Upload
doankhanh
View
263
Download
14
Embed Size (px)
Citation preview
Warsztaty Doktoranckie
WD 2012
oraz letnia szkoa metod numerycznych
Lublin 09 11 lipca 2012
Autorem logo jest Student IMUZ Piotr Kukieka
Organizowane przez:
Politechnika
Lubelska Wydzia Elektrotechniki
i Informatyki
Instytut Elektrotechniki Warszawa
Akademia Grniczo Hutnicza
Wydzia Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki
i Elektroniki
Pod patronatem Lubelskiego Oddziau Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej
Warsztaty Doktoranckie 2012
ii
autor: student WEiI PL Mariusz Kura
Warsztaty Doktoranckie 2012
iii
Spis treci
1. STABILIZACJA WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM PRZY POMOCY REGULATORA LQR .................................................................... 11
2. OCHRONA KATODOWA ZBIORNIKW PODZIEMNYCH PRZED KOROZJ 13
3. METODA ZBIORW POZIOMICOWYCH W TOMOGRAFII IMPEDANCYJNEJ
...................................................................................................................................... 15
4. ANALIZA PORWNAWCZA OPACALNOCI INWESTYCJI W RDA ENERGII ODNAWIALNEJ ........................................................................................ 17
5. ZASTOSOWANIE MULTIMODALNEJ KLASYFIKACJI W ROZPOZNAWANIU STANW EMOCJONALNYCH NA PODSTAWIE MOWY SPONTANICZNEJ .. 18
6. IDENTYFIKACJA SYSTEMW NIELINIOWYCH PRZY POMOCY
JDROWEGO ALGORYTMU LMS Z OGRANICZENIEM ZASOBW ............... 21
7. WPYW RODOWISKA OBLICZENIOWEGO NA WYDAJNO ALGORYTMU
ODWRACANIA MACIERZY .................................................................................... 23
8. INTELIGENTNY SYSTEM PRZYWOAWCZY ..................................................... 25
9. ROZSZERZONY FILTR KALMANA JAKO ESTYMATOR STANU W
UKADZIE WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM ......... 27
10. SYSTEM POMIAROWY DO WIELOKANAOWEJ REJESTRACJI SYGNAW
NEURONOWYCH METOD INVIVO ..................................................................... 29
11. PORWNANIE FUNKCJI OCENY SEGMENTACJI W KONTEKCIE METODY
REDUKCJI NADSEGMENTACJI OBRAZW BARWNYCH ................................ 31
12. KOMPARATOR DO NADAWANIA ZNACZNIKW CZASOWYCH W UKADACH ODCZYTOWYCH DLA DETEKTORW PASKOWYCH ............... 33
13. METODY STOSOWANE W BADANIACH NIENISZCZCYCH .......................... 35
14. FSI - SYSTEM ELEKTRONICZNEGO STEROWANIA BEZPOREDNIM
WTRYSKIEM BENZYNY .......................................................................................... 38
15. ASIC IMPLEMENTATION OF HIGH EFFICIENCY 8-BIT OCTALYNX RISC MICROPROCESSOR .................................................................................................. 40
16. THERMAL ANALYSIS OF CMOS VOLTAGE-CONTROLLED OSCILLATORS 42
17. WPYW CZASU ODPOWIEDZI NEUROSTEROWNIKA NA JAKO
REGULACJI ................................................................................................................ 44
18. CONSTRUCTION AND VERIFICATION OF MATHEMATICAL MODEL OF
MASS SPECTROMETRY DATA .............................................................................. 46
19. WPYW ZWILALNOCI WYSOKOTOPLIWEGO PODOA NA JAKO WARSTW MIEDZIANYCH WYTWARZANYCH METOD POREDNIEGO
GRZANIA OPOROWEGO PRZY OBNIONYM CINIENIU ................................ 49
Warsztaty Doktoranckie 2012
iv
20. MODELOWANIE I ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W NIETYPOWYCH
UKADACH WSPRZDNYCH ........................................................................... 51
21. WYZNACZANIE WSPCZYNNIKA ABSORPCJI WACIWEJ W CZASIE RDMISZOWEJ HIPERTERMII MIKROFALOWEJ ................... 54
22. WYKORZYSTANIE FILTRU CZSTECZKOWEGO W PROBLEMIE IDENTYFIKACJI ........................................................................................................ 57
23. MODELOWANIE I BADANIA SYMULACYJNE HYDRAULICZNEGO UKADU ZAPEWNIENIA STATECZNOCI POJAZDU ......................................................... 60
24. PROJEKT 7-BITOWEGO NISKOMOCOWEGO PRZETWORNIKA A/C W
TECHNOLOGII SUBMIKRONOWEJ O MAEJ POWIERZCHNI DO
ZASTOSOWA WIELOKANAOWYCH ............................................................... 62
25. PROJEKT UKADU ELEKTRONIKI FRONT-END DO ODCZYTU DETEKTORW PIKSELOWYCH OPARTY NA INWERTERACH ....................... 64
26. ANALIZA SZUMOWA KANAU ODCZYTOWEGO PRZEZNACZONEGO DO WIELOKANAOWYCH UKADW SCALONYCH DEDYKOWANYCH DO
EKSPERYMENTW NEUROBIOLOGICZNYCH .................................................. 67
27. ANALIZA PORWNAWCZA PANELU FOTOWOLTAICZNEGO I DACHWKI
SOLARNEJ W ZASTOSOWANIU DO BUDOWNICTWA JEDNORODZINNEGO
...................................................................................................................................... 70
28. ZASTOSOWANIE REGULATORA PID DO STEROWANIA MANIPULATOREM
Z NAPDEM ELEKTROHYDRAULICZNYM O RWNOLEGEJ KINEMATYCE
...................................................................................................................................... 73
29. PRZEGLD METOD DO SYNCHRONIZACJI Z SIECI (PLL) DLA PRZEKSZTATNIKW ENERGOELEKTRONICZNYCH .................................... 75
