Нижче приводяться тільки найбільш характерні залежності модулів КУВ від величин, що змінюються, параметрів НВЧ-кіл щодо їх оптимальних значень. Залежність значень КУВ від довжини хвилі сигналу λ наведено в табл. 2 і графіках (рис. 1).

Таблиця 2

Залежність КУВ СХВ від довжини хвилі сигналу λ(мм) 2 3 4 5 6 7 8

В 6.891 3.421 1.599 0.616 0.082 -0.154 -0.101 D -0.641 2.406 3.201 3.601 3.811 3.901 3.881 E -2.627 1.399 3.235 4.166 4.654 4.866 4.819 F -0.975 5.215 8.209 9.782 10.625 10.996 10.913 K -3.105 1.021 2.666 3.429 3.807 3.964 3.929 L 0.017 -2.295 -3.152 -3.527 -3.704 -3.775 -3.759 M 0.8 3.351 4.411 4.918 5.173 5.281 5.257 N 1.037 -2.843 -4.526 -5.354 -5.78 -5.962 -5.921 S 0.29 1.513 1.933 2.104 2.179 2.208 2.202

Рисунок 1 - Графіки залежності КУВ СХВ від довжини хвилі сигналу λ (мм)

Аналіз дозволив оцінити стабільність КУВ СХВ в хвильовому діапазоні від 2 до 8 мм,

яка носить нелінійний характер. Значення модулів КУВ змінюються в 5-7 разів, а фазові складові в 1,5-2 рази.


177

Результати розрахунків значень КУВ СХВ приладу мікрохвильового контролю, що одержані при зміні всіх фаз коефіцієнтів відбиття приймальної антени φA, еквівалента антени φR, входів модулятора φ1 і змішувача φ4 у межах ±10% від їх оптимальних значень із кроком 2% наведені в таблиці 3, а їх графічні залежності на рис. 2.

Таблиця 3

Залежність КУВ СХВ від зміни фаз коефіцієнтів відбиття НВЧ-елементів φ(%) -10 -8 6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

В -0.58 -0.5 -0.42 -0.34 -0.26 -0.17 -0.09 -0,01 0.077 0.162 0.247 E 5.241 5.171 5.1 5.029 4.956 4.883 4.809 4.734 4.658 4.582 4.505 F 11.66 11.53 11.41 11.28 11.15 11.03 10.895 10.76 10.63 10.5 10.37 K 4.233 4.184 4.134 4.082 4.03 3.976 3.922 3.866 3.81 3.752 3.693 M 5.467 5.467 5.398 5.362 5.326 5.289 5.252 5.214 5.175 5.136 5.096 N -6.28 -6.22 -6.16 -6.1 -6.04 -5.98 -5.91 -5.85 -5.78 -5.72 -5.65

Рисунок 2 - Графіки залежності КУВ СХВ від фаз коефіцієнтів відбиття приймальної антени φA, еквівалента антени φR, входів модулятора φ1 і змішувача φ4

З розрахунків слідує, що зміна фазових складових коефіцієнтів відбиття НВЧ-кіл

викликає зміну значень модулів КУВ у діапазоні досліджень в межах 11-23% і зміну фазових складових в межах 6-30%.

Проведені розрахунки значень КУВ, що одержані при зміні всіх фаз φS елементів матриці розсіювання СХВ у межах ±10% від оптимальних значень із кроком 2%, наведені в таблиці 4 і рис. 3. Зміна фазових складових елементів матриці розсіювання СХВ викликає лінійну зміну значень модулів КУВ в межах від 5% до 5 разів при відхиленні фазових складових КУВ до 16%.


178

Таблиця 4

Залежність КУВ при зміні фаз елементів матриці розсіювання СХВ φS (%) -10 -8 6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

B -0.42 -0.37 -0.32 -0.27 -0.22 -0.17 -0.12 -0.07 -0.02 0.027 0.077 D 3.98 3.97 3.95 3.94 3.92 3.91 3.89 3.88 3.863 3.848 3.832 E 5.06 5.01 4.98 4.94 4.9 4.88 4.85 4.82 4.79 4.76 4.73 F 11.66 11.53 11.41 11.28 11.15 11.03 10.9 10.76 10.63 10.5 10.37 K 4.08 4.06 4.04 4.02 3.998 3.98 3.95- 3.93 3.91 3.89 3.86 N -6.12 -6.09 -6.06 -6.04 -6.01 -5.98 -5.95 -5.92 -5.89 -5.85 -5.82

Рисунок 3 - Графіки залежності КУВ при зміні всіх фаз φS елементів матриці розсіювання СХВ

Результати розрахунків значень КУВ СХВ, одержувані при зміні модуля елемента

матриці розсіювання S14 у межах ±10% від оптимальних значень із кроком 2% наведені в таблиці 5 і рис. 4.

Таблиця 5

Залежність КУВ СХВ від зміни модуля елемента матриці розсіювання S14 S14 0,45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 D 4.26 4.185 4.112 4.041 3.974 3.908 3.845 3.784 3.725 3.668 3.612 E 5.369 5.264 5.163 5.066 4.973 4.883 4.796 4.712 4.631 4.553 4.477 F 11.96 11.76 11.57 11.38 11.199 11.03 10.86 10.69 10.54 10.38 10.237 K 3.655 3.717 3.78 3.845 3.91 3.976 4.044 4.113 4.182 4.253 4.325 L -3.56 -3.61 -3.65 -3.69 -3.74 -3.78 -3.83 -3.87 -3.92 -3.96 -4.008 N -5.59 -5.67 -5.74 -5.82 -5.896 -5.98 -6.06 -6.14 -6.22 -6.31 -6.391


179

Рисунок 4 - Графіки залежності КУВ СХВ від зміни модуля елемента

матриці розсіювання S14 Зміна модуля елемента матриці розсіювання S14 у межах аналізу впливає на значення

модуля КУВ в межах до 22% і фазової компоненти КУВ в межах від 13 до 22%. Результати розрахунків значень КУВ, що отримані при зміні модуля коефіцієнта

відбиття антени ГA у межах ±10% із кроком 2% наведені в таблиці 6 і рис. 5.

Таблиця 6 Залежність КУВ ПХТ від зміни модуля коефіцієнта відбиття антени ГA

ГA 0.373 0.382 0.39 0.398 0.407 0.415 0.423 0.432 0.44 0.448 0.456 А 1.799 1.824 1.85 1.876 1.902 1.928 1.954 1.98 2.006 2.031 2.057 К 4.307 4.241 4.175 4.109 4.043 3.976 3.91 3.844 3.778 3.712 3.646

Рисунок 5 - Графіки залежності КУВ ПХТ від зміни модуля коефіцієнта відбиття антени ГA

Аналіз наведених розрахунків свідчить про те, що зміна модуля коефіцієнта відбиття

антени ГA викликає зміну значень модулів КУВ СХВ у діапазоні досліджень в межах від 14 до 18% і зміну фазових складових в межах 1,5%.

Висновки 1. Встановлено, що комплексні узагальнені величини чутливі в різному ступені до

відхилення (±10%) від оптимальних параметрів (модулі і фазові складові) НВЧ-кіл приладів контролю і змінюються від декількох сотих відсотка до 90%.


180

2. Розрахована залежність КУВ СХВ приладів контролю від довжини хвилі, яка носить нелінійний характер, значення модулів змінюються в 5-7 разів, а фазові складові в 1,5-2 рази. Зміна фазових складових ККВ НВЧ-кіл викликає зміну значень модулів КУВ у діапазоні досліджень в межах 11-23% і зміну фазових складових в межах 6-30%, а зміна фазових складових елементів матриці розсіювання СХВ викликає лінійну зміну значень модулів КУВ в межах від 5% до 5 разів при відхиленні фазових складових КУВ до 16%.

3. Проведені розрахунки значень КУВ СХВ з використанням нечіткої логіки, одержані при зміні всіх фаз ККВ приймальної антени, еквівалента антени, входів змішувача і модулятора у межах ±10% від оптимальних значень, ілюструють практичну їх нечутливість до цих змін і коливаються від 0,011 до 1,224%. Зміна модуля ККВ ГА показує максимальне відхилення КУВ до 3,297% від оптимальних значень. Більші відхилення значень КУВ від оптимальних величин, спостерігаються при зміні модуля елемента матриці розсіювання S14 СХВ ніж при зміні всіх фаз елементів цієї матриці, які, відповідно, досягають максимальних значень 6,848% і 1,092%.

4. Показано, що результати розрахунків з використанням нечіткої логіки дозволяють збільшити швидкість розробки нових НВЧ-пристроїв, прогнозувати і забезпечувати підвищення точності їх роботи і, відповідно, достовірності контролю властивостей діелектричних матеріалів і виробів на їх основі.

Список використаної літератури 1. Методы и средства сверхвысокочастотной радиометрии / [В.П. Куценко, Ю.А. Скрипник, Н.Ф.

Трегубов, К.Л. Шевченко, А.Ф. Яненко]. – Донецк: ІПШІ «Наука і освіта», 2011. – 324 с. 2. Радіометричний НВЧ-контроль властивостей матеріалів / В.П. Куценко, Ю.О. Скрипник, М.Ф.

Трегубов, К.Л. Шевченко, О.П. Яненко. – Донецьк: ІПШІ «Наука і освіта», 2012. – 348 с. 3. Куценко В.П. Періодичне порівняння сигналів в НВЧ-радіометрії / В.П. Куценко. – Донецьк:

ІПШІ «Наука і освіта», 2012. – 300 с. 4. Куценко В.П. Теоретичні основи вимірювання низькоінтенсивних шумових сигналів з

періодичним порівнянням на вході радіометричної системи / В.П. Куценко // Науково-теоретичний журнал „Штучний інтелект”. – 2011. – Вип. 3. – С. 456–462.

5. Куценко В.П. Оцінка похибок перетворення низькоінтенсивних шумових сигналів при періодичному порівнянні в НВЧ-колах РПК / В.П. Куценко, О.П. Яненко // Вісник Національного технічного університету України „КПІ”. Серія „Приладобудування”. – 2013. –Вип. 45. – С. 77–82.

6. Куценко В.П. Аналіз залежності відхилення узагальнених комплексних величин НВЧ-вузлів від нормованих значень / В.П. Куценко // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. - 2013. - №3. – С. 118-123.

7. Куценко В. П. Математична модель направленого хвилевідного відгалужувача в умовах низькоінтенсивних сигналів / В.П. Куценко // Вісник Житомирського державного технічного університета. Серія "Технічні науки". - 2010. - Вип. 2 (53). - С. 118-123.

8. Куценко В.П. Розрахунки оптимальних параметрів спрямованого хвилевідного відгалужувача і похибок перетворення низькоінтенсивних НЗВЧ-сигналів / В.П. Куценко, С.П. Сергиенко // Науково-теоретичний журнал „Штучний інтелект”. – 2013. – Вип. 1. – С. 163–181.

9. Куценко В.П. Оптимізація параметрів вхідних вузлів НЗВЧ-радарних систем в умовах низькоінтенсивних сигналів / В.П. Куценко, С.П. Сергиенко, М.Ф. Трегубов, В.А. Сидоренко // Науково-теоретичний журнал „Штучний інтелект”. – 2012. – Вип. 4. – С. 489–498.

10. Куценко В.П. Аналіз підходів до розрахунків вхідних елементів НЗВЧ-радіометрів, як основних джерел похибок вимірювання низькоінтенсивних сигналів / В.П. Куценко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». – 2012. - Вип. 20 (182). – С. 199-205.


181

References 1. Кutsenkо, W.P., Skripnik, Yr.А., Тrеgubоv, N.F., Shevchenko, К.L. and Yanenkо, А.F. (2011),

Metodu i sredstva sverchvusokochastotnoi radiometrii [Methods and facilities of super-high-frequency radiometry], IPAI «Science and education», Donetsk, UA.

2. Кutsenkо, W.P., Skripnik, Yr.А., Тrеgubоv, N.F., Shevchenko, К.L. and Yanenkо, А.F. (2012), Radiometrichnij SVCh-kontrol vlastuvostei materialiv [Aerophare OHF-control of properties of materials], IPAI «Science and education», Donetsk, UA.

3. Кutsenkо, W.P. (2012), Perioduchne porivnynny sygnaliv v NVCh-radiometrii [Periodic comparison of signals in OHF-radiometry], IPAI «Science and education», Donetsk, UA.

4. Кutsenkо, W.P.(2011), “Theoretical bases of measuring low of intensive noise signals are with periodic comparison on the entrance of the aerophare system”, Teoretychni osnovu vumirjvanny nizkointensivnuch chymovuch signalov z perioduchnum porivnjnnjm na vchodi radiometrichnoi sistemy , vol. 3, Тheoretical magazine “Artificial intelligence”, pp. 456–462.

5. Кutsenkо, W.P. and Yanenkо, А.F. (2013), “Estimate of errors of transformation of низькоінтенсивних of noise signals at periodic comparison in OHF circles of aerophare devices of control”, Ozinka pochibok peretvorennj nizkointensivnuch chymovuch signalov pri periodichnomy porivnjnni v NVCh-kolach RPK, vol. 45, Announcer of the National technical university of Ukraine “КPІ”. are Series of “Instrument-making”, pp. 77–82.

6. Кutsenkо, W.P. (2013), “An analysis of dependence of rejection of the generalized complex sizes of OHF of knots is from the rationed values”, Analiz zalegnosti vidchilennj uzagalnenuch kompleksnuch velechin NVCh-vyzliv vid normovanuch znachen, vol. 3, Announcer of the Kyiv national university of technologies and design, pp. 118-123.

7. Кutsenkо, W.P. (2010) “A mathematical model of directed хвилевідного відгалужувача is in the conditions of low intensive signals”, Matematychna model napravlenogo chvilevidnogo vidgalygyvacha v umovach nizkointensivnuch signalov, vol. 2 (53), An announcer of Zhytomyr state technical university is Series “Engineering sciences”, pp. 118-123.

8. Кutsenkо, W.P. and Sеrgienkо, S.P. (2013), “Calculations of optimal parameters of the directed waveguide coupler and errors of transformation low intensive OHF-signals”, Rozrachunki optimalnuch parametriv sprjmovanogo chvilevidnogo vidgalygyvacha I pochybok peretvorennj nizkointensivnuch NZVCh-signalov, vol. 1, Тheoretical magazine “Artificial intelligence”, pp. 163-181.

9. Кutsenkо, W.P., Sеrgienkо, S.P., Тrеgubоv, N.F. and Sidorenkо, W.А. (2012), “Optimization of parameters of entrance knots of OHF-radar systems is in the conditions of low intensive signals”, vol. 4, Optimizacij parametriv vchidnuch vyzliv NZVCh-radarnuch system v umovach nizkointensivnuch signalov, Тheoretical magazine “Artificial intelligence”, pp. 489-498.

10. Кutsenkо, W.P. (2012), “Analysis of going near the calculations of entrance elements of OHF-radiometers, as basic sources of errors of measuring low of intensive signals”, Analiz pidchodiv do rozrachunkiv vchidnuch elementiv NZVCh-radiometriv, jk osnovnych dgerel pochibok vumirjvanny nizkointensivnuch signalov, vol. 20 (182), Scientific works of the Donetsk national technical university. are Series the “Computing engineering and automation”, pp. 199-205.

Надійшла до редакції: Рецензент: 18.03.2014 д-р техн. наук, проф. Зорі А.А.

В.П. Куценко ДВНЗ «Донецкий национальный технический университет» Оценка комплексных обобщенных величин направленного волноводного ответвителя с использованием нечеткой логики. С учетом проведенного математического моделирования СВЧ-каскада прибора микроволнового контроля с направленным волноводным ответвителем (НВО) выполнены компьютерные расчеты оценки комплексных обобщенных величин НВО с использованием нечеткой логики при отклонении от оптимальных значений параметров длины


182

волны сигнала, всех фаз и модулей комплексных коэффициентов отражения антенны и эквивалента антенны, а также фаз и модулей элементов матрицы рассеивания НВО. Рассчитаны и построены графики. Ключевые слова: прибор микроволнового контроля, направленный волноводный ответвитель, моделирование, спектральная плотность мощности, оптимальные параметры, комплексные величины.

V.P. Kutsenko Donetsk National Technical University Estimation of the complex generalized sizes of the directed waveguide coupler with the use of fuzzy logic. At development of charts of highly sensitive microwave devices of control of parameters of dielectric materials and wares in their entrance part use the directed waveguide couplers (DWC) that can limit the stripe of the accepted frequencies of broadband signals, that reduces the sensitiveness of apparatus and research exactness. Before in works scientific bases of microwave non-destructive control were developed in part of transformation low of intensive noise signals with periodic comparison on the entrance of device. Without simplifications mathematical models are built and a theoretical study of the directed waveguide coupler is undertaken taking into account own radiothermal noises over high-frequency chains. The estimation of optimal values of complex parameters of the elements connected on the entrance of control device and entered additionally at the calculations of the rationed reflected waves of the complex generalized sizes (CGS) is expected on the basis of the generalized model multipolar over a high-frequency (OHF) transformer and allows substantially to improve his metrology descriptions and expect errors at aerophare control. In a robot the task of further development of theory of construction of facilities of microwave control of dielectric materials and wares is decided in part of research on the basis of the conducted calculations of optimal parameters of DWC and dependences entered in the process of design of it CGS from the modes of operations of OHF of chains. Taking into account the conducted mathematical design of OHF of chains of device of microwave control with the directed waveguide coupler the computer calculations of estimation of stability of the complex generalized sizes of DWC are executed at deviation from the optimal values of parameters of wave-length of signal, all phases and modules of complex reflectivities of aerial and equivalent of aerial, and also phases and modules of elements of matrix of dispersion of DWC. Charts are expected and built. It is shown that the results of calculations allow to increase speed of development of the new OHF devices, forecast and provide the increase of exactness of their work and, accordingly, to authenticity of control of properties of dielectric materials and wares on their basis. Keywords: device of microwave control, directed waveguide coupler, design, spectral closeness of power, optimal parameters, complex sizes.