30. METODA TWORZENIA MODELU ZIEMSKIEGO POLA MAGNETYCZNEGO ZOPTYMALIZOWANEGO DLA OBSERWATORA ORIENTACJI SATELITY ... 78
31. COMPARISON OF DECAY FUNCTION AND MAPPED INFINITE BOUNDARY
ELEMENTS USAGE IN OPTICAL MAMMOGRAPHY .......................................... 80
32. ALGORYTMY METAHEURYSTYCZNE I OPTYMALIZACYJNE W
REKONSTRUKCJI KONDUKTANCJI SIATEK REZYSTORW .......................... 82
33. WPYW KLASY CZYSTOCI CIECZY NA ZJAWISKO EROZYJI KRAWDZI STERUJCYCH SUWAKA SERWOZAWORU ....................................................... 85
34. CAKOWANIE SYMBOLICZNE W METODZIE ELEMENTW BRZEGOWYCH FOURIERA .................................................................................................................. 88
35. ELECTRONIC AIDS FOR BLIND PEOPLE OVERVIEW .................................... 90
36. METODA KLASYFIKACJI OBRAZW USG TARCZYCY
Z WYKORZYSTANIEM INDUKCJI DRZEW DECYZJI ........................................ 93
37. WIZUALIZACJA PARAMETRW ANTEN SYMULOWANYCH PROGRAMEM NEC-2 ........................................................................................................................... 95
38. RODOWISKO LABVIEW W SYMULACJI WIRTUALNEGO MOSTKA WHEATSTONE`A ...................................................................................................... 97
39. STEADY STATE SYMBOLIC COMPUTATION IMPLEMENTATION IN C++ 99
Warsztaty Doktoranckie 2012
v
40. ON CEREBROSPINAL FLUID SEGMENTATION FROM CT BRAIN SCANS
USING INTERACTIVE GRAPH CUTS .................................................................. 102
41. ZASTOSOWANIE JEDNOWIZKOWEGO DYNAMICZNEGO MIESZANIA JONOWEGO DO MODYFIKACJI STYKW APARATW ELEKTRYCZNYCH
.................................................................................................................................... 104
42. ZASTOSOWANIE METOD POZIOMICOWYCH DO PRZETWARZANIA OBRAZW MEDYCZNYCH .................................................................................. 106
43. TOMOGRAF POJEMNOCIOWY DO ZASTOSOWA PRZEMYSOWYCH II .................................................................................................................................... 108
44. WPYW TEMPERATURY POARU NA WARTO NAPICIA ZASILAJCEGO URZDZENIA ELEKTRYCZNE ORAZ SKUTECZNO
OCHRONY PRZECIWPORAENIOWEJ URZDZE, KTRE MUSZ
FUNKCJONOWA W CZASIE POARU .............................................................. 110
45. SYMULACJA WYBRANYCH UKADW BEZPRZEWODOWEGO PRZESYU ENERGII ELEKTRYCZNEJ ..................................................................................... 119
46. TEMPERATURE MEASURING DEVICE BASED ON THIN FILM
THERMORESISTORS .............................................................................................. 121
47. WEIGHTED LEAST-SQUARES POLYNOMIAL APPROXIMATION EMPLOYED TO RH SENSORS CALIBRATION POINTS ......................................................... 123
48. ANALIZA ROZWIZA ZWIZANYCH Z JZYKAMI MODELOWANIA DLA
URZDZE MOBILNYCH POD KTEM INTERAKCJI UYTKOWNIKA Z
APLIKACJ .............................................................................................................. 125
49. WPYW NASYCENIA OBWODU MAGNETYCZNEGO NA PARAMETRY MODELU OBWODOWEGO MASZYNY SYNCHRONICZNEJ Z MAGNESAMI
TRWAYMI .............................................................................................................. 127
50. PORWNANIE WYBRANYCH METOD OKRELENIA OBSZARU POMIENIA
W WIZYJNYM SYSTEMIE DIAGNOSTYCZNYM .............................................. 129
51. 4 KANAOWY MODU LED DO SYSTEMU WSPOMAGAJCEGO ROZWJ ROLIN ..................................................................................................................... 131
52. WPYW WARUNKU BRZEGOWEGO DIRICHLETA NA SZYBKO I STABILNO ROZWIZA, PODCZAS MODELOWANIA PRDW
WIROWYCH ELEKTRYCZNYM POTENCJAEM SKALARNYM .................... 133
53. VIBRATING BRACELET INTERFACE FOR BLIND PEOPLE ............................ 135
54. WPYW IMPLEMENTACJI MODELU PRZEJCIA I MODELU POMIAROWEGO NA DZIAANIE FILTRU CZSTECZKOWEGO .................................................. 137
Warsztaty Doktoranckie 2012
vi
Warsztaty Doktoranckie 2012
vii
autor: student WEiI PL Mariusz Kura
Statystyka
lp Uczelnia Liczba uczestnikw
1 Politechnika Lubelska 16
2 Akademia Grniczo-Hutnicza 16
3 Instytut Elektrotechniki - Warszawa 5
4 Politechnika Poznaska 13
5 Politechnika dzka 3
6 Politechnika Warszawska 2
7 Uniwersytet Zachodniopomorski w Szczecinie 1
8 Politechnika lska 1
9 Wysza Szkoa Zarzdzania i Administracji w Zamociu 1
czna liczba artykuw 54*)
*)W tej tabeli prace autorw z rnych instytucji zaliczane s do kadej z nich.
Warsztaty Doktoranckie 2012
8
Warsztaty Doktoranckie
WD i IIPhDW
W ramach studiw doktoranckich odbywaj si przemiennie krajowe Warsztaty
Doktoranckie (WD) i midzynarodowe Warsztaty Doktoranckie (IIPhDW) od
roku 2008.
Organizatorami warsztatw s: Instytut Elektrotechniki w Warszawie, Politechnika Lubelska oraz
Akademia Grniczo Hutnicza.