Куценко Владимир Петрович, Украина, закончил Таганрогский радиотехнический институт, Заслуженный работник промышленности Украины, д-р техн. наук, с.н.с., доцент кафедры системного анализа и моделирования ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина), с.н.с.-консультант Государственного научно-производственного предприятия «Кварсит» (ул. Шмидта, 20, г. Константиновка, Донецкой обл., 85104, Украина). Основное направление научной деятельности – измерение низкоинтенсивных СВЧ-сигналов, радиометрические исследования состава и свойств объектов, метрология измерения случайных сигналов.


© Лактионов И.С., Вовна А.В., 2014 183

УДК 621.3.088.3:621.351

И.С. Лактионов (аспирант), А.В. Вовна (канд. техн. наук, доц.) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра электронной техники e-mail: [email protected]; [email protected]

СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ОРАНЖЕРЕЙ БОТАНИЧЕСКОГО САДА

Разработан способ уменьшения дополнительной погрешности средства измерительного контроля влажности почвы в условиях оранжерей ботанического сада. Обоснована методика компенсации дестабилизирующего влияния pH на результат измерения влажности почвы. В результате лабораторных испытаний макетного образца измерителя установлены его основные метрологические характеристики: чувствительность по влажности – 0,6 Ом·м/% в диапазоне изменения от 30 до 90 %; чувствительность по pH – 7,3 Ом·м/ед. в диапазоне изменения от 5 до 8 ед.; абсолютное значение основной погрешности измерения влажности, которая обусловлена шумовой составляющей детектируемого падения напряжения, составила ±1,5 %; абсолютное значение дополнительной погрешности измерения влажности, которая обусловлена дестабилизирующим влиянием pH, составила ±2,5 %. Абсолютное значение суммарной погрешности измерения влажности почвы, при условии компенсации дестабилизирующего влияния pH, составило ±2,9 %, что не превышает максимально допустимого значения межгосударственного стандарта ±5 %. Ключевые слова: способ, измерение, влажность, кислотность, погрешность, почва.

Общая постановка задачи исследования Эффективное использование земель зависит от исследования их частных

агроэкологических показателей: физических, химических, физико-химических и биологических. Из четырех основных физических почвенных параметров (механическое сопротивление, влажность, аэрация и температура), влажность является наиболее важным [1]. Проблема исследования влажности почв в условиях оранжерей ботанического сада имеет явно выраженные теоретические и практические аспекты. C теоретической точки зрения, актуальность исследований влажности почвы связана с недостаточностью знаний о принципах воздействия влаги на режимы развития растений. В прикладном плане актуальность изучения влажности почв необходимо рассматривать в экологической, сельскохозяйственной, экономической и других плоскостях [2]. С целью разработки агротехнических приемов по уходу за растениями оранжерей ботанического сада необходимо выполнять экспресс-анализ влажности почвы, так как выращивание интродуцированных культур весьма требовательно к запасам продуктивной влаги в почве. Следовательно, разработка и исследование средства измерительного контроля влажности почвы в полевых условиях, принцип работы которого основан на инструментальных методах анализа, является актуальной научно-технической задачей.

Постановка задач исследования Целью статьи является повышение точности измерителя влажности почвы в условиях

оранжерей ботанического сада. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработать алгоритм уменьшения дополнительной погрешности измерителя влажности почвы.


184

2. Провести исследования влияния pH на метрологические характеристики макетного образца измерителя влажности почвы.

3. Проанализировать полученные результаты экспериментальных и теоретических исследований и обосновать метод компенсации дестабилизирующего влияния pH на точность определения влажности почвы.

Результаты исследований На основании анализа существующих методов и средств контроля влажности почвы

[3], а также результатов предварительных исследований [4], обоснован выбор метода определения влажности почв. В основу принципа работы данного измерителя положен кондуктометрический метод анализа. Этот метод основан на косвенном определении влажности путем непосредственного измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) почвы. В результате анализа факторов влияющих на точность измерения влажности почвы предложенным методом установлено, что проводимость солей почвенного раствора является дестабилизирующим параметром [5]. С точки зрения электрохими-ческого анализа почв переносчиками заряда в почвенном растворе являются свободные ионы, а не их соединения (соли). Величина pH является количественной мерой активности ионов H+ и OH- и может выступать оценочной характеристикой ионной составляющей общего удельного сопротивления почвы, так как предельная молярная проводимость ионов 4108,349 H См·м2/моль и 4103,198 OH См·м2/моль, что в (3..10) раз больше, чем у других ионов [6]. На основании анализа работ [1, 7] с последующим уточнением выборки статистических данных специалистами Донецкого ботанического сада НАН Украины, были установлены рабочие диапазоны относительной влажности почвы – от 30 до 90 %; температуры – от 10 до 30 °С и кислотности – от 5 до 8 ед.

В результате предварительных исследований [4] обоснована структура измерительной установки контроля влажности почвы (см. рис. 1) и разработан ее макетный образец.

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема измерителя влажности почвы

Сконструированный макетный образец измерителя влажности почвы состоит из: 1. Генератора сигнала со следующими техническими характеристиками: действующее значение напряжения, генерируемого источником сигнала равно 5 В; внутреннее сопротивление генератора сигнала – 200 Ом. Изменение величины

внутреннего сопротивления генератора сигнала, при изменении сопротивления нагрузки от 50 Ом до 1 кОм, составляет ±3 %;


185

форма сигнала – двухполярные прямоугольные импульсы (меандр). Данная форма напряжения, генерируемого спроектированным источником сигнала, выбрана с целью минимизации дестабилизирующего влияния эффекта поляризации электродов;

диапазон регулирования частоты сигнала: от 100 Гц до 100 кГц, выбор которого обусловлен тем, что на более низких частотах проявляется эффект поляризации электродов, а на более высоких – эффекты релаксационного и электрофоретического торможения, которые вызваны частотной зависимостью величины диэлектрической проницаемости жидкой фазы почвы [5, 6].

2. Блока детектирования падения напряжения между измерительными электродами (M и N), состоящего из следующих функциональных узлов:

rms-to-dc преобразователь (конвертирует действующее значение напряжения в эквивалентное постоянное). Данный преобразователь сконструирован на базе микросхемы AD736 [8] с целью уменьшения инструментальной погрешности измерителя, поскольку инструментальная погрешность цифровых вольтметров в режиме измерения постоянного напряжения значительно ниже, чем переменного;

цифровой вольтметр Unit UT71c с верхним пределом измерения 20 В,

обеспечивающим погрешность измерения не более, чем

D

U x 3100

025,0 %.

3. Измерительного канала (ИК) температуры. В качестве ИК температуры использовался электронный термометр, построенный на термоэлектрическом преобразователе с предельной абсолютной погрешностью ±1 °С в диапазоне изменения температур от 0 до 70 °С.

4. Измерительного канала (ИК) кислотности почвы. В качестве ИК кислотности почвы использовался pH-метр КС-300В, который обеспечивает абсолютную погрешность измерения не более 0,5 ед. в диапазоне изменения pH от 3 до 9 ед.

Исследуемый образец почвы, на основании метода аналогий, представлен эквивалентной электрической схемой замещения (см. рис. 1). Активное сопротивление обусловлено проводимостью твердой фазы почвы, а реактивное – ионной проводимостью жидкой фазы почвы. Данный подход позволяет математически обосновать вклад различных типов проводимости в величину суммарного УЭС почвы с целью учета и компенсации дестабилизирующего влияния pH на метрологические характеристики измерителя влажности почвы.

В основу предлагаемого способа уменьшения дополнительной погрешности измерения влажности положена зависимость УЭС почвы и, как следствие, влажности от pH. Данная задача решается путем введения аппаратной избыточности за счет использования вспомогательного средства измерения pH почвы. В итоге измеренное значение pH позволяет ввести поправку на результат измерения влажности почвы кондуктометрическим методом на основании следующей методики:

1. Определение величины УЭС почвы для нормального значения pH (нейтральная почва, pH=7). Величина УЭС определяется на основании детектирования падения напряжения между измерительными электродами M и N (см. рис. 1) кондуктометрической ячейки с последующим пересчетом по формуле [4]:

KU

llU

RU

MNMN

ABХХ

внMN

)(

. , (1)

где ρ – УЭС почвы, Ом·м; UMN – детектируемое падение напряжения между измерительными электродами, В; Rвн. – внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом; UХХ – напряжение холостого хода источника сигнала, В; lAB – расстояние между питающими электродами, м; lMN – расстояние между измерительными электродами, м; K – коэффициент


186

измерительной установки, зависящий от расположения измерительных и питающих электродов, м-1.

2. Вычисление относительной влажности почвы для нормального значения pH на основании измеренного значения УЭС по формуле [5]: W , (2) где W – относительная влажность почвы, %; β и γ – коэффициенты аппроксимации функции, которые характеризуют тип исследуемой почвы.

3. Измерение pH в рабочем диапазоне от 5 до 8 ед. и введение поправки на результат измерения УЭС почвы по формуле (3). Выражение (3) было получено на основании анализа уравнений регрессии зависимостей между УЭС и солесодержанием для различных типов почв [5, 9]. Установлено, что данные регрессионные зависимости являются линейными. Следовательно, зависимость между УЭС и pH почвы, по аналогии с температурной, имеет следующий вид:

pHpHpHpH 77 1 , (3) где pH7 – нормальное значение кислотности почвы (нейтральная почва); ρ(pH7) – значение УЭС, соответствующее нейтральной почве, Ом·м; α – коэффициент аппроксимации функции.

4. Введение поправки на результат определения влажности почвы с учетом дестабилизирующего влияния pH по формуле (4), которая получена путем подстановки выражения (3) в формулу (2): pHpHpHW 77 1 . (4)

В результате экспериментальных лабораторных исследований дестабилизирующего влияния pH на метрологические характеристики измерителя влажности почвы получены следующие зависимости: ρ=f(pH)W=60 % в рабочем диапазоне изменения pH от 5 до 8 ед.; ρ=φ(W)pH=7 в рабочем диапазоне изменения влажности почвы от 30 до 90 % и градуировочная характеристика измерителя – ρ=ξ(W, pH). В ходе выполнения эксперимента, на основании методики ГОСТ 28268-89 «Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений» была установлена начальная масса (m0=600±2 г) и соответствующая ей относительная влажность почвы (W0=5,0±0,1 %) [10]. Путем добавления жидкостей различной природы известной массы (раствор уксусной кислоты различной концентрации, водные растворы гидроксида натрия и калия, дистиллированная вода) изменялись относительная влажность и кислотность почвы в соответствующих рабочих диапазонах. При каждом изменении относительной влажности почвы, с шагом ΔW равным 10 %, для заранее установленного значения pH почвы с шагом ΔpH равным 1 ед., детектировалось падение напряжения между измерительными электродами кондуктометрической ячейки в течение 5 минут с интервалом времени Δt, равным 30 сек, с целью усреднения измеренных значений падения напряжения. В условиях проведения эксперимента поддерживались постоянными: температура почвы – 20±1 °С и относительная влажность воздуха помещения лаборатории – 60±3 %.

Апостериорная информация, полученная в результате выполнения данного эксперимента, позволила получить графический вид зависимости ρ=f(pH)W=60 % и аппроксимировать ее выражением (3), которая представлена на рис. 2, а. Также была снята характеристика ρ=φ(W)pH=7 и аппроксимирована функцией (2), которая представлена на рис. 2, б. Анализ зависимости, представленной на рис. 2, а, позволил установить значение коэффициента аппроксимации уравнения (3) – α, который составил -0,364. Стоит отметить, что данный коэффициент не является величиной постоянной, а зависит от плотности упаковки почвы [9]. Полученное численное значение было найдено для модели рыхлой упаковки, что соответствует верхним слоям почвы оранжерей ботанического сада.


187

Рисунок 2 – Результат экспериментальных исследований: а) – зависимость УЭС почвы от

pH при влажности – 60 %; б) – зависимость УЭС почвы от влажности при pH – 7 ед.

Определены относительные значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения (СКО) погрешности аппроксимации: mρ=5,4 % и σρ=±1,4 %. Путем анализа зависимости, представленной на рис. 2, а, рассчитана чувствительность измерителя по кислотности:

3,758

3,61,28

pH

S pH Ом·м/ед.

На основании анализа зависимости, представленной на рис. 2, б, установлены численные значения коэффициентов аппроксимации уравнения (2) методом градиентного спуска: β=391,9 и γ=-0,65. Определены относительные значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения (СКО) погрешности аппроксимации: mρ=6,3 % и σρ=±2,3 %. Путем анализа зависимости, представленной на рис. 2, б, рассчитана средняя чувствительность измерителя по влажности:

6,03090

82,885,44

W

SW Ом·м/%.

Экспериментальные данные позволили получить градуировочную характеристику измерителя влажности почвы в рабочих диапазонах изменения относительной влажности и pH, а также аппроксимировать ее выражением (4), которая представлена на рис. 3.

Рисунок 3 – Градуировочная характеристика измерителя влажности почвы при

изменении W от 30 до 90 % и pH от 5 до 8 ед. При проведении лабораторных испытаний макетного образца измерителя влажности

почвы установлено амплитудное значение шумовой составляющей детектируемого падения напряжения. Полученное действующее значение Uш не превышает 20 мВ, что с доверительной вероятностью (P=0,95) соответствует среднеквадратичному значению 10 мВ. Шумовая составляющая детектируемого падения напряжения обуславливает основную погрешность измерения УЭС почвы и, как следствие, погрешность определения влажности почвы кондуктометрическим методом. Основная погрешность измерения УЭС


188

почвы (Δρосн.) была определена на основании уравнения (1) с учетом Uш и составила ±0,9 Ом·м. Полученное значение Δρосн. с учетом чувствительности измерителя по влажности (SW) позволило рассчитать основную погрешность измерения влажности почвы:

5,16,09,0

.

WW Sосн

%,

что в пересчете в относительную величину погрешности измерения влажности почвы соответствует диапазону изменения δW от 5 % (при Wmin=30 %) до 1,7 % (при Wmax=90 %).

Полученное значение коэффициента чувствительности по pH (SpH) позволило рассчитать дополнительную погрешность измерения УЭС почвы по формуле:

pHS pHдоп . . (5) При условии некомпенсированного дестабилизирующего влияния pH в рабочем

диапазоне от 5 до 8 ед. отклонение величины pH от нормального значения (pH=7) лежит в диапазоне от -2 до +1 ед. На основании формулы (5) абсолютная дополнительная погрешность измерения УЭС почвы изменяется от -14,6 Ом·м до +7,3 Ом·м. В пересчете в относительную величину дополнительной погрешности данный диапазон составил от -69 % до +35 %, что превышает максимально допустимое значение – 7,5 %, указанное в нормативной документации [11].

При условии компенсации дестабилизирующего влияния pH с максимально допустимой погрешностью измерения ΔpH=0,2 [11], дополнительная погрешность измерения УЭС почвы (Δρдоп.) равна ±1,5 Ом·м. При пересчете в относительную величину погрешности δρдоп. равна 6,1 %, что не превышает максимально допустимого значения 7,5 %, указанного в нормативной документации [11].

Анализ полученных значений дополнительных погрешностей измерения УЭС почвы свидетельствует о необходимости учета и компенсации дестабилизирующего влияния кислотности на результат измерения влажности почвы за счет использования вспомогательного средства измерения pH, что позволяет уменьшить дополнительную погрешность в 5 раз. Полученное значение дополнительной погрешности измерения УЭС почвы с учетом коэффи-циента чувствительности по влажности позволило вычислить дополнительную погрешность измерения влажности почвы:

5,26,05,1.

.

W

допдопW S

%,

что в пересчете в относительную величину дополнительной погрешности измерения влаж-ности почвы соответствует диапазону изменения δWдоп. от 8,3 % (при Wmin=30 %) до 2,8 % (при Wmax=90 %).

Абсолютное значение суммарной погрешности измерения влажности почвы определено по формуле [12]:

9,222...

допосн WWW %,

из которой следует, что полученное значение абсолютной погрешности, равно ±2,9 %, при условии компенсации дестабилизирующего влияния pH. В рабочем диапазоне изменения относительной влажности почвы от 30 до 90 % абсолютная погрешность не превышает максимально допустимого значения, указанного в нормативной документации [10] ±5 %.

Выводы 1. Разработан способ повышения точности измерителя относительной влажности почвы

в условиях оранжерей ботанического сада, который позволил уменьшить дополнительную погрешность измерения в 5 раз.

2. В результате лабораторных экспериментальных исследований макетного образца измерителя влажности почвы установлены его основные метрологические характеристики:


189

чувствительность по влажности – 0,6 Ом·м/% в рабочем диапазоне изменения относительной влажности почвы от 30 до 90 %;

чувствительность по кислотности – 7,3 Ом·м/ед. в рабочем диапазоне изменения pH почвы от 5 до 8 ед.;

основная абсолютная погрешность измерения влажности – ±1,5 %; дополнительная абсолютная погрешность измерения влажности почвы,

обусловленная дестабилизирующим влиянием pH, – ±2,5 %; суммарная абсолютная погрешность измерения влажности почвы, при условии

компенсированного дестабилизирующего влияния pH, равна ±2,3 %, что не превышает максимально допустимого значения ±5 %.