Kazimierz Dolny nad Wis 2008 Krynicy Grskiej czerwiec 2009
Warsztaty Doktoranckie 2012
9
Lublin 2010
Zielona Gra - 2011
Warsztaty Doktoranckie 2012
10
Warsztaty Doktoranckie 2012
11
STABILIZACJA WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM
PRZY POMOCY REGULATORA LQR
Adam Owczarkowski1, Jarosaw Goliski
2
1,2Politechnika Poznaska, Wydzia Elektyczny
Streszczenie. Praca jest na temat stabilizacji obiektu zwanego wahadem odwrconym z napdem inercyjnym IWP (ang. Interia Wheel Pendulum). Jest to
nieliniowy ukad mechaniczny w postaci wahada odwrconego skadajcego si z masztu i koa zamachowego umieszczonego na szczycie napdzanego silnikiem prdu staego. Autorzy zaproponowali stabilizacj przy pomocy regulacji LQR, ktra do funkcjonowania wymaga linearyzacji i dyskretyzacji
rwna matematycznych obiektu. Wykonano dziaania symulacyjno-eksperymentalne potwierdzajce poprawno dziaania proponowanej metody. Sowa kluczowe: wahado odwrcone, regulacja liniowo-kwadratowa LQR, system nieliniowy, sterowanie optymalne, wahado z napdem inercyjnym IWP
Stabilization control for the interia wheel pendulum based on LQR controller
Abstract. Work is about stabilizing the inverted pendulum object called IWP (Inertia Wheel Pendulum). It is a non-linear mechanical system in the form of an inverted pendulum containing a flywheel mounted on top accelerated by DC motor. The authors suggested stabilization by LQR control, which requires
the linearization and discretization of the mathematical equations of the object.Simulation and experiment have confirmed proper operation of the proposed
method.
Keywords: LQR (Linear Quadratic Regulator), IWP (Inertia Wheel Pendulum), optimal control, underactuated system, non-linear system, inverted pendulum
Wstp Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat
budowy wahada odwrconego z napdem inercyjnym IWP
(ang. Interia Wheel Pendulum). Skada si z masztu
przytwierdzonego do podoa przy pomocy przegubu
obrotowego i masy wirujcej umieszczonej na szczycie, ktr
napdza silnik prdu staego. Posiada dwa stopnie swobody (kt
i ) i jedno wymuszenie co sprawia, e ukad ten nazywany
jest underactuated system. Celem ukadu regulacji jest
utrzymywanie wahada w pozycji pionowej poprzez
generowanie odpowiedniego momentu rozpdzajcego bd
hamujcego koo zamachowe. Problemem jest fakt, i
stabilizujce wymuszenie wystpuje w skoczonym horyzoncie
czasowym, poniewa z fizycznego punktu widzenia nie jest
moliwe rozpdzanie koa bez koca.
Rys. 1. Rysunek pogldowy przedstawiajcy wahado odwrcone.
Autorzy zaproponowali sterowanie przy pomocy
regulatora liniowo-kwadratowego LQR.
Na koniec przedstawiono wyniki dziaania w obiekcie
rzeczywistym stworzonym na potrzeby wykonania bada.
1. Model matematyczny Chcc wyznaczy sterowanie proponowan metod
naleao najpierw wyprowadzi dokadny model matematyczny.
Poniewa ukad ma dwa stopnie swobody, to do penego opisu
matematycznego wymagane s ponisze dwa rwnania:
rk
cps
II
mglbbik
sin (1)
k
s
I
bik
(2)
gdzie: ks staa silnika, b wspczynnik tarcia przegubu, b -
wspczynnik tarcia koa zamachowego, g
przyciganie ziemskie, - kt odchylenia masztu od
pionu, - kt obrotu koa zamachowego, Ik - moment
bezwadnoci koa zamachowego, Ir - moment
bezwadnoci caego wahada, lp - dugo masztu, i -
prd pyncy przez silnik, mc - masa cakowita.
2. Linearyzacja Regulacja LQR wymaga linearyzacji i dyskretyzacji
rwna stanu. W procesie linearyzacji skorzystano z macierzy
Jacobiego macierzy kolejnych pochodnych
czstkowych.Rwnania stanu, ktre wykorzystano w trakcie
regulacji wygldaj nastpujco:
i
I
k
II
kx
I
b
II
b
II
b
II
mglx
k
s
rk
s
k
rkrkrk
cp
0
00
010
, (3)
xy
100
010
001. (4)
3. Dyskretyzacja rwna Rwnania stanu w postaci dyskretnej wygldaj
nastpujco:
kdkdk
uBxAx 1
, (5)
kdkdk
uDxCy (6)
gdzie: k - oznacza numer prbki, Al, Bl, Cl i Dl to macierze dyskretnego rwnania stanu.
Taka posta rwna upraszcza implementacj ich w systemie
mikroprocesorowym. Zastosowano metod przyblion
wyznaczania macierzy rwnania stanu [4].
4. Regulator LQR Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy ukadu
regulacji z regulatorem LQR [1][7][8].
Rys. 2. Schemat blokowy ukadu regulacji z regulatorem LQR.
Warsztaty Doktoranckie 2012
12
Jak wida tego typu regulator jako sprzenie zwrotne
wykorzystuje cay wektor stanu x. Celem regulatora jest
ustabilizowanie masztu w pooeniu pionowym i zatrzymania
koa zamachowego. Regulator ten za pomoc rwnania
Riccatiego wyznacza sterowanie optymalne w postaci wektora
wzmocnie K.
5. Wyniki symulacji Badania symulacyjne dokonano w rodowisku Matlab.
One pozwoliy wyznaczy wektor wzmocnie K, ktry jest
rwny:
13.020.604.43 K . (7)
Te wartoci mona wyznaczy znajc parametry obiektu i
wielkoci Q i R.
6. Wyniki eksperymentalne Na potrzeby bada zosta sporzdzony realny obiekt IWP,
ktry przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Widok obiektu zrealizowanego fizycznego.
Jednostk wykonawcz by niskoobrotowy silnik prdu staego.
Koo zamachowe wykonano ze zwykej stali, a wikszo
pozostaych elementw z aluminium. Do pomiaru pooenia
kontowego koa uyto enkoder inkrementalny posiadajcy 1800
impulsw na obrt. Zastosowano jednostk IMU (ang. Inertial
Measurement Unit) ADIS16355 firmy Analog Devices do
pomiaru odchylenia wahada od pionu. Zawiera ona trzyosiowy
akcelerometr i trzyosiowy yroskop. Na koniec estymowano
stan z pomoc rozszerzonego filtru Kalmana. Do zbierania
danych z czujnikw wykorzystano mikroprocesor ARM.
Nastpnie dane te kierowano do komputera klasy PC, w ktrym
dokonywano wszystkich oblicze.
Cay zrealizowany system automatycznej regulacji by w
stanie stabilizowa wahado w nieskoczonym horyzoncie
czasowym. Byo moliwe zakcanie ukadu, a tym samym
wychylanie go do 15 stopni.
7. Wnioski Poprawno rozwaania teoretyczno-symulacyjnych
zostaa udowodniona pozytywnym wynikiem eksperymentu.
Analitycznie wyznaczony wektor wzmocnie K, okaza si by
docelowym.