3. Разработанный измеритель влажности почвы позволил обосновать ряд агротехни-ческих приемов по уходу за интродуцированными растениями оранжерей Донецкого ботанического сада НАН Украины.

Список использованной литературы 1. Kirkham M.B. Principles of soil and plant water relations/ M.B. Kirkham. – San Diego:

Elsevier Academic Press, 2005. – 519 p. 2. Киселев Е.Н. Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах

степной зоны Западного Предкавказья: автореф. дис. на соиск. науч. степ. канд. геогр. наук: спец. 25.00.23 "Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов"/ Киселев Евгений Николаевич; Кубанский государственный университет. – Краснодар, 2009. – 23 с.

3. Шеин Е.В. Курс физики почв: учебник / Е.В. Шеин. – М.: МГУ, 2005. – 432 с. 4. Вовна А.В. Математическая модель компьютеризированной системы измерительного

контроля влажности почвы / А.В. Вовна, И.С. Лактионов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». – 2013. – Випуск 2 (25). – С. 197 – 206.

5. Поздняков А.И. Электрофизические свойства некоторых почв / А.И. Поздняков, Ч.Г. Гюлалыев. – Москва-Баку: Адильоглы, 2004. – 240 с.

6. Краснов К.С. Физическая химия: [в 2 кн.]. – М.: Высшая школа, 2001. – Кн. 2: Электрохимия. Химическая кинетика и катализ: учеб. для вузов / [К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И.Н. Горднев и др.]. - 2001. – 319 с.

7. Shao Guang-Cheng. Comparative effects of deficit irrigation (DI) and partial root-zone drying (PRD) on soil water distribution, water use, growth and yield in greenhouse grown hot paper/ Shao Guang-Cheng, Zhang Zhan-Yu, Liu Na, Yu Shuang-En, Xing Weng-Gang// Scientia Horticulturae. – Elsevier, 2008. – Vol. 119. – p. 11 – 16.

8. Analog Device [Электронный ресурс]. – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD736.pdf. – Дата доступа: февраль 2014. – Загл. с экрана.

9. Нерпин С.В. Физика почв / С.В. Нерпин, А.Ф. Чудновский. – М.: Наука, 1967. – 584 с. 10. Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и

влажности устойчивого завядания растений: Межгосударственный стандарт ГОСТ 28268-89. – [Действующий от 2006-01-23]. – М.: Стандартинформ, 2006. – 8 с.

11. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, pH и плотного остатка водной вытяжки: Межгосударственный стандарт ГОСТ 26423-85. – [Действующий от 1986-01-01]. – М.: Стандартинформ, 2011. – 7 с.

12. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для вузов / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. – М.: Высшая школа, 2001. – 205 с.


190

References 1. Kirkham, M.B. (2005), Principles of soil and plant water relations, Elsevier Academic Press,

San Diego, USA. 2. Kiselev, E.N. (2009), Territorial'naja struktura i dinamika polja vlazhnosti pochvy v predelah

stepnoj zony Zapadnogo Predkavkaz'ja, Abstract of Ph.D. dissertation, Fizicheskaja geografija i biogeografija geografija pochv i geohimija landshaftov, Kubanskij gosudarstvennyj universitet, Krasnodar, Russian Federation.

3. Shein, E.V. (2005), Kurs fiziki pochv: Uchebnik, MGU, Moskow, Russian Federation. 4. Vovna, A.V. and Laktionov, I.S. (2013), "Matematicheskaja model' komp'juterizirovannoj

sistemy izmeritel'nogo kontrolja vlazhnosti pochvy", Naukovі pracі Donec'kogo nacіonal'nogo tehnіchnogo unіversitetu. Serіja: «Obchisljuval'na tehnіka ta avtomatizacіja», no. 2 (25), pp. 197 – 206.

5. Pozdnjakov, A.I. and Gjulalyev, Ch.G. (2004), Jelektrofizicheskie svojstva nekotoryh pochv, Adil'ogly, Mosow and Baku, Russian Federation and Azerbaijan.

6. Krasnov, K.S., Vorob'ev, N.K. and Gordnev, I.N. (2001), Fizicheskaja himija. V 2 kn. Kn. 2. Jelektrohimija. Himicheskaja kinetika i kataliz: Ucheb. dlja vuzov, Vysshaja shkola, Moskow, Russian Federation.

7. Shao Guang-Cheng, Zhang Zhan-Yu, Liu Na, Yu Shuang-En, Xing Weng-Gang (2008), "Comparative effects of deficit irrigation (DI) and partial root-zone drying (PRD) on soil water distribution, water use, growth and yield in greenhouse grown hot paper", Scientia Horticulturae, Vol. 119, pp. 11 – 16.

8. Analog Device, Jelektronnyj resurs, available at: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD736.pdf (Accessed at 10 February 2014).

9. Nerpin, S.V. and Chudnovskij, A.F. (1967), Fizika pochv, Nauka, Moskow, Russian Federation.

10. Mezhgosudarstvennyj sovet po standartizacii, metrologii i sertifikacii (2006), GOST 28268-89: Soils. Methods for determination of moisture, maximum hygroscopic moisture and moisture of steady plant fading, Standartinform, Moscow, Russian Federation.

11. Mezhgosudarstvennyj sovet po standartizacii, metrologii i sertifikacii (2011), GOST 26423-85: Soils. Methods for determination of specific electric conductivity, pH and solid residue of water extract, Standartinform, Moscow, Russian Federation.

12. Tartakovskij, D.F. and Jastrebov, A.S. (2001), Metrologija, standartizacija i tehnicheskie sredstva izmerenij. Uchebnik dlja vuzov, Vysshaja shkola, Moscow, Russian Federation.

Надійшла до редакції: Рецензент: 31.03.2014 д-р техн. наук, проф. Зорі А.А.

І.С. Лактіонов, О.В. Вовна ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Спосіб зменшення додаткової похибки вимірювача вологості ґрунту оранжерей ботанічного саду. Розроблено спосіб зменшення додаткової похибки засобу вимірювального контролю вологості ґрунту в умовах оранжерей ботанічного саду. Обґрунтовано методику компенсації дестабілізуючого впливу pH на результат вимірювання вологості ґрунту. В результаті лабораторних досліджень макетного зразка вимірювача встановлено його основні метрологічні характеристики: чутливість по вологості – 0,6 Ом·м/% в діапазоні зміни від 30 до 90 %; чутливість по pH – 7,3 Ом·м/од. в діапазоні зміни від 5 до 8 од.; абсолютне значення основної похибки вимірювання вологості, яка обумовлена шумовою складовою вимірюваного падіння напруги, склала ±1,5 %; абсолютне значення додаткової похибки вимірювання вологості, яку обумовлено дестабілізуючим впливом pH, склала ±2,5 %. Абсолютне значення сумарної похибки вимірювання вологості ґрунту, за умови компенсації


191

дестабілізуючого впливу pH, склало ±2,9 %, що не перевищує максимально допустимого значення міждержавного стандарту ± 5 %. Ключові слова: спосіб, вимірювання, вологість, кислотність, похибка, ґрунт.

I.S. Laktionov, A.V. Vovna Donetsk National Technical University Method of reducing the soil moisture meter additional error for the botanical garden greenhouses. The range of the relative humidity varies 30 to 90 %; the temperature varies from 10 to 30 °C and the soil acidity varies from 5 to 9 units. A method of reducing the additional error of soil moisture measuring has been developed. The necessity of the account and compensation algorithm of the soil acidity destabilizing effect on the soil moisture meter’s metrological characteristics in the botanical garden greenhouses has been substantiated. A technique of the transformation characteristics definition of the soil moisture meter has been developed. The basic metrological characteristics of the soil moisture meter prototype have been determined by laboratory studies: moisture sensitivity is equal 0.6 Ohm·m/% in the range from 30 to 90 %; pH sensitivity is equal 7.3 Ohm·m/unit in the range from 5 to 8 units; absolute value of the basic error of the moisture measurement, which is due to the noise component of the detected voltage drop is equal ±1.5 %, the absolute value of the additional error of the moisture measurement, which is caused by the destabilizing pH influence is equal ±2.5 %. A posterior information allowed to approximate the experimental data by the analytical function W=f(ρ,pH) by regression analysis of the gradient descent method. Probabilistic characteristics of the experimental data approximation error have been calculated: the mathematical expectation is equal 5.4 % and the standard deviation is ±0.4 %. The absolute value of the humidity total measurement error by conductometric method is ±2.9 %. This value is obtained under the condition of the compensated destabilizing pH influence. The resulting value does not exceed the maximum permissible value of interstate standard, which is equal ±5 %. Keywords: method, measurement, moisture, acidity, error, soil.

Лактионов Иван Сергеевич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, аспирант кафедры электронной техники ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – повышение точности и эффективности информационно-измерительных систем.

Вовна Александр Владимирович, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры электронной техники. ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – разработка, моделирование и исследование компьютеризированных информационно-измерительных систем аэрогазового контроля.


© Поздняков Е.К., 2014 192

УДК 621.311.22

Е.К. Поздняков Институт прикладной математики и механики НАНУ


ИССЛЕДОВАНИЕ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В МНОГОПОЗИЦИОННЫХ ПАССИВНЫХ

СИСТЕМАХ ПРИ ПОМОЩИ ФУНКЦИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Выполнен анализ входных параметров метода определения дальности до источников радиоизлучения (ИРИ) в многопозиционных пассивных комплексах с использованием функций параметрической чувствительности. Приведено обоснование математического аппарата для определения семейств коэффициентов чувствительности, на основе которого получены аналитические выражения и проведен расчет семейств коэффициентов чувствительности для экспериментальной трассы. Показан характерный вид семейств коэффициентов чувствительности для рассматриваемого метода определения дальности до ИРИ. Ключевые слова: радиолокационная станция, источник радиоизлучения, входные параметры, функция чувствительности, относительная погрешность.

Общая постановка проблемы Точность определения положения цели в пространстве является важнейшим критерием

качества работы многопозиционных пассивных комплексов (МПК). В современных МПК широко используются два основных метода измерения координат: триангуляционный метод и разностно-дальномерный метод (РДМ). Данные методы являются известными, широко используемыми в пассивных системах, однако они имеют недостатки, описанные в [1, 2, 3]. Поэтому, разработка методов увеличения точности определения координат ИРИ является актуальной задачей современной радиолокации.

Анализ последних исследований и публикаций С целью повышения точности вычисления координат, а также времени наблюдения за

целью, был разработан метод определения дальности ИРИ, основанный на измерении периода вращения антенно-фидерной системы радиолокационной станции (АФС РЛС). Подробно данный метод описан в [4, 5]. Преимуществом метода является более высокая точность в сравнении с триангуляционным методом, поскольку уменьшено влияние погрешности определения пеленга на итоговый результат. Вторым важным преимуществом в сравнении с РДМ является возможность определения дальности ИРИ при облучении только двух станций комплекса. Возникает

Для применения данного метода необходимо оценить влияние погрешностей входных параметров метода на погрешность результата. Данный анализ можно провести с использованием теории параметрической чувствительности. Применение функций чувствительности позволяет сформулировать рекомендации касаемо требуемой точности входных параметров и определить принципиальную возможность применения метода в измерительной системе МПК.

Постановка задач исследования Целью данной работы является: 1. Обоснование математического аппарата функций параметрической чувствительности

для метода определения дальности до ИРИ. 2. Исследование входных параметров метода определения дальности до ИРИ с

помощью функций параметрической чувствительности.


193

Сущность метода определения дальности до ИРИ Геометрия расположения двух станций комплекса и ИРИ показана на рисунке 1.

Рисунок1 - Геометрия расположения станций комплекса и ИРИ На рисунке 1 приняты следующие обозначения: О – положение левой станции

комплекса; В - положение правой станции комплекса; А – положение ИРИ с вращающейся АФС; γ – угловое направление на РЛС из точки В; ζ - угловое направление на РЛС из точки О; L – расстояние между правой станцией и РЛС; S – расстояние между левой станцией и РЛС; ОВ = d – расстояние (база) между станциями комплекса; β – угол под которым видны станции комплекса из точки стояния РЛС;

Из рисунка 1 следуют следующие соотношения:

)sin(sin

dsinsin

dS

, (1)

)sin(sin

dsinsin

dL

, (2)

Выражения (1)-(2) позволяют в полярной системе координат при известных γ, ζ и β рассчитать дальность от станций комплекса до ИРИ. Углы γ и ζ измеряются станциями комплекса. Значение угла β можно рассчитать, измерив, период вращения АФС РЛС (ТС) и разницу времени прихода сигнала на станции комплекса (Δt) за счет вращения АФС РЛС, по следующей формуле:

.2T

t

C

(3)

Очевидно, что для данного метода погрешность определения координат в значительной степени зависит от точности измерения угла β, которая определяется точностью измерения временных параметров ТС и Δt.

В условиях дальнего тропосферного распространения радиоволн точное измерение временных параметров ТС, и Δt является достаточно сложной задачей. Сложность обусловлена существенными искажениями, которым подвергается сигнал в процессе прохождения через тропосферу [6, 7]. Искажениям подвергаются форма и длительность импульса, амплитуда и период повторения [8].

Поэтому представляется важной задача исследования влияния погрешностей входных параметров на погрешность результата метода. Данный анализ позволит определить требуемую точность определения входных параметров метода.

Построение и анализ функций чувствительности. Из (1)-(3) окончательно получаем следующее соотношение для дальности L:

)Tt2sin(

)Tt2sin(

dL

. (4)


194

Таким образом, точность определения дальности L зависит от точности измерения четырех параметров: d, γ, Δt, Т. Запишем вектор параметров p в общем виде[9]:

T,t,,dpT Дальность L до ИРИ вычисляется по формуле (4). При условии точного определения

всех параметров вектора 0p , получим точное значение дальности 0L . Необходимо оценить погрешность определения положения ИРИ при ошибочных величинах компонентов вектора p. С этой целью разложим величину L в ряд Тейлора в окрестности точного значения дальности ИРИ 0L , ограничиваясь его линейной частью. В общем случае дальность L до ИРИ получит соответствующее приращение в связи с ошибками измерения параметров, а именно:

,ppL)p(L)pp(L j

4

1j j00

Величина смещения значения дальности ИРИ L , обусловленная измерением компонентов вектора параметров p с некоторой погрешностью Δ, определяется через коэффициенты чувствительности следующими соотношениями:

)d(dL)dd(L

0dd0

, (5)

)(L)(L0

0

, (6)

)t(t

L)tt(L0tt

0

, (7)

)T(TL)TT(L

0TT0

. (8)

Соотношения (5)-(8) содержат величины ошибок определения дальности до ИРИ, которые пропорциональны величине ошибок измерений соответствующих параметров, входящих в вектор р. Коэффициентами пропорциональности являются значения функции чувствительности дальности L к изменению компонентов вектора р, представляющие собой частные производные [10]. Исследование свойств функций параметрической чувствительности в задаче определения дальности ИРИ в воздушном пространстве, контролируемом станциями пассивной локации, представляет интерес для определения таких оптимальных значений входных параметров, при которых влияние параметрической погрешности на итоговую погрешность определения дальности будет минимальным. Важно также определить суммарную погрешность конечного результата метода.

Исходя из соотношений (5)-(8) запишем соответствующие формулы влияния погрешности входных параметров на определение абсолютной ошибки дальности до ИРИ с использованием функции чувствительности.

Дифференцируя соотношение (4) по компонентам вектора параметров p, получим аналитические выражения для вычисления значений коэффициентов чувствительности в виде функции других параметров:

,)

Tt2sin(

)T

t2sin(

0dddL

(9)


195

,)

Tt2sin(

)T

t2cos(d

0

L

(10)

2)T

t2sin(T

)T

t2sin()T

t2cos(d2

)T

t2sin(T

)T

t2cos(d2

0tttL

, (11)

222 )T

t2sin(T

)T

t2sin()T

t2cos(td2

)T

t2sin(T

)T

t2cos(td2

0TTTL

. (12)

Соотношения (9)-(12) позволяют построить и исследовать графики изменения коэффициентов чувствительности при разных параметрах, определить области значений компонентов вектора р, где коэффициенты чувствительности минимальны.

Таким образом коэффициент чувствительности описывает влияние погрешности входного параметра на погрешность результата. Очевидно, что чем меньше коэффициент чувствительности, тем меньше итоговая погрешность при одинаковой погрешности входных параметров.

Покажем некоторые характерные семейства коэффициентов чувствительности при разных значениях входных параметров и произведем первичный анализ полученных зависимостей.

На рисунке 2 приведено семейство по параметру T зависимостей коэффициента d/L при изменении угла γ.

Рисунок 2 - Семейство по параметру Т=const зависимостей коэффициентов чувствительности дальности L к базе d при изменении угла пеленга γ

На рисунке 2 приняты следующие условные обозначения: 1 - Т=20, 2 - Т=15, 3 - Т=10,

4 - Т=5. В соответствии с (9), зависимости, представленные на рисунке 2, изменяются по

синусоидальному закону и достигают максимума при значениях γ=π/2. Увеличение периода Т также ведет к увеличению коэффициента чувствительности.

На рисунке 3 приведено семейство по параметру T зависимостей коэффициента t/L при изменении времени задержки Δt.