Regulator LQR dobrze nadaje si do stabilizacji obiektw
z natury nieliniowych. Jest moliwe poprawne funkcjonowanie
ukadu wok punktu linearyzacji, zwanej czsto ILQR (ang.
Iterative Linear Quadratic Regulator) [2][3].
Wejcie w stan nasycenia nie powoduje komplikacji w
procesie sterowania. Nie s wymagane dodatkowe kompensacje
uruchamiane w tego typu momentach.
Regulacja LQR pozwala zapanowa nad caym stanem
ukadu, co uatwia proces projektowania regulatora.
Literatura [1] Horla D., Sterowanie adaptacyjne wiczenia laboratoryjne, Wyd. III,
Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2010
[2] In-Won P., Bum-Joo L., Ye-Hoon K., Ji-Hyeong H. and Jong-Hwan K.,
Multi-objective Quantum-inspired Evolutionary Algorithm-based Optimal
Control of Two-link Inverted Pendulum, WCCI 2010 IEEE World Congress
on Computational Intelligence, July, 18-23, 2010 CCIB, Barcelona, Spain
[3] Li W. and Todorov E., Iterative linear quadratic regulator design for
nonlinear biological movement systems, in Proc. of Int. Conf. on
Informatics in Control, Automation and Robotics, Setubal, Portugal, Aug.
2004, pp. 18.
[4] Sauer P., Sterowanie procesami cigymi i dyskretnymi liniowe dyskretne
rwnania stanu, wykady, Politechnika Poznaska.
[5] Wang H., Dong H., He L., Shi Y., Zhang Y., Design and Simulation of
LQR Controller with the Linear Inverted Pendulum, International
Conference on Electrical and Control Engineering, China, 2010
[6] Yishao Z., Convergence of the Discrete-Time Riccati Equation to Its
Maximal Solution, Department of Mathematics Stockholm University,
Sweden, December 1996
[7] Zhang W., Hu J., On the Value Functions of the Optimal Quadratic
Regulation Problem for Discrete-Time Switched Linear Systems, 47th IEEE
Conference on Decision and Control, Cancun, Mexico, Dec. 9-11, 2008
[8] Zhang W., Hu J., Abate A., On the Value Functions of the Discrete-Time
Switched LQR Problem, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 54,
no. 11, November 2009
[9] Zhang B.,Wang J. G., The Analysis and Simulation of First-Order Inverted Pendulum Control System Based on LQR, Third International Symposium
on Information Processing, China, 2010
__________________________________________________________________
mgr in. Adam Owczarkowski
e-mail:
W 2011 roku ukoczy studia o kierunku Automatyka
i Robotyka na Wydziale Elektrycznym Politechniki
Poznaskiej. Od tego czasu, jest studentem studiw
doktoranckich na tej samej uczelni. Jego praca
gwnie skupia si na sensoryce opartej o technologi
MEMS, algorytmach sterowania robotw i
implementacji ich w systemach wbudowanych z
ukadami FPGA.
mgr in. Jarosaw Goliski
e-mail:
Ukoczy studia z tytuem magister inynier na
Politechnice Poznaskiej (2011). Od tego czasu, jest
studentem studiw doktoranckich na tej samej uczelni.
Zajmuje si gwnie sterowaniem robotw latajcych
(UAV), identyfikacj parametrw modelu oraz
obserwatorami stanu. Jego zainteresowania skupiaj
si rwnie w obszarze algorytmu roju, formowania
grup jednostek latajcych oraz ukadw cybernetyczno
fizycznych.
Warsztaty Doktoranckie 2012
13
OCHRONA KATODOWA ZBIORNIKW PODZIEMNYCH PRZED
KOROZJ
Agnieszka Wantuch
AGH, Akademia Grniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia EAIiE
Streszczenie. Niniejszy artyku opisuje metod obliczania gstoci prdu i potencjau w obrbie konstrukcji metalowych znajdujcych si w ziemi. Ochrona
antykorozyjna stalowych zbiornikw jest osigana dziki wykorzystaniu elektrod ochronnych. Symulacj wykonano w przestrzeni 3D.
Sowa kluczowe: korozja, ochrona katodowa
Sacrificial Cathodic Protection of Underground Objects
Abstract. The present article describes the method of computation of the current density and potential distribution around metallic structures buried in soil.
Protection against corrosion of the steel tank is attained by placing protecting electrode. The simulation was performed in 3D.
Keywords: corrosion, cathodic protection
Wstp Stal, dziki swoim waciwociom oraz stosunkowo
niskiej cenie, jest jednym z materiaw, ktre s
najczciej wykorzystywane w technice. Jednak poza
wieloma zaletami, posiada take dwie zasadnicze wady:
wikszo swoich cech mechanicznych traci w wyszych
temperaturach oraz nie jest odporna na korozj. Dlatego
koniecznym jest stosowanie ochrony przed korozj,
majcej na celu przede wszystkim zapewnienie
bezpiecznych warunkw eksploatacji i niezawodnoci
struktur metalowych. Zapobiega uszkodzeniom, ktre
mog zagraa ludziom i rodowisku.
Badania nad korozj wykazay, e najczciej
przebiega ona wedug mechanizmu elektrochemicznego i
chemicznego. Szybko korozji oglnej w ziemi i w
wodach naturalnych szacowana jest na poziomie 0,01
0,02 mm/rok [2].
Proces korozji mona zapisa reakcj chemiczn [1]: 2
2
2 2 2
Fe 2H Fe H
2Fe+O +2H O= 2Fe(OH)
W rodowisku obojtnym, powstajce aniony OH
cz si z kationami Fe2+ i powstaje Fe(OH)2, ktry
wytrca si w postaci osadu. Dalsze utlenienie Fe(OH)2
prowadzi do powstania hydratw Fe2O3nH2O,
tworzcych osad o charakterystycznym rdzawym
zabarwieniu.
Jedn z podstawowych prac z zakresu modelowania
korozji przemiennoprdowej jest artyku Nielsena i
Cohna [6], w ktrym przedstawiono zastpczy schemat
korodujcego ogniwa.
1. Ochrona przed korozj W procesie korozji wyrniamy dwa rodzaje reakcji
elektrochemicznych: anodow i katodow. Najwaniejsze
reakcje katodowe zwizane s z pojawianiem si H2 w
roztworach elektrolitw.
+ -
2
- -
2 2
2H +2e H
2H O+2e H +2OH
7ph
7ph
Zalenie od rodzaju korozji oraz charakteru
chemicznego czynnikw korozyjnych istnieje wiele
sposobw jej zapobiegania lub przynajmniej
zmniejszania skutkw. Za jedn z najbardziej
skutecznych metod ochrony przeciwkorozyjnej stali w
rodowiskach naturalnych uznawana jest ochrona
elektrochemiczna, wykorzystujca sposoby galwaniczne i
elektrolityczne. Najczciej stosowan metod
przeciwdziaania korozji jest ochrona katodowa, ktra
moe by stosowana do ochrony przed korozj wszelkich
obiektw metalowych oraz ze stopw, nawet czciowo
zniszczonych procesami korozyjnymi, znajdujcych si w
wodnym elektrolicie. Umoliwia ona zahamowanie
dalszych procesw korozyjnych i utrzymanie stabilnego
stanu w przyszoci.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat ochrony katodowej, ktr mona realizowa na dwa sposoby:
wykorzystujc anod protektorow lub zewntrzne rdo
prdu (napicia). W pierwszym przypadku chroniony
przedmiot jest katod ogniwa galwanicznego, ktrego
anod stanowi metal mniej szlachetny. W drugim
przypadku pomocnicza anoda jest wykonana najczciej
z materiau nieulegajcemu roztwarzaniu (Pt, Pb, C, Ni).
a) b)
Rys. 1. Schemat ochrony katodowej metalowych konstrukcji
podziemnych: a) z uyciem elektrody protektorowej i b) z
wykorzystaniem zewntrznego rda prdu staego.
2. Podstawowe rwnania Rozkad potencjau w elektrolicie opisuje rwnanie:
div grad 0 (1)
Rwnanie to rozpatrujemy uwzgldniajc warunki
brzegowe Neumana i Dirichleta:
n
1i
n
(2)
dane
r
(3)
gdzie jest powierzchni elektrody. Rwnanie (1) razem z warunkami brzegowymi (2) i
(3) rozwizano metod elementw skoczonych [4].
Zjawisko przeniesienia adunku na granicy metal
dielektryk opisane jest za pomoc rwnania Butlera-
Volmera [3].
a k oa k
( ) exp expi i i i
(4)
Warsztaty Doktoranckie 2012
14
gdzie: a
k(1 )
RT
nF
RT
nF
(5)
i0 gsto prdu wymiany [A/m2],
i gsto prdu na granicy metal-elektrolit,
V E0 nadpotencja danej elektrody [V], V potencja przeniesienia na elektrodzie korodujcej.
3. Obliczenia Trudnoci w projektowaniu ochrony katodowej przy
obecnoci zoonych struktur metalowych podziemnych
jest konieczno skoordynowania jej z ochron
odgromow oraz przeciwporaeniow. Zatem w ukadzie
takim stosuje sie rozwizania wywodzce si z koncepcji
lokalnej ochrony katodowej [5], zakadajcej, e
rurocigi poczone s z sieci uziemiajc oraz ze
zbrojeniami elbetu. W takiej sytuacji stosuje si ochron
prdem z zewntrznego rda.
W rozwaaniach uwzgldniono wystpowania w
bezporednim otoczeniu chronionego katodowo obiektu
innych metalowych przedmiotw i ich wpywu na
skuteczno jego ochrony, a przecie stosowanie tej
metody wie si z wystpowaniem tak zwanych prdw
bdzcych (rys. 2). Prdy te, pync przez metalowe
konstrukcje, zakcaj rozkad natenia pola
elektrycznego.
Rys. 2. Wystpowanie prdw bdzcych przy stosowaniu ochrony
katodowej.
Jako przykad do oblicze przyjto zbiornik
znajdujcy si pod ziemi, chroniony przed korozj
metod ochrony katodowej za pomoc dwch anod [7].
Przyjto nastpujce uproszczenia:
model izotermiczny i pod staym cinieniem,
przewodno materiau, z ktrego wykonane s
elektrody jest nieskoczenie dua,
charakterystyka polaryzacji dana rwnaniem Butlera-
Volmera.
Rys. 3. Geometryczne wymiary przykadowego problemu.
Konduktywno rury przyjto na poziomie 107 S/m,
natomiast przewodno ziemi 0,02 S/m. Zbiornik
wykonano z elaza, E0k 0,44 V, , a = k 0,2 V. Symulacje przeprowadzono dla dwch przypadkw:
1 brak metalowego obiektu w obrbie chronionego
zbiornika, 2 metalowy obiekt jest pooony poniej
zbiornika o 1 m.
Rysunki 4 i 5 przedstawiaj wykresy rozkadu gstoci
prdu oraz potencjau na obwodzie chronionej
konstrukcji. Wynika z nich, e pojawienie si
metalowego obiektu w obszarze, gdzie zastosowana jest
ochrona katodowa, powoduje wzrost wartoci gstoci
prdu chronicego zbiornik, a take wzrost napicia na
powierzchni ochronionego obiektu.
Rys. 4. Rozkad potencjau na
obwodzie chronionego zbiornika Rys. 5. Rozkad gstoci prdu
na obwodzie chronionego
zbiornika.
Prd wypywajcy z powierzchni metalowego
obiektu powoduje, e w tych miejsca nasili si korozja.
Dlatego w podobnych przypadkach, chronic jedn
konstrukcj, mona powodowa wzrost zjawiska korozji
na pobliskich metalowych obiektach. W przypadku, gdy
s to fragmenty pewnej wikszej instalacji, ochrona
katodowa moe stanowi dla niej powany problem.
Podobnie jak w przypadku ochrony z
wykorzystaniem anody galwanicznej, rwnie przy
ochronie z zewntrznym rdem prdu wida znaczcy
wpyw obiektu metalowego znajdujcego si w pobliu
chronionego obiektu na jako ochrony. Take
dodatkowy obiekt metalowy moe by naraony na
korozj.