На рисунке 3 приняты следующие условные обозначения: 1 - Т=5, 2 - Т=10, 3 - Т=20.


196

Рисунок 3 Семейство по параметру T=const зависимостей коэффициента чувствительности дальности L к Δt при изменении времени задержки Δt

Как следует из рисунка 3, при увеличении значений Δt, зависимость стремительно

затухает, образуя область значений Δt, в которой погрешность определения временной задержки не окажет серьезного влияния на погрешность определения дальности ИРИ.

На рисунке 4 приведено семейство по параметру γ характерных зависимостей коэффициентов чувствительности T/L при вариации значений базы d.

Рисунок 4 Семейство по параметру γ=const зависимостей коэффициентов чувствительности дальности L к периоду Т при изменении базы d

На рисунке 4 приняты следующие условные обозначения: 1 - γ=π/2, 2 - γ=π/4, 3 - γ=π. Пример использования коэффициентов чувствительности Покажем, как можно использовать коэффициенты чувствительности на примере

анализа трассы источника радиоизлучения (ИРИ). Возьмем некоторую произвольную трассу ИРИ и определим коэффициенты чувствительности в разных точках пространства на дальностях L. Значение базы d=20км, период вращения АФС РЛС T=3c. В соответствии с формулами (9)-(12), вычислим соответствующие значения коэффициентов чувствительности в точках рассматриваемой трассы. Результаты вычислений сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты вычисления коэффициентов чувствительности на различных дальностях № п/п

Дальность L, км

Δt, с

γ, град.

dL

tL ,

км/с TL ,

км/с L ,

км/рад. 1 91 0,075 55 4,60 -1,402*103 35,05 88,81 2 199 0,042 65 9,94 -4,998*103 69,41 114,0 3 226 0,038 67 11 -6,167*103 77 125,5 4 351 0,025 70 17,5 -14,37*103 119 149,3 5 434 0,021 74 21,7 -21,16*103 146,9 145,5 6 548 0,017 75 27,4 -33,22*103 185,5 167,55


197

Как следует из таблицы 1, значения коэффициентов чувствительности d/L существенно ниже значений коэффициентов чувствительности к другим параметрам. Погрешность определения величины базы d в современных технических средствах также незначительна, поэтому влиянием погрешности определения величины базы можно пренебречь. С учетом этого, абсолютную погрешность результата вычисления дальности по методу АФС РЛС на основе коэффициентов чувствительности можно записать как:

Lt

tLT

TLL t , (13)

где TL ,

tL ,

L - коэффициенты чувствительности, T , tt , - абсолютные

погрешности измерений входных параметров. Наиболее важным параметром, характеризующим качество работы пассивной системы

локации, является отношение погрешности к дальности или относительная погрешность измерения δ, которую можно определить по формуле:

,LL

(14)

где L - абсолютная погрешность измерения дальности, L – дальность до цели. Предположим, что относительная погрешность δ определения входных параметров

метода не должна превышать 1%. Рассчитаем значения абсолютной и относительной погрешности определения дальности в соответствии с формулами (13)-(14).

Таблица 2 – Относительная и абсолютная погрешности результатов метода на

различных дальностях до ИРИ №, п/п 1 2 3 4 5 6 L, км 91 199 226 351 434 548

ΔL, км 2,95 5,5 6 9 10,5 13,2 δ, % 3,2 2,75 2,68 2,56 2,46 2,42

Как следует из таблицы 1, значения коэффициентов чувствительности t

L ,

TL ,

L

растут с увеличением дальности L, что ведет к росту абсолютной погрешности ΔL определения дальности в таблице 2

Таким образом, используя коэффициенты чувствительности можно оценить влияние погрешности входных параметров метода на погрешность результата.

Выводы В данной статье произведено исследование входных параметров метода определения

дальности ИРИ на основе вращения АФС РЛС при помощи функций параметрической чувствительности. Обоснован математический аппарата функций параметрической чувствительности, получены практические формулы для расчета коэффициентов чувствительности входных параметров предложенного метода определения дальности до ИРИ. Показано, что коэффициенты чувствительности являются эффективным средством, позволяющим описывать зависимость погрешности результатов метода от погрешности входных параметров. Коэффициенты чувствительности могут применяться в различных информационных системах для определения оптимальных входных параметров с точки зрения уменьшения влияние входных погрешностей на результат.

Список использованной литературы 1. Радиотехнические системы: [учеб. для вузов по спец.] / [Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов,

Ю.М. Казаринов и др.]; под ред. Казаринова Ю.М. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.


198

2. Сайбель А.Г. Основы теории точности радиотехнических методов местоопределения / А.Г. Сайбель. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1958. – 54 с.

3. Методы и средства идентификации источников радиоизлучения / [Е.А. Башков, А.Г. Воронцов, Н.М. Гришко и др.]; под ред. проф. Зори А.А. – Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2010. – 344 с.

4. Алгоритм расчета координат цели на основе измерения периода вращения РЛС / [Е.К. Поздняков, Р.Л. Пантеев, В.В. Коротков, В.Н. Ткаченко] // Материалы 16-го международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке». – Харьков, 2012. – Т. 3. - С. 134-135.

5. Ткаченко В.Н. Повышение точности определения координат ИРИ пассивными системами при помощи измерения периода вращения АФС РЛС / В.Н. Ткаченко, В.В. Коротков, Е.К. Поздняков // Сборник статей «Радиотехника». – 2012. - №170. – С. 162-169.

6. Дальнее тропосферное распространение ультракоротких радиоволн / [Н.А. Арманд, Б.А. Введенский, И.А. Гусятинский и др.]. – М.: Сов. радио, 1965. - 415 с.

7. Дальняя тропосферная радиосвязь / [И.А. Гусятинский, А.С. Немировский, А.В. Соколов, В.Н. Троицкий]. – М.: Связь, 1968. - 248 с.

8. Арсеньян Т.И. Распространение электромагнитных волн в тропосфере: учеб. пособие / Т.И. Арсеньян. - Томск: ТУСУР, 2006. - 170 с.

9. Розенвассер Е.Н. Чувствительность систем управления / Е.Н. Розенвассер, Р.М. Юсупов. - М.: Наука, 1981. - 208 с.

10. Томович Р. Общая теория чувствительности / Р. Томович, М. Вукобратович. - М.: Советское радио, 1972. – 235 с.

References 1. Grishin, U.M., Ipatov, V.P. and Kazarynov, U.M. (1990), Radiotehnicheskie sistemy [Radio

systems], in Kazarynov, U.M. (ed.), Vysshaja shkola, Moscow, Russia. 2. Sajbel', A.G. (1958) Osnovy teorii tochnosti radiotehnicheskih metodov mestoopredelenija

[Fundamentals of the precision’s theory of the radio position determination’s methods], Gosudarstvennoe izdatel'stvo oboronnoj promyshlennosti, Moscow, Russia.

3. Bashkov, E.A., Voroncov, A.G., Grishko, N.M. and others (2010) Metody i sredstva identifikacii istochnikov radioizluchenija [Methods and tools for the sources of radio emission identifying], in Zori A.A. (ed.), GVUZ «DonNTU», Donetsk, Ukraine.

4. Pozdnyakov, E.K., Panteev, R.L., Korotkov, V.V. and Tkachenko, V.N. (2012) “Algorithm of the radio source position determination based on the calculation of radar rotation period”, Proceedings of the 16-th international youth forum «Radioelectronics and youth in XXІ age», Kharkiv, 2012 vol. 3, pp. 134-135.

5. Tkachenko, V.N., Korotkov, V.V and Pozdnyakov, E.K. (2012) “Increasing accuracy of the radio sources coordinates determination in the passive systems with help of the radar rotation period measuring” Radiotechnics, vol. 170, pp. 162-169.

6. Armand, N.A., Vvedenskij, B.A., Gusjatinskij, I.A. and others (1965), Dal'nee troposfernoe rasprostranenie ul'trakorotkih radiovoln [Far tropospheric propagation of ultrashort radio waves], Sovetskoe radio, Moscow, Russia.

7. Gusjatinskij, I.A., Nemirovskij, A.S., Sokolov, A.V. and Troickij, V.N. (1968) Dal'njaja troposfernaja radiosvjaz' [Far tropospheric radio], Svjaz', Moscow, Russia.

8. Arsen'jan, T.I. (2006) Rasprostranenie jelektromagnitnyh voln v troposphere [The propagation of electromagnetic waves in the troposphere], TUSUR, Tomsk, Russia.

9. Rozenvasser, E.N., Jusupov, R.M. (1981) Chuvstvitel'nost' sistem upravlenija [Sensitivity of the control systems], Nauka, Moscow, Russia.


199

10. Tomovich, R., Vukobratovich, M. (1972) Obshhaja teorija chuvstvitel'nosti [General theory of sensitivity] Sovetskoe radio, Moscow, Russia.


Є.К. Поздняков Інститут прикладної математики та механіки НАНУ Дослідження вхідних параметрів методу визначення дальності в багатопозиційних пасивних системах за допомогою функцій чутливості. Виконано аналіз вхідних параметрів методу визначення дальності до джерел радіовипромінювання в багатопозиційних пасивних комплексах з використанням функцій параметричної чутливості. Наведено обґрунтування математичного апарату для визначення сімейств коефіцієнтів чутливості, на основі якого отримано аналітичні вирази і проведено розрахунок сімейств коефіцієнтів чутливості для експериментальної траси. Показано характерний вигляд сімейств коефіцієнтів чутливості для розглянутого методу визначення дальності до джерел радіовипромінювання. Ключові слова: радіолокаційна станція, джерело радіовипромінювання, вхідні параметри, функція чутливості, відносна похибка.

Yu.K. Pozdnyakov Institute of Applied Mathematics and Mechanics NASU Research of the input parameters from the target distance determination method in the multiposition passive system by using the sensitivity function. The main aim of this article is the analysis of the method’s input parameters of the radio source’s distance determination in the passive multiposition systems with the parametric sensitivity functions using. We show the method of the radio source’s distance determination on the basis of determining the rotation period of the antenna- feeder system of the radar station, which is situated on the radio source. In this work the mathematical apparatus of the computing sensitivity coefficients’ sets is shown, which is used in definition of the analytical expressions and calculating the characteristic form of the sensitivity coefficients’ sets for the experimental lane. We showed a characteristic view of the sensitivity coefficients sets in the method of radio source distance determination. Using the obtained values of the sensitivity coefficients we studied the effect of the input parameters’ errors on the resulting error in the radio source distance determining. Thus, on the basis of the sensitivity coefficients the effect of the input parameters’ errors on the result method accuracy is shown. Analysis of the sensitivity coefficients’ sets allows making recommendations to the required accuracy of the method input parameters determination. Keywords: radar station, radio source, input parameters, sensitivity function, relative error.

Поздняков Евгений Константинович, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет. На данный момент - заочный аспирант ИПММ НАНУ (ул. Розы Люксембург, 74, г. Донецк, 83114, Украина), программист ПАО «СКБ РТУ» (ул. Соколиная, 1а, г. Донецк, 83012, Украина). Основное направление научной деятельности – моделирование информационных систем, средства радиотехнической разведки.


© Соломічев Р.І., 2014 200

УДК 532.5:621.384.3

Р.І. Соломічев (аспірант) Донецький національний технічний університет, м. Донецьк

кафедра електронної техніки e-mail: [email protected]

ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОПРОМЕНЕВОГО ОПТИКО-АБСОРБЦІЙНОГО ВИМІРЮВАЧА КОНЦЕНТРАЦІЇ І ДИСПЕРСНОСТІ ПИЛУ В УМОВАХ

ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Запропоновано та досліджено математичну модель двопроменевого вимірювача концентрації і дисперсності вугільного пилу, що витає в умовах вугільних шахт. Метод, що покладено в основу вимірювача, передбачає за рахунок отриманих експериментальних даних про загасання зондуючого випромінювання, відновити вид функції розподілення часток пилу за розмірами. Результати математичного моделювання, що використано при розробці макетного зразка вимірювача, перевірені експериментальними дослідженнями, які дали змогу оцінити такі основні метрологічні характеристики вимірювача як чутливість в діапазоні концентрації пилу від 0 до 3 г/м3, абсолютну похибку вимірювання та перевірити адекватність отриманої математичної моделі. Ключові слова: вугільний пил, концентрація, вимірювач, випромінювання, абсорбція, похибка.

Загальна постановка проблеми Існуючі аспіраційні пробовідбірники не задовольняють сучасним вимогам контролю

запиленості атмосфери вугільних шахт за швидкодією, точністю та здатністю проводити вимірювання в автоматичному режимі [1]. Приведені недоліки обумовлюють відсутність у впровадженій сучасній системі безпеки вугільних шахт України УТАС (уніфікована телекомунікаційна система диспетчерського контролю й автоматизованого керування гірничими машинами та технологічними комплексами) датчиків вимірювання концентрації та дисперсності вугільного пилу. Проте, оптико-абсорбційний метод вимірювання концентрації пилу позбавлений вказаних недоліків та на його основі запропоновано вимірювати не тільки концентрацію вугільного пилу, а і дисперсність, за рахунок того, що використовуються декілька світлових потоків з різною довжиною хвилі [2].

Постановка задач дослідження Метою роботи є розробка та дослідження математичної моделі двопроменевого оптико-

абсорбційного вимірювача концентрації і дисперсності вугільного пилу. Для досягнення мети поставлені наступні задачі:

– розробити та провести дослідження математичної моделі вимірювача, яка враховує змінення концентрації вугільного пилу в діапазоні від 0 до 3 г/м3 та дисперсністю від 1 до 10 мкм;

– розробити макетний зразок вимірювача та провести лабораторні дослідження для встановлення його метрологічних характеристик;

– оцінити адекватність розробленої математичної моделі вимірювача концентрації і дисперсності вугільного пилу.

Результати розробок та дослідження Для одночасного вимірювання концентрації та дисперсності зваженого вугільного пилу

запропоновано використати двопроменевий спосіб, згідно з яким відношення логарифмів коефіцієнтів пропускання для двох різних довжин хвиль (λ1, λ2) зондуючого випромінювання є однозначною функцією середнього об’ємно-поверхневого діаметру (D32) часток пилу [3].


201

На відміну від однопроменевого способу, з яким поточну дисперсність неможливо оцінити, а лише масову частку пилу за загальним загасанням випромінювання, двопроменевий спосіб завдяки певному загасанню випромінювання окремої довжини хвилі від певного розміру часток обумовлює отримання необхідної кількості експериментальної інформації для відновлення функції їх розподілу. Функціональна схема двопроменевого вимірювача концентрації пилу зображена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Функціональна схема оптоелектронного блоку

На рис. 1 позначено: СДi – світлодіоди з довжиною хвилі i (i=1,2); ФДі – фотодіоди;

ППі – попередні підсилювачі, що перетворюють вихідний струм від фотоприймачів у інформативний сигнал напруги 32,, DСU ПiВИХ ; СП – масова концентрація пилу; НПі – нормуючі підсилювачі, узгоджують вихідний сигнал від ППі із входом аналого-цифрового перетворювача.

Відновлення функції розподілу ))ln(exp(]/[)( 2DbDaDf (логарифмічно-нормального) часток пилу за розмірами відбувається за допомогою закону Бугера для полідисперсної системи часток:

,)())(),((4

exp)()(max

min

20

D

Dii

Nii dDDfDmQlСII

(1)

де І0(λі) – інтенсивність зондуючого випромінювання;

І(λі) – інтенсивність випромінювання, яке пройшло крізь пиловий аерозоль, рахункова концентрація якого – CN;

)(),( ii mQ – фактор ефективності послаблення (ФЕП) зондуючого випромінювання для різних довжин хвиль, який розраховується на підставі теорії Мі [4], описує фізику взаємодії світлового променя із частками вугільного пилу;

ii D /)( – безрозмірний параметр дифракції; D – дисперсність часток пилу; m(λi) – комплексний показник переломлення випромінювання; l – довжина оптичного каналу. При вирішені задачі відновлення функції розподілу використовують експериментальну

інформацію – коефіцієнти спектральної прозорості j

експi

, які залежать від довжини хвилі

світлового випромінювання, а саме логарифм відношення початкової інтенсивності випромінювання до інтенсивності, яка пройшла:

.),,(

)(ln 0

lCII

Пi

ij

експi

Далі знаходиться відношення експериментальних коефіцієнтів спектральної прозорості для двох довжин хвиль (λ1, λ2):


202

.2

1

jексп

jексп

jекспk

(2)

Методом циклічного покоординатного спуску задаються параметрами розподілення

f(D) – b, з попередньо встановленого діапазону для імовірної дисперсності пилового аерозолю від Dmin до Dmax, та вираховується теоретичне відношення коефіцієнтів спектральної прозорості як:

.)(,)(),(2

1 DfmQFk ii

jтеор

jтеор

jтеор

(3)

Порівнюючи теоретичне й експериментальне відношення коефіцієнтів спектральної

прозорості, досягаються найменшого відхилення Δj (Δj → min) за рахунок варіації параметрів b, функції розподілення f(D):

.jтеорjекспj kk

Знайшовши відповідні параметри розподілення, розраховується масова концентрація пилового аерозолю:

,

5,15,0

2

1 __32

i

i

kексп

ПQl

DC i

де ρk – щільність вугільного пилу, ρk=1,2∙106 г/м3; iQ

__ – усереднене значення ФЕП випромінювання для полідисперсної середи при і-ї

довжині хвилі. У вираженні (1) множник

),,()())(),((41exp

max

min

2Пi

D

DiiN СlTdDDfDmQlС

є спектральним коефіцієнтом пропускання зондуючого випромінювання крізь пил, що витає. При цьому, пройшовши крізь ВОК потік випромінювання, реєструється фотодіодом:

dsIS

klКСlТСl ФДiСД

iгФДВВПiПi )())((

)(1)(),,(),,( 00

max

min

ФД , (4)

де гk – коефіцієнт використання випромінювання оптичною системою;

))(( 0 iIS СД0– абсолютне значення спектральної щільності потужності випромінювання

СД, dsФД )( – відносна спектральна чутливість ФД; )(lКВВ – коефіцієнт введення світлового випромінювання у вікно ФД в залежності від

довжини бази ВОК (від 10 до 15 см) для без коліматорної оптичної системи становить від 0,05 до 0,02 [5, 6].