Literatura [1] Praca zbiorowa: Ochrona elektrochemiczna przed korozj. Teoria i
praktyka, WNT, Warszawa 1991
[2] Dbrowski J., Mrwka M., Suwart C.: Specjalna stacja ochrony katodowej kompensujca oddziaywania prdw bdzcych, IX
Krajowa konferencja Polskiego Komitetu elektrochemicznej ochrony
przed korozj, 7-9.06.2006
[3] Jones, D.J.: Principles and prevention of corrosion, Mcmillan Publishing Company, N.Y., 1992
[4] Kurgan E., Soek M.: Distribution of the Corrosion Current Density in Inhomogeneous Soil, Proc. Internat. Conf. of Electromagnetic
Devices and Processes in Environment Protection, Naczw, 306-
315, 2003
[5] Markiewicz M., Zaborowska K.: Pomiary ochrony katodowej rurocigw na toczni gazu, Pomiary korozyjne w ochronie
elektrochemicznej, IX Krajowa Konferencja PKEOK, Zakopane, 7-
9. 06. 2006
[6] Nielsen L.V., Cohn P.: AC Corrosion and Electrical Equivalent Diagrams, CeoCor 2000, www.ceocor.lu, 1.03.2008
[7] Wantuch A.: Porwnanie oblicze trj- i dwuwymiarowych w analizie ochrony katodowej, IV Sympozjum PPEEm, Wisa 2011
Obwd metalowego obiektu [m]0 4 8 122 6 10
0.44000
0.44050
0.44100
0.44150
0.44200
0.44250
0.44025
0.44075
0.44125
0.44175
0.44225
Nap
ici
e na
pow
ierz
chn
i zb
iorn
ika
[V]
1
1
2
2
Obwd chronionego zbiornika [m]
Gs
to
pr
du
na
pow
ierz
chn
i zb
iorn
ika
[A/m
]2
0 4 8 122 6 10-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
-4
0.0
-3.5
-2.5
-1.5
-0.5
x10
1 1
2
2
Warsztaty Doktoranckie 2012
15
METODA ZBIORW POZIOMICOWYCH W TOMOGRAFII
IMPEDANCYJNEJ
Bartosz Waleska
1, Jan Sikora
1,2
1Instytut Elektrotechniki, ul. Poaryskiego 28, 04-703 Warszawa 2Instytutat Elektroniki i Technik Informacyjnych, Wydzia Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 38 A, 20 618 Lublin
Streszczenie. W artykule zaprezentowano poczenie metody elementw brzegowych i metody zbiorw poziomicowych w poszukiwaniu
nieznanego ksztatu w elektrycznej tomografii impedancyjnej. Pokazane zostao jak wyznaczy prdko na symulowanym brzegu, jak j rozszerzy i wykorzysta do przesunicia brzegu jak rwnie w jaki sposb reinicjowa funkcj poziomicow, ostatecznie przedstawiono
przykad identyfikujcy trzy obszary niejednorodne przy wykorzystaniu zbioru poziomicowego zawierajcego wiele poziomic zerowych.
Sowa kluczowe: metoda elementw brzegowych, MEB, metoda zbiorw poziomicowych, elektryczna tomografia impedancyjna, analiza pola
Set level method in electrical impedance tomography
Abstract. In this paper was presented coupling BEM and Set Level methods for identification of unknown shape of interface in electrical
impedance tomography (EIT). Its shown how determinate velocity, how extend it, how use it to move interface and finally how to reset level
function, finally is presented example showing identification three areas of heterogeneous using multi zero levels function.
Keywords: Boundary Element Method, BEM, Set Level Methods, electrical impedance tomography, field analysis
Wstp
Badanie pola podzieli mona zasadniczo na dwa
zagadnienia. Pierwsze obejmuje analiz i wystpuje
wtedy, gdy poszukiwana jest informacja o rozkadzie
pola w danym obszarze. Drugie zwizane jest z
zagadnieniem zadania odwrotnego (ang. inverse
problem). Polega ono na wyznaczeniu np. ksztatu
obiektu przy znanym wspczynniku materiaowym. Na
brzegu (powierzchni) badanego obiektu zostaj
umieszczone elektrody. Poprzez polaryzacj pary z nich, wymusza si przepyw prdu przez obiekt, na
pozostaych elektrodach rejestruje si wartoci rozkadu
potencjau. Na podstawie uzyskanych wynikw
pomiarw za pomoc algorytmw dokonuje si
rekonstrukcji obrazu struktury wewntrznej.
4. Metoda Zbiorw Poziomicowych, niejednorodnoci strefowe
Metoda zbiorw poziomicowych (ang. LSM Level
Set Method) jest numeryczn metod przeznaczon do
ledzenia przesuwajcego si brzegu w kartezjaskim
ukadzie wsprzdnych bez koniecznoci jego
parametryzowania. Zastosowanie metody pozwala na
atwe ledzenie topologii brzegu, ktry dynamicznie si
zmienia [3].
Realizacj rekonstrukcji pola badanego obiektu
wykonano w oparciu o numeryczn Metod Elementw
Brzegowych (MEB, ang. Bounduary Element Method
BEM). Gwn zalet MEB jest dyskretyzacja jedynie
brzegu obszaru, co oznacza skrcenie czasu oblicze.
Przykad zoonej niejednorodnoci strefowej zosta
pokazany na rys. 1.
Przypadek przedstawiony na rysunku 1 mona opisa
ukadem rwna rniczkowych wykorzystujc funkcj
Greena:
Rys. 1 Przykad struktury niejednorodnej zoonej, wewntrz obszaru
1 ograniczonej brzegiem 1 znajduj si dwa obiekty
wewntrzne: 2 ograniczony brzegiem 2 oraz 3 ograniczony
brzegiem 3
(1) (1)(1) (1) (1)
(1) (1) (1) (1) (1) (1)1 2 3 1 2 3
(2) (2)(2) (2) (2)
(2) (2)
(3) (3)(3) (3) (3)
(3) (3)
Gc d G d
n n
Gc d G d
n n
Gc d G d
n n
(2)
Przy czym warto wspczynnika c :
1,
0.5,
0,
jeeli punkt ley wewntrzobszaru
c jeeli punkt ley na brzeguobszaru
jeeli punkt ley na zewntrzobszaru
(3)
Caki krzywoliniowe oznaczono nowymi zmiennymi:
ij
GA d
n
(4)
ijB Gd
(5)
Stosujc nowe oznaczenie:
,
,
ij
ij
ij i
A i jA
A c i j
(6)
Ukad rwna (2) mona zapisa w postaci macierzowej:
Warsztaty Doktoranckie 2012
16
1
1
1 12
1 1 1 1 1 1
11 2 2 3 3
2 2 1
2 2 12
3 3 13 3 3
1
3
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0
nA A B A B
A B Bn
A B
n
(7) Rwnanie stanu wyraone jest przez rwnanie Laplacea:
2 0 (8) Rwnanie sprzone do rwnania stanu wyraone jest
przez rwnanie Poissona w postaci:
0u (9)
Przyjmujc warunki brzegowe:
1 2 30, (10)
Zapis macierzowy rwnania sprzonego jest
nastpujcy: 1
1
1
2
1 1 1 1 1 1
1 2 2 3 3
2 2
2 2 2
3 3 13 3 3
1
3
0 0 0 0
0 0 0 0
T
fA A B A B
A B n
A B
n
(11)
Przy czym warto f
wyznaczono jako rnic
potencjaw w poszczeglnych elektrodach w ukadzie
symulowanym i pomiarowym:
,
0,
ij iju dla elektrod napiciowych
dla elektrod prdowychf
(12)
Przy czym ij oznacza potencja wyliczony w trybie
symulacji w j -tej projekcji w i elektrodzie, analogicznie
uij oznacza potencja zmierzony w ukadzie
rzeczywistym w j -tej projekcji w i elektrodzie.