Вихідний струм ФДі в залежності від концентрації пилу ВОК, довжини бази ВОК та від довжини хвилі випромінювання знаходиться як:


203

інтПФДП sСlСlI ),,(),,( ФД , (5)

де sінт – інтегральна чутливість фотоприймача,А/Вт. При аналізі режимів роботи та способів включення фотодіоду було встановлено [5], що

оптимальним є фотогальванічний режим за схемою трансімпедансного підсилювача при перетворенні сигналу інформативного струму з ФДі у сигнал напруги попереднім підсилювачем:

1),,(),,( RСlIСlU ПiПi ФДПП , (6)

де R1 – опір, на якому перетворюється струм ФДі у напругу, обирається в залежності від ємності p-n переходу ФДі та становить для обраного ФД не більш 30∙103 Ом.

Таким чином, математична модель вимірювача концентрації і дисперсності вугільного пилу базується на тих залежностях, що було отримано вище, а саме: порівнюючи експериментальне з теоретичним значенням відношення коефіцієнтів спектральної прозорості для двох довжин хвиль, циклічно наближуються до їх ідентичності шляхом підбору параметрів функції розподілу часток вугільного пилу, що витають.

Приведення сигналу напруги з виходу ППі до уніфікованого діапазону від 0 до 5 В здійснюється в НПі, який треба виконати у вигляді суматору, що не інвертує на основі операційного підсилювача (ОП), у зворотний зв’язок якого включено опір RОЗ . Напругою зміщення Uзміщ встановлюється нульовий рівень на виході НПі, при СП = 0:

зміщППНП UСlUR

RСlU Пi

ОЗПi

),,(1),,( . (7)

Для побудови макетного зразку було обрано оптико-електронні компоненти (СДі та

ФДі) [7], на основі чого було розроблено двопроменевий вимірювач концентрації та дисперсності вугільного пилу, який включає:

1. Вимірювальні комірки з довжиною відкритого оптичного каналу l = 0,135 м [7]: – на основі світлодіоду C503B-BAN з довжиною хвилі λ1 = 427 нм та

високочутливого фотодіоду BPW21R із інтегральною чутливістю sінт = 0,82 А/Вт [7]; – на основі світлодіоду C503B-RAN з довжиною хвилі λ2 = 624 нм та фотодіоду

BPW21R [7]; 2. Аналоговий блок вимірювача концентрації пилу включає: – драйвер СДі з такими параметрами вихідних сигналів: – прямий струм живлення СДі C503B-BAN, C503B-RAN, мА 100; – напруга живлення світлодіоду C503B-BAN, В 3,5; – напруга живлення світлодіоду C503B-RAN, В 2,5; – ППі з напругою на виході при СП = 0 г/м3, В –2,9; – НПі з такими параметрами: – коефіцієнт підсилення за напругою 2,15; – регулювання зміщення вихідної напруги, В ±0,3; 3. Двоканальний 10-ти розрядний аналогово-цифровий перетворювач із записом в

персональний комп’ютер через USB порт (Arduino UNO). Лабораторні випробування двопроменевого вимірювача концентрації та дисперсності

вугільного пилового аерозолю проходили в науково-дослідницькій лабораторії кафедри електронної техніки ДВНЗ Донецький національний технічний університет за участю хімічної лабораторії Донецької вугільної енергетичної компанії, яка підготовила зразки проб пилу вугілля марки 1

6h з параметрами:


204

– зольність Vd, % більше 15; – вихід летючих As, % від 40 до 47; – вологість γВ, % 16; – дисперсність часток, мкм від 0,01 до 50. Встановлено за допомогою мікроскопу ММУ-3 з кратністю об’єктиву 1х317 та ціною

ділення шкали окуляру 4,0 мкм, що вміст у пробі пилу часток, які не осідають, дисперсністю від 1 до 6 мкм менш ніж 6 %. Це дає змогу оцінити концентрацію вугільного пилу в розробленій експериментальній камері об’ємом VК = 0,082 м3 ваговим методом при засипанні проби вугільного пилу виміряної маси для підтвердження результатів вимірювання оптико-абсорбційним методом. Абсолютна похибка вимірювання маси порції пилу не перевищує Δm = 10 мг, тому абсолютна похибка вимірювання концентрації пилу, що витає в експериментальній камері становить:

.мг/м3,7082,0

06,0101006,0 33

К

mVПС

Характеристики перетворення вихідних напруг з ППі та НПі обох каналів двопроменевого вимірювача при зміненні концентрації пилового аерозолю в експериментальній камері від 0 до 3 г/м3 з точністю ±7,3 мг/м3 представлено на рисунку 2 та на рисунку 3 відповідно, де позначено: + – точки експериментальних значень напруги ПП1 й НП1 оптичного каналу із світлодіодом C503B-BAN; ○ – точки експериментальних значень напруги ПП2 й НП2 оптичного каналу із світлодіодом C503B-RAN; та – апроксимовані теоретичні характеристики залежності (6) й (7) при λ1 = 427 нм та λ2 = 624 нм відповідно.

Рисунок 2 – Характеристики перетворення масової концентрації пилу в напругу ППі

Рисунок 3 – Характеристики перетворення масової концентрації пилу в напругу НПі

Усереднена чутливість вимірювання концентрації пилу при діапазоні змінення

концентрації від 0 до 3 г/м3 для двох вимірювальних каналів становить відповідно:

./гмВ74,003

9,268,0|

,/гмВ65,003

9,295,0|

32

31

2

1

ПС

ПС

С

С

П

П

ПП

ПП

US

US

Оцінка метрологічних характеристик вимірювача зроблена на основі результатів експериментальних досліджень. Встановлено амплітудне значення шумової складової вихідної напруги ППі, яке не перевищує ±10 мВ, що з довірчою ймовірністю Р=0,95 відповідає середньому квадратичному значенню Uш = ±10/2 = ±5 мВ. З урахування цього середнє квадратичне значення основної абсолютної похибки результатів вимірювання концентрації пилу (роздільна здатність) в діапазоні від 0 до 3 г/м3 не перевищує відповідно:


205

,м/мг8,674,0105

||

,м/мг7,765,0105

||

33

33

22

11

ПП

ПП

СС

СС

SU

SU

ш

ш

що значно менше за абсолютну похибку вимірювання концентрації пилу аспіраційними аналогами вимірювачів у діапазоні вимірювання концентрації пилу від 0 до 3 г/м3, яка складає 200 мг/м3.

Для побудови функцію розподілення f(D), використовуючи запропонований метод циклічного покоординатного спуску та отриману математичну модель, підібрано коефіцієнти функції розподілення b та . Для цього, скориставшись експериментальними даними – апроксимованими значеннями напруги з виходу ППі, знайдемо відношення експериментальних коефіцієнтів спектральної прозорості, підставляючи (6) в (2) як

.772,0),,(

)0,,(ln:

),,()0,,(

ln2

2

1

1

2

1

П

П

П

Пексп

експ

експ СlUСlU

СlUСlUk

ПП

ПП

ПП

ПП

Знаючи теоретичну поведінку залежності ФЕП від довжини хвилі випромінювання [8], встановлено коефіцієнти функції розподілення часток вугільного пилу, що витає за розмірами, яку представлено на рисунку 4: b=2,79 та β=0,36∙10-6 з точністю

510277197,0772,0 теорексп kk :

Рисунок 4 – Функція розподілення часток вугільного пилу за розмірами

Наведена точність порядку 10-5 є достатньою і оптимальною з точки зору витрат

машинного часу контролера цифрової частини вимірювача на підбір цих параметрів розподілення. Час виконання необхідної кількості ітерацій для визначення підсумкової концентрації пилу та параметрів b та оцінюється в межах від 0,3 до 1 секунди, що набагато менше за швидкодію стандартизованого аспіраційного вимірювача концентрації пилу, яка складає від 3 мінут і більше [9, 10].

Висновки 1. Вперше запропоновано математичну модель двопроменевого вимірювача

концентрації та дисперсності аерозолю вугільного пилу, що базується на порівнянні експериментальної та теоретичної інформації у вигляді відношень коефіцієнтів спектральної прозорості для двох довжин хвиль. Це дало підґрунтя для розробки макетного зразку двопроменевого вимірювача.


206

2. Проведено експериментальні дослідження в лабораторних умовах розробленого макетного зразку вимірювача концентрації та дисперсності вугільного пилу, що витає, за результатами яких встановлено метрологічні характеристики вимірювача:

– усереднена чутливість за концентрацією вугільного пилу в діапазоні від 0 до 3 г/м3 для першого каналу (довжина хвилі λ1=427 нм) становить 0,65 В∙м3/г, а для другого (λ2=624 нм) 0,74 В∙м3/г;

– амплітудне значення шумової складової вихідних напруг первинних перетворювачів не перевищує ±10 мВ, що з довірчою ймовірністю Р=0,95 відповідає середньому квадратичному значенню ±5 мВ, та значення основної абсолютної похибки результатів вимірювання концентрації пилу в даному діапазоні не перевищує ±7,7 мг/м3 для довжини хвилі зондуючого випромінювання 427 нм та ±6,8 мг/м3 для довжини хвилі 624 нм, що менше за абсолютну похибку вимірювання концентрації пилу аспіраційними пробовідбірниками.

3. Встановлено за результатами експериментальних даних коефіцієнти функції логарифмічно-нормального розподілення часток пилу за розмірами для конкретної проби вугільного пилу (b=2,79 та β=0,36∙10-6), що дало змогу побудувати її вид графічно та наглядно продемонструвати дисперсний склад вугільного пилу, що витає. Переважно фракції пилу з дисперсністю від 1 до 6 мкм без осідання витають у повітрі, а більше 6 мкм – поступово з часом осідають.

Список використаної літератури 1. Соломічев Р.І. Дослідження впливу зміни концентрації компонент пило газової суміші на

поріг вибуховості в умовах вугільних шахт / А.В. Вовна, А.А. Зорі, Р.І Соломічев // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Обчислювальна техніка та автоматизація". – 2012. – Випуск № 23(201). – С. 145 – 152.

2. Соломічев Р.І. Двопроменевий спосіб вимірювання концентрації і дисперсності пилового аерозолю у вугільних шахтах / Р.І. Соломічев // Збірник тез доповідей другої наукової міжнародної конференції [«Вимірювання, контроль та діагностика в технічних системах»] (ВКДТС–2013), (29-30 жовтня 2013 р.). – Вінниця: ПП «Едельвейс і К», 2013. – С. 111–113.

3. Архипов В.А. Аэрозольные системы и их влияние на жизнедеятельность: Учебное пособие / В.А. Архипов, У.М. Шереметьева. – Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2007. – 136 с.

4. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами / Д. Дейрменджан. - М.: Мир, 1971. – 303 с.

5. Соломичев Р.И. Обоснование и разработка требований к оптоэлектронным компонентам макетного образца измерителя концентрации пыли / Р.І. Соломічев // Наукові праці ДонНТУ. Серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". – 2013. – Випуск № 2 (25). – С. 261–269.

6. Методы и средства аналитического измерения концентрации газовых компонент и пыли в рудничной атмосфере угольных шахт / А.В. Вовна, А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2012. – 260 с.

7. Соломичев Р.И. Обоснование режима работы фотодиода в схемной реализации аналогового блока измерителя концентрации пыли / Р.И. Соломичев // Збірник наукових праць ХІІІ міжнародної науково-технічної конференції аспірантів і студентів [«Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих»], (14-17 травня 2013 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 357–361.

8. Соломичев Р.И. Разработка математической модели измерителя концентрации угольной пыли в шахте / Р.И. Соломичев // Сборник научных трудов технологического института Южного федерального университета. – 2013. – Выпуск № 5. – С. 75 – 80.


207

9. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли / А.П. Клименко. - М.: «Химия», 1978. – 208 с.

10. Клименко А.П. Непрерывный контроль концентрации пыли / А.П. Клименко, В.И. Королев, В.И. Шевцов. - К.: «Техніка», 1980. – 181 с.

References 1. Solomichev, R.I.,Vovna, A.V. and Zori, A.A. (2012), “The impact Investigation of changes in

dust concentrations in the gas mixture threshold explosion in terms of coal mines”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», vol. 23, no. 201, pp. 145–152.

2. Solomichev, R.I. (2013), “Two-beam method of measuring the concentration and dispersion of dust aerosol in coal mines”, Zbirnik tez dopovidey drugoi naukovoi msjnarodnoi konferencii “Vimiruvanya, kontrol’ ta diagnostika v tehnichnih sistemah” (VKDTS-2013), Vinnitsa, 29-30 October, Edelveys & C, pp. 111–113.

3. Arhipov, V.A. and Sheremat’eva, V.A. (2007), Ajerozol'nye sistemy i ih vlijanie na zhiznedejatel'nost' [Aerosol systems and their impact on livelihoods], Izdatelstvo Tomskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta, Tomsk, Russia.

4. Deirmendjan, D. (1971), Scattering of electromagnetic radiation by spherical polydisperse particles, Mir, Moscow, Russia.

5. Solomichev, R.I. (2013), “Justification and development of requirements for Optoelectronics prototype of dust concentration meter”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija». vol. 2, no. 25, pp. 261–269.

6. Vovna, A.V., Zori, A.A., Korenev, V.D. and Khlamov, M.G. (2012), Metody i sredstva analiticheskogo izmerenija koncentracii gazovyh komponent i pyli v rudnichnoj atmosfere ugol'nyh shaht [Analytical Methods and measuring tools of gas components concentration and dust in the coal mine atmosphere], Donetsk national technical university, Donetsk, Ukraine.

7. Solomichev, R.I. (2013), “Justification of the mode photodiode circuit realization of dust concentration meter analog block”, Zbirnik naukovih prac’ ХІІІ mijnarodnoi naukovo-tehnichnoi konferencii aspirantiv I studentiv «Avtomatizaciya tehnologichnih ob’ektiv ta procesiv. Poshuk molodih», Donetsk, 14-17 May, Donetsk national technical university, pp. 357–361.

8. Solomichev, R.I. (2013), “Development of the coal dust concentration meter mathematical model in coal mine”, Sbornik nauchnih trudov tehnologicheskogo institute Yujnogo federalnogo universiteta, vol. 5, pp. 75–80.

9. Klimenko, A.P. (1978), Metody i pribory dlja izmerenija koncentracii pyli [Methods and devices for measurement the concentration of dust], Himiya, Moscow, Russia.

10. Klimenko, A.P., Korolev, A.P. and Shevcov, V.I. (1980), Nepreryvnyj kontrol' koncentracii pyli [Continuous monitoring of dust concentration], Tehnika, Kyiv, Ukraine.

Надійшла в редакцію: Рецензент: 01.04.2014 д-р техн. наук, проф. Зорі А.А.

Р.И. Соломичев ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Исследование двулучевого оптико-абсорбционного измерителя концентрации и дисперсности пыли в условиях угольных шахт. Предложена и исследована математическая модель двухлучевого измерителя концентрации и дисперсности витающей угольной пыли в условиях угольных шахт. Метод, который положено в основу измерителя, предусматривает за счет полученных экспериментальных данных о затухании


208

зондирующего излучения восстановить вид функции распределения частиц пыли по размерам. Результаты математического моделирования, использованные при разработке макетного образца измерителя, проверены экспериментальными исследованиями, позволили оценить такие основные метрологические характеристики измерителя как чувствительность в диапазоне концентрации пыли от 0 до 3 г/м3, абсолютную погрешность измерения и проверить адекватность полученной математической модели. Ключевые слова: угольная пыль, концентрация, измеритель, излучение, абсорбция, погрешность.

R.I. Solomichev Donetsk National Technical University Investigation of two-beam optical-absorption concentration and dispersion meter of dust in the conditions of coal mines. Existing aspiration samplers do not satisfy modern atmospheric dust control requirements in coal mines for speed, accuracy and ability to make measurements automatically. We showed deficiencies causing lack of security in modern Ukraine coal mine system UTAS (unified telecommunication system supervisory control and automated control of mining machinery and technological systems) sensors for concentration and dispersion measuring of coal dust. However, the optical absorption method for concentration measuring of deprived deficiencies is proposed to measure the concentration of coal dust, and dispersion using multiple light beams of different wavelengths. This paper first proposed a mathematical model of two-beam measuring aerosol concentration and dispersion of coal dust, which is based on a comparison of experimental and theoretical information in a transparent spectral ratios of coefficients for the two wavelengths. This provided the foundation for the development of model standards for two-beam measuring. Experimental studies in vitro of model standards developed for the concentration and dispersion measuring of coal dust were carried out, the results of which established metrological characteristics of the meter: the sensitivity of the concentration of coal dust in the range from 0 to 3 g/m3 for the first channel (wavelength λ1 = 427 nm) is 0.65 V ∙ m3 / h, and the second (λ2 = 624 nm) 0.74 V ∙ m3 / d , the amplitude of the noise component of the preamplifier output voltage does not exceed ± 10 mV that with confidence probability P=0.95 corresponds to the mean square value of ± 5 mV, the value of basic absolute error of dust concentration measurement results in this range does not exceed ± 7.7 mg/m3 for probing radiation wavelength 427 nm and ± 6,8 mg/m3 for wavelength 624 nm. By the results of experimental data we determined the function coefficients of log-normal distribution of dust particles by size for the sample of coal dust (b = 2.79 and β = 0.36 ∙ 10-6), which helped to build the kind of it graphically and vividly demonstrate the particulate composition of coal dust. Preferably, the fractions of dust dispersion from 1 to 6 microns without sedimentation are in the air, and over 6 microns – gradually accumulate over time. Keywords: coal dust, concentration, measuring instrument, radiation, absorption, error.

Соломичев Роман Игоревич, Украина, закончил Донецкий национальный технический университет, магистр, аспирант кафедры электронной техники. ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – научные основы создания, усовершенствования технических и программных компонент компьютерных систем измерения концентрации составляющих пылегазовых смесей в условиях рудничной атмосферы угольных шахт.


© Соломичева С.В., 2014 209

УДК 53.087.92:621.3.084.2

С.В. Соломичева (аспирант) ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк

кафедра электронной техники e-mail: [email protected]

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

В БАРАБАНЕ КОТЛА

Исследована схема замещения прямого совмещенного пьезопреобразователя, учитывающая его пьезоэлектрические свойства. Поставлены требования к параметрам преобразователя, которые позволят получить максимальную чувствительность измерения. Предложена математическая модель передаточной функции на основе коэффициента двойного преобразования, позволяющая учесть коэффициент промежуточного ослабления ультразвука в результате затухания и расхождения лучей в среде прохождения, а также свойства пьезоматериала и его согласование с контактирующими средами. Поставлены требования к аналоговому блоку измерительного канала контроля уровня в барабане котла. Ключевые слова: пьезопреобразователь, добротность, акустический импеданс, интенсивность, чувствительность.

Постановка проблемы Для обеспечения высокой надежности и технологической безопасности работы

котлоагрегатов тепловых электростанций необходимо обеспечить оперативный контроль уровня жидкости в барабане котла. Существующие способы не позволяют производить контроль уровня в режиме реального времени с требуемым разрешением [1]. Предложено производить оценку уровня с помощью ультразвукового эхо-локационного метода [2], согласно которому уровень жидкости в барабане котла представляется возможным определять по значению коэффициента отражения ультразвукового (УЗ) сигнала от границ сред сталь-вода, сталь-пар с учетом особенностей прохождения УЗ через стенку барабана котла. В свою очередь чувствительность измерения данным методом определяется не только характеристиками прохождения ультразвука в стенке барабана, но также выбором типа и режима работы пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП).

Целью данной работы является обоснование требований и выбор режима работы ПЭП измерительного канала уровня жидкости барабана котла, согласно которому будет достигнут максимальный коэффициент преобразования ультразвукового излучения в информативный электрический сигнал.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить анализ параметров существующих ПЭП, выбрать и обосновать режим его работы; разработать и исследовать математическую модель передаточной функции ультразвукового преобразователя; поставить требования к аналоговому блоку измерительного канала уровня жидкости в барабане котла.

Решение задач и результаты исследований При проведении анализа по выбору ПЭП, который должен обеспечить максимальную

чувствительность, интенсивность излучения и ширину полосы частот, руководствуемся анализом таких основных характеристик: геометрических размеров и физических свойств ПЭП (термоустойчивость пьезопластины при рабочей температуре от 200 до 540 оС);


210

прохождения ультразвука в среде излучения (параметры звукового поля, диаграмма направленности излучения).

Допустимая температура, при которой может надежно работать преобразователь, должна быть на (20...50) °С ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамики, температуры размягчения для поливинилиденфторида [3]. Анализ свойств распространенных пьезоматериалов (см. табл. 1) показал, что наиболее подходящим материалом является ниобат лития, из-за его устойчивости к высокой температуре.

Таблица 1

Свойства пьезоматериалов Свойства Кварц ЦТС-19 Ниобат лития Коэффициент электромеханической связи β 0,095 (0,4…0,5) 0,22

Допустимая температура t, С 550 200 1160 Механическая добротность 50000 50 1000 Зная свойства ниобата лития [3] рассчитаем необходимые размеры пьезопластины. В

случае прямого преобразователя, расстояние между полюсами излучателя m=30 мм, а радиус дискообразного излучателя r =13 мм [4].

Для прозвучивания стенки в барабане котла шириной 88 мм и получения максимальной интенсивности необходим прямой излучатель продольных волн [5]. По схемам включения ПЭП различают:

– совмещённые ПЭП - такие, у которых один и тот же пьезоэлемент работает как в режиме излучения, так и в режиме приема (см.рис 1.а);

– раздельно-совмещенные (РС) ПЭП - такие, у которых в одном корпусе размещены два пьезоэлемента: один из которых работает только в режиме излучения, а другой только в режиме приема упругих колебаний (см.рис 1.б) [6].

Рисунок 1 – Схема устройства пьезопреобразователей (1 – пьезоэлемент, 2 – демпфер,

3 – протектор, 4 – контактная жидкость, 5 – объект контроля, 6 – электрод, 7 – корпус, 8 – электроакустический экран)

Раздельно-совмещенные (РС) ПЭП характеризуются низким уровнем собственных

шумов и малой мертвой зоной, что обеспечивает повышенную чувствительность [4]. Однако, РС-ПЭП обладают неравномерной интенсивностью по глубине излучения. Зона максимальной чувствительности и интенсивности соответствует зоне (М) пересечения


211

основных лепестков диаграммы направленности пьезоэлементов. Известно [6], что при излучении в сталь области оптимальных значений углов наклона пьезопластины ϒ лежат в интервале от 4 до 10 градусов (см. рис. 2), а при ϒ >10° возникают акустические помехи, источниками которых являются поверхностные волны, распространяющиеся от излучателя к приемнику. Следовательно, чем выше направленность пучка, тем ниже интенсивность акустических помех.

Рисунок 2 – Зависимость дальности зоны максимальной интенсивности от угла наклона

пьезопластины для РС-ПЭП

Из рисунка 2 следует, что при угле ϒ =10° пересечение основных лепестков диаграммы направленности пьезоэлементов будет на расстоянии L =71 мм (точка А), что меньше ширины стенки барабана котла, следовательно, звуковые поля источника и приемника будут пересекаться и накладываться друг на друга. При угле ϒ =4°, L =181 мм (точка В), что выходит за пределы стенки барабана котла, а возможность поместить отражатель внутрь барабана отсутствует. Ввиду того, что стенка барабана не стандартная, а стандартных РС-ПЭП с соответствующим L =88 мм (точка М) углом ϒ = 8.2°, при котором будет достигнута максимальная интенсивность, не существует, целесообразно выбрать прямой совмещенный ПЭП. Показателем интенсивности I звукового излучения является относительное звуковое давление [4]:

)(),,),(,(

00

0

UPXUТPI L

, (1)

где )( 00 UP – давление, создаваемое преобразователем в любой точке под поверхностью раздела либо непосредственно на излучателе при напряжении генератора 0U ; ),,,,( 0 XUТPL - звуковое давление в точке L на расстоянии Х с учетом диаграммы направленности φ, угла наклона ϒ ПЭП, коэффициента затухания от температуры рабочей среды )(Т . Интенсивность звукового излучения ПЭП при ϒ =10° и ϒ =0° показана на рисунке 3.

Из рисунка 3 следует, что потери при использовании РС-ПЭП с наклонными пьезопластинами могут достигать от 10 до 30 % интенсивности излучения, следовательно, целесообразно использовать прямой совмещенный ПЭП. Проанализировав поведение ультразвукового излучения в среде [2], можно получить передаточную функцию, которая позволит оценить выходное напряжение Uout ПЭП.


212

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2 10 5

4 10 5

Рисунок 3 – Интенсивность звукового излучения ПЭП при ϒ =10° и ϒ =0°

Передаточную функцию при излучении Kи [6] определяют как отношение давления

волны излучения 0P к электрическому напряжению возбуждающего генератора 0U , а передаточную функцию при приеме Kп – как отношение электрического напряжения на приемнике Uout к давлению падающей акустической волны Р:

0

0

UPKu ,

PUKn out . (2)

Для совмещенного ПЭП в условиях измерения уровня в барабане котла предлагается

следующая модель передаточной функции:

2cpKKпKuК , (3)

структурные звенья которой представлены на рисунке 4:

0U

outUcpK отрK

Ku

Kп

Рисунок 4 – Структурные звенья передаточной функции ПЭП

Формула (3) получена на основе коэффициента двойного преобразования, который является произведением передаточных функций приемника и излучателя, и передаточного коэффициента среды Кср, учитывающего промежуточное ослабление ультразвука в результате затухания, расхождения лучей в среде прохождения, т.е. при условии, что относительное звуковое давление P/P0≠1 [2], и коэффициента отражения Котр от границ сред вода-сталь, пар-сталь. С учетом (2) и (3) она может быть представлена в виде:

),),(,()),(,,( 2

0

00 отрcp

out KXТKP

UUP

XТUK . (4)

Коэффициент двойного преобразования (

PU

UP out

0

0 ) зависит от большого числа

факторов: характеристик материала пьезопластины, параметров внешней электрической


213

цепи, геометрии преобразователя, соотношения волновых сопротивлений пьезопластина-демпфер- среда излучения, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной и др. Изменяя эти факторы, можно регулировать значение коэффициента двойного преобразования и, следовательно, управлять чувствительностью ПЭП. Для этого воспользуемся схемой замещения ПЭП в виде эквивалентного комплексного электрического сопротивления [7], показанной на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема замещения ПЭП

На рисунке 5 обозначено: z0, z1, z2 – акустические импедансы демпфера, пьезопластины

и стали соответственно; сопротивления диэлектрических Rd и механических Rm потерь. На резонансной частоте электрического контура коэффициент двойного преобразования можно представить приближенной формулой:

222

2

1

223

)81(

32

ae

ae

QQ

QQzz

К

, (5)

где 20

1

2 zzz

Qa

и Qе – акустическая и электрическая добротности [8].

Максимальное значение |К| = Кмах достигается при условии:

CRQe

a0

1

=aQ

optQe 28_

, (6)

где aR - активное сопротивление, 1

0

hS

C

– емкость пьезопластины. Зная свойства ПЭП

определим значения данных составляющих: 0 =8,85-1012 Ф/м диэлектрическая проницаемость вакуума, - диэлектрическая проницаемость ниобата лития, S - площадь пьезопластины, h1 – толщина пезопластины.

Для эффективного возбуждения пьезопластины необходимо, чтобы собственная частота f толщинных колебаний пьезоэлемента совпадала с частотой электрических колебаний fэ, т.е. fэ=f [9]. Это условие обеспечивается, когда толщина пьезопластины

соответствует условиям: ммf

ch 8.1

2211

1 , 20

2

1

hr , где λ1 и с1 – длина волны и скорость

звука в материале пьезопластины соответственно. Соблюдение требований к размерам пьезоэлемента обеспечивает максимальный электрический сигнал на обкладках пластины [4]. Тогда активное сопротивление составит:


214

Омzz

zhСk

Ra 366.94

20

1

11

2

, (7)

где

11

11

2ck

- волновое число в материале пластины. Зависимость активного

сопротивления от акустического импеданса контактирующих с пьезоэлементом сред показана на рисунке 6. Из рисунка 6 видно, что чем больше сумма (z0+z2) в активном сопротивлении, тем оно меньше, следовательно, при одинаковом напряжении генератора отдаваемая им мощность будет расти. Поэтому материал демпфера выбираем таким, чтобы обеспечивать достаточный отвод и затухание ультразвукового излучения в самом демпфере. Для наилучшего демпфирования акустическое сопротивление демпфера должно равняться акустическому сопротивлению пьезопластины.

Рисунок 6 – Зависимость активного сопротивления от акустического импеданса

контактирующих с пьезоэлементом сред Для акустического согласования необходимо подобрать требуемый материал демпфера с учетом высокотемпературной устойчивости. Наиболее распространенным и подходящим является искусственная смола (ЭДП) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью [4]. Ее акустический импеданс z0=6.106 Па.с/м, а рабочая температура до 600 оС.

Сопротивления потерь определяют внутреннее активное сопротивление пластины, из-за которого комплексное сопротивление не может быть чисто реактивным. Диэлектрические Rd и механические Rm потери для данного ПЭП составят:

ОмСtg

Rd 2663)(

1

, Ом

fСQmRm 41794

3

2

,

где )(tg - тангенс угла потерь, QM - механическая добротность ниобата лития. Расчеты показывают, что Rm>Rd, следовательно, механические потери сильнее шунтируют пьезосопротивление, чем диэлектрические. Оптимальное согласование ПЭП со средой позволяет достичь максимальной чувствительности и широкополосности. Оптимальное значение Кмах=0.5 [6], для данного ПЭП получено значение:

442.05.0

20

2

zz

zК мах .


215

По формуле (5) при условии

Qe= Qeопт а так же при изменении Ra получены амплитудно-частотные характеристики для коэффициента двойного преобразования (см рис.7), которые позволяют оценить ширину полосы пропускания частот.

Рисунок 7 - Амплитудно-частотные характеристики для коэффициента двойного

преобразования ПЭП из ниобата лития

С учетом (4) и (5) получаем напряжение на выходе ПЭП:

)),(,,( 00 XТUKUU out . (8)

На основе проведенных исследований разработана функциональная схема аналогового блока канала измерения уровня на основе ультразвукового метода (см. рис. 8).

),),(,( 0 XUТP

)( 00 UP 0U

),),(,(( 0 XUТKUоиt ),),(,(( 0 XUТKUНУ

Рисунок 8 – Функциональная схема аналогового блока измерительного канала уровня

жидкости в барабане котла Акустическая волна со звуковым давлением P0(U0), создаваемая ПЭП в режиме

источника при напряжении генератора 0U , поступает в стенку барабана котла толщиной Х, где ее интенсивность ослабляется коэффициентом затухания с учетом температуры )(Т и диаграммы направленности излучения φ. После отражения от границы сред сталь-вода или сталь-пар ультразвуковые колебания частично поглощаются, отражаются и возвращаются на ПЭП, который переключается в режим приемника. ПЭП преобразует звуковое давление отраженных ультразвуковых колебаний в сигнал напряжения ),),(,(( 0 XUТKUоиt , которое поступает на вход избирательного усилителя (ИУ) аналогового блока измерительного канала уровня жидкости барабана котла. Избирательный усилитель ИУ необходим для уменьшения


216

влияния шумов, обусловленных побочными частотами в выходном информативном сигнале, которые ниже или выше частоты 2 МГц приема зондирующих ультразвуковых колебаний.

Усиление и приведение к унифицированному уровню выходного сигнала от ИУ осуществляют предварительный ПУ и нормирующий НУ усилители. Амплитудный детектор АД необходим для отслеживания и поддержания максимума входного сигнала для данного промежутка времени до прихода сигнала другого уровня, пока не будет принят сигнал сброса от микропроцессорной системы. Блок генератора зондирующих импульсов состоит из задающего генератора ЗГ, усилителя мощности УМ, системы обратной связи СОС, на которую поступает сигнал управления от микропроцессорной системы. Таким образом, принятый сигнал с выхода ПЭП Uout преобразуется в акустическом блоке измерительного канала к унифицированному виду на выходе НУ UНУ для последующей передачи и цифровой обработки в микропроцессорной системе. Характеристика преобразования UНУ(Uout) информативного сигнала представлена на рис. 9. На рисунке 9 показаны результаты моделирования [2]: Uoutmin – информативный сигнал напряжения с выхода ПЭП, при отражении зондирующих УЗ-колебаний от воды с диапазоном изменения ±Δ мкВ; Uoutmax – информативный сигнал напряжения с выхода ПЭП, при отражении зондирующих УЗ-колебаний от пара с диапазоном изменения ±Δ’ мкВ.

По результатам предварительных расчетов средние значения напряжений с выхода ПЭП в режиме приемника при амплитуде зондирующих импульсов в режиме излучателя U0 = 1500 В с частотой f0 = 2 МГц составляют Uoutmin=4±0,3 мкВ и Uoutmax=7±0,3 мкВ, котрые на выходе НУ должны соответствовать нижнему и верхнему уровню напряжения UНУ. Диапазон выходных сигналов от Uoutmin до Uoutmax, соответствующий границам фазового перехода жидкости в парообразное состояние, нуждается в дополнительных исследованиях, так как точность измерения уровня напрямую зависит от определения данных границ.

),),(,(( 0 XUТKUоиt

),),(,(( 0 XUТKUНУ

minоиtU maxоиtU

'' min_

min_

НУ

НУ

max_

max_

НУ

НУ

Рисунок 9 – Зависимость напряжения на выходе НУ от напряжения на выходе ПЭП

Таким образом, поставленные требования к измерительному преобразователю и аналоговому блоку измерительного канала дают возможность разработать и реализовать макетный образец измерителя уровня жидкости в барабане котла, что позволит оценить его метрологические характеристики и проверить адекватность разработанных математических моделей.