Ostatecznie prdko w kierunku normalnym w
poszczeglnych wzach na ruchomym brzegu 2 i 3
wyznaczono:
1 1
2, , 2, ,
p
n ni j i jjnVi p
(13)
5. Przykad numeryczny Na rysunku 2 przedstawiono zdjcie rentgenowskie
obrazujce trzy obszary niejednorodne objte
krwotokiem oraz na rysunku 4 odniesienie tych obszarw
jako struktury przeznaczonej do symulacji numerycznych
(zaznaczone niebiesk przerywan lini).
Do identyfikacji zaznaczonych niejednorodnoci
strefowych wykorzystano zbir poziomicowy
posiadajcy dziewi obiektw ograniczonych
poziomicami zerowymi (rysunek 3). Podczas badania
przyjto dyskretyzacj 16 elementow, powierzchni
obiektu do wyczenia ze zbioru poziomicowego
okrelono na 0,5.
Rys. 2 Zdjcie rentgenowskie obrazujce trzy obszary niejednorodne
objte krwotokiem
Rys. 3 Wygld zbioru poziomicowego z 9 poziomicami zerowymi
Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono poszczeglne kroki
dziaania programu. W 300 kroku iteracji wystpujce
niejednorodnoci zostay wykryte.
Rys. 4 Krok 1 Rys. 54 Krok 300 koniec symulacji
Literatura [1] Berowski P.,Stasiak M. Sikora J.: Optymalne projektowanie ksztatu
metod zbiorw poziomicowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, no.
233, pp. 2230, 2007.
[2] Chen W., Cheng J., Lin J., Wang L.: A level set method to reconstruct the discontinuity of the conductivity in EIT. Science in
China Series A: Mathematics, vol. 52, no. 1, pp. 2944, 2009.
[3] Fedkiw R., Osher S., Level Set Methods and Dynamic Implicit Surfaces, Springer-Verlag, Nowy Jork, 2003
[4] Jaboski P., Metoda elementw brzegowych w analizie pola elektromagnetycznego, Wydawnictwo Politechniki Czstochowskiej,
Czstochowa, 2003.
[5] Ito K., Kunisch K., Li Z.: Level-set function approach to an inverse interface problem. INVERSE PROBLEMS, no. 17, pp. 12251242
[6] Sikora J., Numeryczne metody rozwizywania zagadnie brzegowych: Podstawy metody elementw skoczonych i metody
elementw brzegowych, Politechnika Lubelska, Lublin, 2011.
[7] Sikora J., Algorytmy numeryczne w tomografii impedancyjnej i wiroprdowej, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa, 2000
[8] Waleska B.: Analiza pola w strukturze niejednorodnej metod elementw brzegowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, no. 238, pp.
121133, 2008
[9] Waleska B.: Coupling boundary element method and set level methods for interface problems. Informatyka, Automatyka, Pomiary
w Gospodarce i Ochronie rodowiska, no. 3, pp. 1723, 2011
Mgr in. Bartosz Waleska
e-mail: [email protected]
Absolwent wydziau elektrycznego Politechniki
Warszawskiej kierunku Automatyka i Robotyka. W
chwili obecnej, autor jest pracownikiem dziau
Badawczo-Rozwojowego duej polskiej firmy
zwizanej z przemysem petrochemicznym.
Uczestnik Studiw Doktoranckich Instytutu
Elektrotechniki w Midzylesiu.
Warsztaty Doktoranckie 2012
15
ANALIZA PORWNAWCZA OPACALNOCI INWESTYCJI W
RDA ENERGII ODNAWIALNEJ
Damian Guchy1
1Politechnika Poznaska , Wydzia Elektryczny
Streszczenie. W pracy przedstawiono trzy rne typy instalacji opartych na rdach odnawialnych umoliwiajcych generacj energii
elektrycznej. Dokonano porwnania parametrw technicznych wybranych rozwiza. Wyznaczono warto uzyskanej energii elektrycznej w
czasie przewidywanego uytkowania instalacji generacyjnej. Sformuowano wady i zalety kadego rozwizania oraz zaproponowano przestrze typu obiektw, dla ktrych mona je wprowadzi do uytkowania.
Sowa kluczowe: panel fotowoltaiczny, analiza porwnawcza, instalacja PV
The Comparative analysis of the profitability of investments in the renewable energy source
Abstract. The paper presents three different types of installations based on renewable resources enabling generation of electricity. Made a comparison of the technical parameters of the selected solutions. The value of electricity generated during the anticipated use of the
generation plant. Formulated advantages and disadvantages of each solutions and proposed area for the object types which can be put
into use.
Keywords: photovoltaic panel, comparative analysis, PV installation
Wstp
Na przestrzeni ostatniego dziesiciolecia znaczenie
energii elektrycznej pozyskiwanej z odnawialnych rde
znacznie si zwikszyo. Wynika to przede wszystkim ze
wzrastajcego deficytu energetycznego na wiecie,
zwizanego z intensywnym rozwojem gospodarki.
Jednoczenie zauway mona silne naciski polityczno-
spoeczne, aby nowo wyprodukowana energia bya
bardziej ekologiczna. Tym samym wzrasta udzia
odnawialnych rde energii w rynku energetycznym. W
zalenoci od wyboru metody pozyskiwania energii,
rozway naley wszystkie wady i zalety danego
rozwizania.