Выводы 1. На основе анализа типов ПЭП выбран прямой совмещенный ПЭП, интенсивность

излучения которого максимальна вдоль всей оси излучения, с радиусом r=13мм. Выбран пьезоматериал – ниобат лития (акустический импеданс z1=7.32.106 Па.с/м, а рабочая


217

температура до 1160 оС ), обеспечивающий максимальную устойчивость при работе в заданном диапазоне температур, а также подобран материал демпфера для оптимального акустического согласования - искусственная смола (ЭДП) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью (акустический импеданс z0=6.106 Па.с/м, а рабочая температура до 600 оС ).

2. Исследована схема замещения совмещенного ПЭП, которая учитывает его пьезоэлектрические свойства: механическую добротность QM, коэффициент электромеханической связи β, акустические импедансы контактирующих сред – демпфера и стали, что позволило установить механические и электрические потери. Поставлены требования к параметрам преобразователя, которые позволят получить максимальную чувствительность измерителя.

3. Предложена математическая модель передаточной функции (4) на основе коэффициента двойного преобразования, который составляет Кмах=0.442 в полосе пропускания ∆f=0.52..1.35 f0, позволяющая учесть коэффициент промежуточного ослабления ультразвука в результате затухания и расхождения лучей в среде прохождения, а также свойства пьезоматериала и его согласование с контактирующими средами.

4. Поставлены требования к аналоговому блоку измерительного канала контроля уровня в барабане котла, что в дальнейшем даст возможность реализовать макетный образец измерителя, оценить его метрологические характеристики и проверить адекватность разработанных математических моделей.

Список использованной литературы 1. Авраменко С.В. Компьютерная система мониторинга уровня жидкости в барабане котла /

С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». - 2012. – Вип. 22(200). – С. 135-143.

2. Авраменко С.В. Исследование математической модели распространения ультразвука в стенке барабана котла / С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». - 2013. – Вип. 1(24). – С. 205-214.

3. G.Bradfield. Ultrasonic transducers. I. Introduction to ultrasonic transducers, Part B. – “Ultrasonic”, 1970, 8, 3,177-189.

4. Авраменко С.В. Определение количества ультразвуковых преобразователей измерителя уровня жидкости в барабане котла / С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Збірник тез доповідей другої наукової міжнародної конференції [«Вімірювання, контроль та діагностика в технічних системах» (ВКДТС-2013)], (29-30 жовтня 2013р.). – Вінниця: ПП «Едельвейс і К», 2013. – С. 83-86.

5. Авраменко С.В. Исследование акустического тракта прямого пьезопреобразователя в измерителе уровня жидкости в барабане котла / С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк // Збірник тез доповідей XIV Міжнародної науково-технічной конференції [«Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих»], (23 квітня 2014 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2014. – С. 290-294.

6. Домаркас В.И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи / В.И. Домаркас, Р.-И.Ю. Кажис. – Вильнюс: «Минтис», 1975. – 258 с.

7. Неразрушающий контроль / И.Н. Ермолов, Н.П. Алешин, А.И. Потапов; под ред. В.В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1991. – - Кн.2: Акустические методы контроля: практ. пособие. - 1991. – 283 с.

8. Криворудченко В.Ф. Современные методы технической дианостики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта: [учебное


218

пособие для вузов ж.-д. транспорта] / В.Ф. Криворудченко, Р.А. Ахмеджанов; под ред. В.Ф. Криворудченко. – М.: Маршрут, 2005 – 436 с.

9. Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И. Н. Ермолов. - М: Машиностроение, 1981. - 240 с.

10. Методы акустического контроля металлов / под. ред. Н. П. Алешина. - М.: Машиностроение, 1989. - 454 с.

References 1. Avramenko S.V., Tarasyuk V.P. (2012), “The сomputer system for the liquid level monitoring

in the boiler drum”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», vol. 22, no. 200, pp. 135–143.

2. Avramenko S.V., Tarasyuk V.P. (2013), “The mathematical model investigation of ultrasound propagation in the boiler drum wall”, Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universytetu. Serija: «Obchysljuval'na tehnika ta avtomatyzacija», vol. 1, no. 24, pp. 205–214.

3. G.Bradfield. Ultrasonic transducers. I. Introduction to ultrasonic transducers, Part B. – “Ultrasonic”, 1970, 8, 3,177-189.

4. Avramenko S.V., Tarasyuk V.P. (2013), “Determination of the number of liquid level meter ultrasonic transducers in the boiler drum”, Zbirnik tez dopovidey drugoi naukovoi msjnarodnoi konferencii “Vimiruvanya, kontrol’ ta diagnostika v tehnichnih sistemah” (VKDTS-2013), Vinnitsa, 29-30 October, Edelveys & C, pp. 83–86.

5. Avramenko S.V., Tarasyuk V.P. (2014), “Justification of the mode photodiode circuit realization of dust concentration meter analog block”, Zbirnik naukovih prac’ XIV mijnarodnoi naukovo-tehnichnoi konferencii aspirantiv I studentiv «Avtomatizaciya tehnologichnih ob’ektiv ta procesiv. Poshuk molodih», Donetsk, 23 April, Donetsk national technical university, pp. 290–294.

6. Domarkas V.I., R.-J. Kazys (1975), Kontrol'no-izmeritel'nyye p'yezoelektricheskiye preobrazovateli [Piezoelectric transducers for measuring devices], "Mintis", Vilnius, Lithuania.

7. Yermolov I.N., Aleshin N.P., and Potapov A.I. (1991), Nerazrushayushchiy kontrol'. Kniga2. Akusticheskiye metody kontrolya: Prakt. Posobiye [Non-destructive testing. Book 2. Acoustic monitoring procedures: Practicals. Manual], in Sukhorukov V.V. (ed), Vyssh.shk., Moscow, Russia.

8. Krivorudchenko V.F., Akhmedzhanov R.A. (2005), Sovremennyye metody tekhnicheskoy diagnostiki i nerazrushayushchego kontrolya detaley i uzlov podvizhnogo sostava zheleznodorozhnogo transporta: Uchebnoye posobiye dlya vuzov zh.-d. Transporta [Modern methods of technical diagnostics and nondestructive testing of parts and assemblies of railway rolling stock: Textbook for universities railroad transport], in Krivorudchenko V.F. (ed.), Marshrut, Moscow, Russia.

9. Ermolov I. N.(1981), Teoriya i praktika ul'trazvukovogo kontrolya [Theory and practice of ultrasonic testing], Mashinostroyeniye, Moscow, Russia.

10. Aleshin N.P. (ed.) (1989), Metody akusticheskogo kontrolya metallov [Methods acoustic testing of metals], Mashinostroyeniye, Moscow, Russia.

Надійшла в редакцію: Рецензент: 28.04.2014 д-р техн. наук, проф. Зорі А.А.

С.В. Соломічева ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Обґрунтування вибору п'єзоелектричного перетворювача вимірювального каналу контролю рівня рідини в барабані котла. Досліджено схему заміщення прямого суміщеного п'єзоперетворювача, що враховує його п'єзоелектричні властивості. Поставлено вимоги до


219

параметрів перетворювача, які дозволять отримати максимальну чутливість вимірювання. Запропоновано математичну модель передаточної функції на основі коефіцієнта подвійного перетворення, що дозволяє врахувати коефіцієнт проміжного ослаблення ультразвуку в результаті загасання і розбіжності променів в середовищі проходження, а також властивості п'єзоматеріалу та його узгодження з контактуючими середовищами. Поставлено вимоги до аналогового блоку вимірювального каналу контролю рівня в барабані котла. Ключові слова: п'єзоперетворювач, добротність, акустичний імпеданс, інтенсивність, чутливість.

S.V. Solomicheva Donetsk National Technical University Justification of selecting of the piezoelectric converters in liquid level control measuring channel in the boiler drum. There is an analysis of types of piezoelectric transducers, on the basis of which combined direct converter is selected, the radiation intensity is maximum along the axis of the radiation. Piezoelectric material is selected - lithium niobate, providing maximum stability when used in a given temperature range, and selected damper material for optimum acoustic matching - synthetic resin with the addition of particulate fillers. Material of the damper is chosen such as to provide sufficient heat and attenuation of ultrasonic radiation in the damper. Replacement scheme combined piezo transducer, which takes into account its piezoelectric properties: mechanical quality factor QM, electromechanical coupling coefficient β, the acoustic impedances of the contacting media - damper and steel, which allowed establishing mechanical and electrical losses. Requirements to parameters of the converter are supplied, that will get the maximum sensitivity of the measurement. Broadband is achieved by aligning the drive parameters and electrical oscillatory circuit. A mathematical model of the transfer function (4), based on double conversion coefficient, which is KMAX=0.442 in the passband Δf=0.52..1.35.f0, allowing to take into account the ratio of intermediate weakening of ultrasound attenuation and the resulting divergence of transmission environments, as well as properties of piezomaterial, is presented. The received signal from the transmitter output Uout is converted in the acoustic measuring channel block to a unified look at the output of the normalizing amplifier UNU for subsequent transmission and digital processing in the microprocessor system. Output range from Uoutmin to Uoutmax corresponds to the phase boundary between the liquid to the vapor state. Requirements are set to the analog block of measuring channel of level control in the boiler drum, which further gives the opportunity to realize the meter scale-model, estimate its metrological characteristics and test the adequacy of the developed mathematical models. Keywords: piezoelectric transducer, quality factor, acoustic impedance, intensity, sensitivity.

Соломичева Светлана Викторовна, Украина, закончила Донецкий национальный технический университет, магистр, аспирант кафедры электронной техники. ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» (ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина). Основное направление научной деятельности – разработка, моделирование и усовершенствование технических и программных компонент компьютеризированных систем измерения уровня жидкости в толстостенных резервуарах.


© Цололо C.О., 2014 220

УДК 004.274

C.О. Цололо (канд. техн. наук) ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

кафедра комп’ютерної інженерії e-mail: [email protected]

ОПТИМІЗАЦІЯ СХЕМИ АВТОМАТА МУРА В БАЗИСІ FPGA

Запропонований метод зменшення числа елементів табличного типу LUT у схемі мікропрограмного автомата Мура при реалізації у базисі FPGA. Метод заснований на використанні надлишкових входів вбудованих блоків пам'яті EMB для формування кодів класів псевдоеквівалентних станів. Для оптимізації схеми використовуються три джерела кодів класів. В статті наведено необхідні умови застосування запропонованого методу та практичний приклад його використання. Ключові слова: FPGA, LUT, EMB, автомат Мура, синтез, витрати апаратури.

Вступ У сучасний час програмувальні логічні інтегральні схеми (ПЛІС) типу FPGA (field-

programmable gate arrays) широко застосовуються при реалізації складних цифрових систем [1, 2]. Одним з важливих блоків цифрових систем є пристрій керування (ПК) [3], який часто реалізується у вигляді мікропрограмного автомата (МПА) Мура [4]. Характерними особливостями МПА Мура є наявність класів псевдоеквівалентних станів (ПЕС) та регулярний характер системи вихідних функцій [5]. Ці особливості використовуються для зменшення апаратурних витрат в схемі МПА Мура [6].

Сучасні ПЛІС FPGA включають елементи табличного типу LUT (Look-Up-Tables) і вбудовані блоки пам'яті EMB (Embedded Memory Blocks) [7, 8]. Елементи LUT мають обмежене число входів (до 6), що визиває необхідність декомпозиції функцій, які потрібно реалізувати [9]. Це в свою чергу призводить до зменшення швидкодії та збільшення споживаної потужності [1]. В роботах [10, 11] наведені методи оптимізації схем МПА Мура в базисі CPLD (Complex Programmable Logic Devices). Ці методи використовують наявність великої кількості входів (до 30) в макроосередках кристалів CPLD, що дозволяє використовувати до трьох джерел кодів станів. Ці методи не можуть бути використані безпосередньо при реалізації схем на ПЛІС FPGA через невелику кількість входів LUT елементів. В роботі пропонується модифікація одного з методів оптимізації, орієнтованих на CPLD, для використання у базисі FPGA.

Метою досліджень, представлених в роботі, є можливість зменшення кількості елементів LUT завдяки використанню трьох джерел кодів класів ПЕС.

Задачею, що вирішується в роботі, є розробка методу синтезу МПА Мура, який дозволяє зменшити число LUT елементів в схемі формування функцій збудження тригерів пам'яті. При цьому алгоритм керування цифрової системи представляється у вигляді граф-схеми алгоритму (ГСА) [4].

Особливості реалізації МПА Мура на FPGA Нехай алгоритм керування цифрової системи представлений ГСА Г = Г(B, E), де

B = {b0, bE} E1 E2 – множина вершин, E = {<bq, bt> | bq, bt B} – множина дуг. Тут b0 – початкова вершина ГСА, bE – кінцева вершина ГСА, E1 – множина операторних вершин, E2 – множина умовних вершин. У вершинах bq E1 записуються набори мікрооперацій Y(bq) Y, де Y = {y1, …, yN} – множина мікрооперацій операційного автомата цифрової системи [4]. У вершинах bq E2 записуються елементи множини логічних умов X = {x1,


221

…xL}. Початкова та кінцева вершини ГСА відповідають стану a1 A = {a1, …, aM}, де A – множини станів автомата Мура, а кожна вершина bq E1 відповідає одному з елементів множини A [4]. Логічна схема МПА Мура задається системою рівнянь

Ф = Ф(Т, Х), (1) Y = Y(Т), (2)

де Т = Т{T1, …, TR} – множина внутрішніх змінних, що кодують стани am A, R = log2M; Ф = Ф{D1, …, DR} – множина функцій збудження тригерів пам'яті станів. Системи (1)-(2) формуються на основі прямої структурної таблиці (ПСТ) зі стовпцями: am – поточний стан; K(am) – код стану am A; as – стан переходу; K(as) – код стану as A; Xh – кон'юнкція деяких елементів множини X (або їх заперечень), що визначає перехід <am, as>; Фh – набір функцій збудження пам'яті МПА, що приймають одиничне значення для перемикання пам'яті з K(am) в K(as); h = 1, …, H1(Г) – номер рядка таблиці. У стовпці am записується набір мікрооперацій Y(am) Y, що було сформовано у стані am A. Очевидно, що Y(am) = Y(bq), де вершина bq E1 відзначена станом am A.

Як правило, число переходів H1(Г) більше числа переходів H2(Г) еквівалентного автомата Мілі [4]. Це приводить до збільшення числа PAL у схемі МПА Мура в порівнянні з цим показником еквівалентного автомата Мілі. Параметр H1(Г) можна зменшити завдяки наявності псевдоеквівалентних станів (ПЕС) МПА Мура [5]. Стани am, as A називаються псевдоеквівалентними, якщо виходи відповідних їм вершин з'єднані із входом однієї й тієї ж вершини ГСА Г. Нехай ПА = {B1, …, BI} – розбивка множини А на класи ПЕС (I ≤ M). Поставимо у відповідність класу Bi ПА двійковий код K(Bi) розрядності R1 = log2I та використовуємо змінні r для такого кодування, де || = R1. У цьому випадку МПА Мура представляється у вигляді структури U1 (рис. 1). Оскільки МПА Мура U1 є орієнтованим на реалізацію в базисі FPGA, то до схеми входять блоки, що складаються з LUT елементів (LUTer1, LUTer2) та EMB (EMBer).

LUTer1 RGΦ

Start

Clock LUTer2

EMBerTX Y

Рисунок 1 – Структурна схема автомату U1, що орієнтована на базис ПЛІС FPGA

В автоматі U1 блок LUTer1 реалізує систему функцій Ф = Ф(, X), (3)

а блок EMBer реалізує систему (2). Регістр RG представляє собою пам'ять станів, за сигналом Start в RG заноситься нульовий код початкового стану a1 A, за сигналом Clock відбувається зміна кодів у регістрі. Перетворювач кодів станів LUTer2 реалізує систему функцій

= (T), (4) при цьому код K(Bi) формується на основі коду K(am), де am Bi.

У работі [10] доведено, що для МПА U1 число переходів зменшується до H2(Г). Недоліком моделі U1 є наявність блоку LUTer2, схема якого споживає деякі ресурси кристалу. У цій роботі пропонується метод синтезу МПА Мура, що дозволяє зменшити апаратурні витрати в блоці LUTer2. Запропонований метод заснований на таких особливостях мікросхем FPGA [7, 8]: логічні елементи складаються з елементів LUT, програмувального тригеру, мультиплексорів та трьохстабільних буферів, що дозволяє організовувати мультиплексування різних LUT елементів; вбудовані блоки пам'яті мають постійну ємність (V0), але змінну кількість осередків (V) та виходів (tF).


222

Головна ідея методу, що пропонується Закодуємо стани Aam оптимальним чином. Представимо множину A у вигляді

об'єднання множин B і С . При цьому розподіл класів виконується в такий спосіб:

Bii B)1)B(T( , Cii B)1)B(T( . (6) Очевидно, що перетворенню підлягають тільки коди станів im Ba для блоків CiB .

Поставимо у відповідність кожному класу CiB двійковий код )B(K i розрядності

)1I(logR c2c , (7)

де СсI . Призначення одиниці у формулі (7) пояснимо пізніше. Нехай Ft – фіксоване число виходів блоку EMB і нехай q – число слів у блоці при

1tF . Для блоку EMBer параметр Ft визначається як

RF 2/qt , (8)

а сумарне число виходів у блоках EMB, що утворюють схему EMBer, визначається як FF1 tt/Nt . (9)

При цьому t виходів не використовуються для представлення мікрооперацій, де Nt1t . (10)

Ці виходи можна використовувати для представлення розрядів коду )B(K i . При цьому блок LUTer2 буде реалізовувати

tCK RR (11) розрядів коду. При виконанні умови

tCR (12) блок LUTer2 відсутній. Для загального випадку, коли 0t й 1R K , автомат Мура представляється моделлю 2U (рис. 2).

У цій моделі є три джерела кодів станів. Стани im Ba , де BiB , визначаються вмістом регістру RG. Стани класів СiB представляються змінними 1

r (виходи EMBer) і 2

r (виходи LUTer2). Очевидно, що 21 й CR . Для ідентифікації джерела необхідно ввести спеціальний код, що визначається як

)R,1r(0 Cr . (13) Цим пояснюється наявність одиниці у вираженні (7). Нульовий код (13)

використовується для керування мультиплексором MX, який служить для вибору джерела коду класу ПЕС. Для вибору використовується змінна My :

RR

LrM

Cy

.

(14)

У МПА 2U блок LUTer1 формує систему функцій: )X,T(11 . (15)

Блок LUTer3 формує функції: )x,(22 . (16)

Функції збудження тригерів RG формуються в такий спосіб: 2

M1

M yy . (17) Для реалізації системи (17) використовується MX. Блок LUTer2 формує функції:

)T(22 . (18)


223

LUTer1

LUTer3

RG

Φ1

yM

Φ2

Φ

Start

Clock

MX

LUTer2

EMBerTX T

τ2 τ1

Y

Рисунок 2 – Структурна схема автомата Мура 2U

Блок EMBer формує вихідні функції (2) і функції

)T(11 . (19)

Таким чином, в роботі пропонується метод синтезу МПА Мура 2U , що включає наступні етапи:

1. Формування розбивки }B...,,B{ I1A . 2. Оптимальне кодування станів Aam . 3. Формування множин B і С . 4. Кодування класів CiB . 5. Формування таблиць блоків LUTer1 і LUTer3. 6. Формування вмісту блоку мікрооперацій (EMBer). 7. Формування таблиці блоку перетворювача кодів (LUTer2). 8. Формування системи функцій, що задають схему МПА. 9. Реалізація схеми в заданому елементному базисі. Розглянемо приклад застосування запропонованого методу. Приклад застосування запропонованого методу Використовуємо завдання автомата у вигляді системи узагальнених формул переходу

(УФП) [6]. Нехай автомат Мура )Г(U1 визначається наступною системою УФП:

31211 axaxB ; ;axxaxxaxB 632532422 ;axxaxxaxB 143843633 ;axxaxxaxB 13651165854

;aB 105 ;axaxB 111216 1365411654754147 axxxaxxxaxxaxB . (20)

Нехай при цьому отримана розбивка }B...,,B{ 71A , де 11 aB , 322 a,aB , 43 aB , 7654 a,a,aB , 985 a,aB , 106 aB , 1312117 a,a,aB .

Нехай система мікрооперацій автомата )Г(U1 представляється наступною системою рівнянь:

12321 aaay ; 109842 aaaay ;

118733 aaaay ; 1154 aay ;

8765 aaay ; 10646 aaay ; 13121137 aaaay . (21)

Система (21) будується тривіальним образом: якщо мікрооперація Ay n формується в стані Aa m , то в рівняння для ny включається терм ma .

Отже, для автомата )Г(U1 маємо 13M , 4R , }T...,,T{T 41 , }D...,,D{ 41 , 7I , 8N . Сформуємо систему функцій, що виражає залежність класів ПЕС від станів:


224

11 aB ; 322 aaB ;

43 aB ; 7654 aaaB ;

985 aaB ; 106 aB ; 1312117 aaaB . (22)

Один з можливих результатів оптимального кодування станів для автомата )Г(U1 показаний картою Карно на рис. 3.

T3T4

a2 * a4

a5 * a6 a10

a11 a3 a7 a8

a13 a12 * a9

00 01 10

00

01

11

10

T1T2

a1

11

Рисунок 3 – Коди станів автомата Мура )Г(U1

Аналіз цієї карти показує, що класи B6531 B,B,B,B і класи C742 B,B,B . Таким

чином, 3IC , 2RC , },{ 21 . Закодуємо класи CiB в такий спосіб: 11)B(K 2 , 01)B(K 4 , 10)B(K 7 . Таким чином, чим більше станів входить до класу

CiB , тим менше одиниць містить код цього класу. Відзначимо, що код 00 відповідає ситуації BiB . Цим пояснюється наявність одиниці у формулі (7). З карти Карно маємо

0000)B(K 1 , 001)B(K 3 , 101)B(K 5 , 0110)B(K 6 .

Тепер переходимо до моделі )Г(U 12 . Побудуємо таблиці блоків LUTer1 і LUTer3. Для побудови таблиць використовуються відповідні формули системи (20). Таблиця блоків LUTer1 має наступні стовпці: iB , )B(K i , Sa , )a(K S , hX , 1

h , h . Наприклад, для класів

B31 B,B ця таблиця має 5 рядків (табл. 1).

Таблиця 1 Фрагмент таблиці блоку LUTer1 автомату )Г(U 12

iB iBK sa )a(K s hX 1h h

2a 0001 1x 4D 1 1B 0000

3a 1101 1x 421 DDD 2

6a 0111 3x 432 DDD 3

8a 1110 43xx 321 DDD 4 3B 001*

1a 0000 43 xx – 5 Таблиця блоку LUTer3 має аналогічні стовпці, але замість стовпця 1

h вводиться стовпець 2

h . Наприклад, для класу C7B ця таблиця має 4 стовпця (табл. 2).


225

Таблиця 2 Фрагмент таблиці блоку LUTer3 автомату )Г(U 12

iB iBK sa )a(K s hX 2h h

1a 0000 4x – 1

7a 1111 54xx 4321 DDDD 2

11a 1100 654 xxx 21DD 3 7B 10

13a 1000 654 xxx 1D 4 Формування вмісту блоку мікрооперацій зводиться до формування таблиці зі

стовпцями ma , )a(K m , )a(Y m , 1m , m . Тут Y)a(Y m – набір мікрооперацій, що формується

в стані Aa m . Ця інформація міститься у операторних вершинах ГСА Г, а в нашому прикладі задана системою (21). Стовпець 1

m містить змінні 1r , рівні одиниці в частині

коду )B(K i , що формується блоком EMBer. Цей стовпець може бути відсутнім, якщо 0t . Нехай для реалізації блоку EMBer використовуються блоки EMB, у яких число Ft

вибирається з множини }4,2,1{T0 , і при 1tF ( 64q ). Для автомату )Г(U 12 13M , 4R і, згідно (8), маємо 4tF . Оскільки 0F Tt , те вибираємо його в якості фіксованого

числа виходів блоків EMB. Відзначимо, що якщо 0F Tt , то в якості Ft необхідно вибрати найближчий менший елемент безлічі 0T . Для автомату )Г(U 12 7N , тому 8t1 і 1t .

Отже, один розряд коду )B(K i може бути реалізований на EMBer. Нехай }{ 1

1 , тоді ця змінна включається в рядки 2, 3, 11, 12, 13 таблиці вмісту блоку EMBer (табл. 3).

Таблиця 3

Вміст блоку EMBer автомату )Г(U 12

ma )a(K m )a(Y m 1m m ma )a(K m )a(Y m 1

m m

1a 0000 – – 1 8a 1110 2y 3y 5y – 8

2a 0001 1y 1 2 9a 1010 2y – 9

3a 1101 1y 3y 7y 1 3 10a 0110 2y 6y – 10

4a 0010 2y 6y – 4 11a 1100 3y 4y 7y 1 11

5a 0100 4y – 5 12a 1001 1y 7y 1 12

6a 0111 5y 6y – 6 13a 1000 7y 1 13

7a 1111 3y 5y – 7 – **** *** * * Блок LUTer2 реалізується на елементах LUT. При цьому доцільно задати кожну

функцію 2r у вигляді карти Карно. Для нашого прикладу функція 2

2 задається картою Карно, що наведена на рис. 4.

Система (15) будується на основі таблиці блоку LUTer1. Наприклад, наступне рівняння (з урахуванням мінімізації) можна знайти з табл. 1: 332143214 xTTTTTTTD . Система (16) будується на основі таблиці блоку LUTer3. Наприклад наступне рівняння (з урахуванням мінімізації) можна знайти з табл. 2: 4211 xD . Система )T(2 формується по відповідних


226

картах Карно. Наприклад, наступне рівняння може бути знайдене з рис. 4: 32142412 TTTTTTT . Для реалізації схеми рівняння мультиплексором використовується

рівняння (14). У нашому прикладі маємо 21My .

T3T4

1 * 0

1 * 1 0

0 1 1 0

0 0 * 0

00 01 10

00

01

11

10

T1T2

0

11

Рисунок 4 – Карта Карно для функції 2

Синтез схеми МПА зводиться до використання стандартних пакетів САПР [7, 8]. Це

питання досить докладно розглянуте в літературі [1, 2]. В статті цей етап реалізації запропонованого методу не розглядається.

Висновки У роботі пропонується метод зменшення числа LUT елементів у схемі автомата Мура,

що реалізується в складі кристала FPGA. Запропонований метод засновано на використанні трьох джерел коду класів псевдоеквівалентних станів. Вибір джерела коду виконується за допомогою мультиплексора, на виходах якого формуються остаточні значення функцій збудження пам'яті автомата.

Наявність мультиплексору вносить додаткову затримку під час такту пристрою. Однак схеми, що реалізують функції збудження, спрощуються в порівнянні з базовою моделлю 1U . Це спрощення може призвести до зменшення числа рівнянь LUT елементів у відповідних схемах. При цьому затримка, що вноситься мультиплексором, може бути компенсована.

Дослідження, проведені для стандартних прикладів з бібліотеки [12] показали, що при виконанні умови (10) МПА U2(Г) завжди має менше LUT елементів, ніж еквівалентний МПА U1(Г). Максимальний виграш може досягати 32 %. При цьому для 94 % стандартних прикладів блок EMBer реалізується у вигляді одного блока EMB. Крім цього, у 86 % розглянутих МПА з бібліотеки [12] швидкодія моделей U1(Г) та U2(Г) співпадає. В 14 % прикладів, що залишилися, автомат U2(Г) має трохи меншу швидкодію (знижується на значення близько 10 %).

Наукова новизна запропонованого методу полягає в використанні особливостей МПА Мура та вбудованих блоків пам’яті мікросхем FPGA для зменшення кількості LUT елементів в схемі МПА.

Практичне значення методу полягає в зменшенні площі кристалу FPGA, що займає схема автомата Мура, в порівнянні з відомими з літератури аналогами.

Список використаної літератури 1. Grout I. Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs. – Amsterdam: Elsevier, 2008. –

328 pp. 2. Skliarova I., Skliarov V., Sudnitson A. Design of FPGA-based Hierarchical Finite State

Machines. – Tallinn: TUT Press, 2012. – 286 pp. 3. De Micheli G. Synthesis and Optimization of Digital Circuits. – New York: McGraw Hill,

1994. – 636 pp.


227

4. Baranov S. Logic Synthesis for Control Automata. – New York: Kluwer Academic Publishers, 1994. – 312 pp.

5. Баркалов А.А. Принципы оптимизации логической схемы микропрограммного автомата Мура / А.А. Баркалов // Кибернетика и системный анализ. – 1998. - № 1. – С. 65-72.

6. Barkalov A., Titarenko L. Logic Synthesis for FSM-based Control Units. – Berlin: Springer, 2009. – 234 pp.

7. Altera Corporation. FPGA, CPLID and Structured ASIC [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.altera.com.

8. Xilinx Inc. FPGA, CPLD Solutions [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.xilinx.com.

9. Scholl C. Functional Decomposition with Application to FPGA Synthesis. – Norwell: Kluwer Academic Publishers, 2001. – 319 pp.

10. Баркалов А.А. Оптимизация схемы автомата Мура, реализуемой в базисе ПЛИС / А.А. Баркалов, Л.А. Титаренко, С.А. Цололо // Кибернетика и системный анализ. – 2009. – №5. – С. 180-186.

11. Баркалов А.А. Оптимизация автомата Мура, реализуемого в базисе CPLD / А.А. Баркалов, С.А. Цололо // Управляющие системы и машины. – 2008. – №4. – С. 43-48.

12. Yang S. Logic Synthesis and Optimization Benchmarks user guide. Technical Report. – North Carolina: MCNC, 1991. – 44 pp.

References 1. Grout, I. (2008), Systems Design with FPGAs and CPLDs, Elsevier, Amsterdam, Netherlands. 2. Skliarova, I., Skliarov, V. and Sudnitson, A. (2012), Design of FPGA-based Hierarchical Finite

State Machines, TUT Press, Tallinn, Estonia. 3. De Micheli, G. (1994), Synthesis and Optimization of Digital Circuits, McGraw Hill, New

York, USA. 4. Baranov, S. (1994), Logic Synthesis for Control Automata, Kluwer Academic Publishers, New

York, USA. 5. Barkalov, A.A. (1998), “Principles of optimization logic of Moore FSM”, Cybernetics and

Systems Analysis, no. 1, pp. 65–72. 6. Barkalov, A. and Titarenko, L. (2009), Logic Synthesis for FSM-based Control Units, Springer,

Berlin, Germany. 7. Altera Corporation (2014), “FPGA, CPLID and Structured ASIC”, available at:

http://www.altera.com (Accessed 10 April 2014). 8. Xilinx Inc. (2014), “FPGA, CPLD Solutions”, available at: http://www.xilinx.com (Accessed

10 April 2014). 9. Scholl, C. (2001), Functional Decomposition with Application to FPGA Synthesis, Kluwer

Academic Publishers, Norwell, USA. 10. Barkalov, A.A., Titarenko, L.A. and Tsololo, S.A. (2009), “Optimization of Moore FSM

implemented in FPGA basis”, Cybernetics and Systems Analysis, no. 5, pp. 180–186. 11. Barkalov, A.A. and Tsololo, S.A., (2008), “Optimization of Moore FSM implemented in CPLD

basis”, Upravljajushhie sistemy i mashiny, no. 4. pp. 43-48. 12. Yang, S. (1991), Logic Synthesis and Optimization Benchmarks user guide. Technical Report,

MCNC, North Carolina, USA.



228

С.А. Цололо ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет» Оптимизация схемы автомата Мура в базисе FPGA. Предлагается метод уменьшения числа элементов табличного типа LUT в схеме микропрограммного автомата Мура при реализации в базисе FPGA. Метод основан на использовании избыточных входов встроенных блоков памяти EMB для формирования кодов классов псевдоэквивалентных состояний. Для оптимизации схемы используются три источника кодов классов. В статье приведены необходимые условия применения метода и пример его использования. Ключевые слова: FPGA, LUT, EMB, МПА Мура, синтез, аппаратурные затраты.

S.A. Tsololo Donetsk National Technical University Optimizing circuit of Moore FSM with FPGA. FPGA (field-programmable gate arrays) are widely used in the implementation of complex digital systems. One of the important elements of digital systems is the control unit (CU), which is often implemented as Moore FSM. Characteristic features of Moore FSM are existence of classes pseudoequivalent states (PES) and regular nature output variables. These features are used to reduce hardware costs in the circuit of Moore FSM. Modern FPGA elements include LUT (look-up-tables) elements and EMB (embedded memory blocks) units. LUT elements have a limited number of inputs (about six), which necessitates decomposition of realizable functions. This in turn leads to a decrease in performance and increase in power consumption. There are many methods of optimization schemes in the basis of Moore FSM CPLD (complex programmable logic devices). These methods use the presence of a large number of inputs (up to 30) in macrocells crystals CPLD, which allows up to three sources of status codes. These methods can not be directly used to implement FPGA PLD circuits because of the small number of inputs in LUT elements. In this paper the author proposes a modification of one of optimization techniques targeting CPLD. The purpose of the studies presented in this work is the ability to reduce the number of LUT elements of the three classes of source codes PES. The problem solved in this work is to develop a method for the synthesis of Moore FSM that reduces the number of LUT elements in the formation circuit of memory triggers excitation functions. In this case the control algorithm of the digital system is represented as a graph-scheme of algorithm. The conditions are given for applying the proposed method. An example is shown for its application. Keywords: FPGA, LUT, EMB, Moore FSM, synthesis, hardware optimization.

Цололо Сергій Олексійович, Україна, закінчив Донецький національний технічний університет, канд. техн. наук, доцент кафедри комп’ютерної інженерії ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» (вул. Артема, 58, м. Донецк, 83001, Україна). Основний напрям наукової діяльності – методи синтезу та оптимізації пристроїв керування у складі систем на кристалі при реалізації схеми в сучасних базисах CPLD та FPGA.

НАУКОВЕ ВИДАННЯ

Наукові праці Донецького національного технічного університету

Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація»

№ 2(27)’2014 (українською, російською, англійською мовами)

Адреса редакції: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й учбовий корпус, к. 1.006, т.(062) 301-07-95

Редагування та коректура: О.М. Гарматенко, А.В. Зиль, Т.М. Шламенок

Підписано до друку 23.06.2014. Формат 60841/16 Папір офсетний. Друк різографія.

Ум. друк. арк. 26,10. Обл.-вид. арк. 14,75 Тираж 300 прим. Замовлення № 46

Видавець: Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет». Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58. Тел.: (062) 301-08-67

Свідоцтво про державну реєстрацію суб’єкта видавничої справи: серія ДК №2982 від 21.09.2007 Надруковано: РВВ Видавництво «Донецька політехніка», Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58. Тел.: (062) 301-09-67

Documents

Вычислительная техника и автоматизация