W niniejszym artykule skupiono si na okreleniu
kluczowych czynnikw determinujcych opacalno
inwestycji, opartej na rnego rodzaju technologiach
ekologicznego pozyskiwania energii. Przeprowadzono
rwnie analiz ekonomiczn wybranych instalacji OZE
(odnawialnych rde energii).
1. Energetyka odnawialna w Polsce Naciski na wytwarzanie energii ze rde
odnawialnych s rwnie wane z punktu widzenia
ekologii jak ekonomii. Kurczce si zasoby paliw
kopalnianych zmuszaj poszczeglne pastwa do
rozwoju OZE. Tego typu prace ju teraz przynosz
znakomite efekty w postaci zwikszenia efektywnoci
generacji i spadku cen instalacji generacyjnych, co
przekada si na zwikszenie ich wykorzystania na
wiecie. Rwnie w Polsce (tabela 1) odnotowano wzrost
iloci energii oraz udziau OZE w sumarycznym zuyciu
energii elektrycznej.
Tabela 1. Udzia energii elektrycznej z OZE w krajowym zuyciu energii
elektrycznej brutto w latach 2005-2009 [1]
2005 2006 2007 2008 2009
Produkcja
energii
elektrycznej w
OZE [TWh]
3,761 4,222 5,230 6,447 8,594
Zuycie energii
elektrycznej w
Polsce [TWh]
145,7 150,8 154,0 153,4 149,5
Udzia energii
elektrycznej
wytworzonej w
OZE [%]
2,58 2,80 3,40 4,20 5,75
Odpowiada to polityce energetycznej, jak Polska
przyja do roku 2030. Zakada ona, e zwikszenie
uniezalenienia Polski od dostaw energii z zagranicy w
duym stopniu uzyskana zostanie poprzez rozwj
energetyki odnawialnej. Ponadto wykorzystanie OZE
zwikszy stopie dywersyfikacji rde energii oraz
stworzy warunki do rozwoju energetyki rozproszonej
opartej na lokalnie dostpnych surowcach. Stworzenie
wielu niewielkich jednostek wytwrczych, bdcych w
bliskim otoczeniu odbiorcy, nie tylko podniesie lokalne
bezpieczestwo energetyczne, ale przede wszystkim
zmniejszy straty przesyowe. Tym samym rozwj
energetyki odnawialnej ma istotne znaczenie dla
realizacji podstawowych celw polityki energetycznej
Polski [2,3].
2. Kryteria doboru i konfiguracji instalacji PV Rozpatrujc instalacje wyposaone w odnawialne
rda energii, naley uwzgldni wiele czynnikw
determinujcych dug i poprawn, a przede wszystkim
wydajn prac. Dobierajc elementy takiego ukadu,
oprcz okrelenia sposobu wykonania ogniw
fotowoltaicznych, naley uwzgldni pozostae czynniki
takie jak:
powierzchnia do montau ogniwa,
wielkoci produkowanej energii,
zapotrzebowanie energetyczne urzdze,
sposb wykorzystania energii. Powysze kryteria musz by dobrane z uwzgldnieniem
najwaniejszego czynnika, czyli sposobu wsppracy
instalacji z sieci elektroenergetyczn. To od niego
zaley opacalno inwestycji.
Wyrnia si systemy pracujce w trybie on-grid, off-
grid oraz autonomiczne z podczeniem do sieci
publicznej
3. Porwnanie danych technicznych oraz analiza opacalnoci przykadowych instalacji opartych na
PV
Na rynku mona znale wielu producentw i ofert
sprzeday kompletnych instalacji opartych na panelach
fotowoltaicznych. Rni si one nie tylko mocami i
technologiami produkcji ogniw, lecz take sposobami
wsppracy z sieci elektroenergetyczn czy te
moliwoci magazynowania energii. Mnogo ofert
Warsztaty Doktoranckie 2012
16
wraz z poprawnym uwzgldnieniem warunkw pracy
pozwala wybra takie rozwizanie, ktre bdzie
najbardziej korzystne nie tylko z punktu widzenia
energetycznego, lecz przede wszystkim finansowego. Do
analizy porwnawczej wybrano trzy kompletne instalacje
rnych producentw. W tabeli 2 zostay zebrane ich
podstawowe parametry. W dalszej czci pracy
poszczeglne instalacje bd okrelane mianem
WARIANT I, WARIANT II, WARIANT III; adekwatnie
do nazw przyjtych w tabeli. W rozwaaniach, w celu
uproszczenia, pominito zarwno wszelkie formy
dodatkowego finansowania tego rodzaju inwestycji jak i
koszty zwizane z jej eksploatacj na przestrzeni 25 lat.
WARIANT I, oparty na amorficznych panelach
fotowoltaicznych, przeznaczony jest do pracy w trybie
oddawania caoci energii do sieci. Cay zestaw
gwarantuje generacj mocy na poziomie co najmniej
90 % po 12 latach i 80 % po 25 latach eksploatacji.
Szacowana przez producenta roczna produkcja energii
okrelana jest na okoo 4,1 MWh. Zakadajc, e
rozpatrywana instalacja bdzie pracowaa nieprzerwanie
przez 25 lat, z uwzgldnieniem zmniejszania
generowanej mocy co roku o 1 % do wczeniej
przedstawionych progw gwarantowanych, wygeneruje
ona w przyblieniu ponad 91 MWh. Przy cenie energii (z
odnawialnych rde i zielonych certyfikatw z 2011
roku) na poziomie 470,24 z/MWh, inwestycja
wygeneruje blisko 43 tys z. zysku. Koszt analizowanego
zestawu to wydatek nieprzekraczajcy 30 tys. z.
Tabela 2. Dane techniczne poszczeglnych instalacji fotowoltaicznych
[5,6]
WARIANT I WARIANT II WARIANT III
Elektrownia
soneczna on-
grid 4 kW
KANEKA
Zestaw zasilania
sieciowego
on-grid 2.35kW
Zestaw
autonomicznego
zasilania
0,94kW
Specyfikacja
zestawu
42 x moduy
KANEKA HB95
10 x moduy Vet
P 235Wp
4 x moduy Vet P
235Wp
Falownik KACO
Powador 4202
inwerter
SMA SB
2100TL
inwerter Victron
Energy C24/1600
2 x akumulatory
220Ah
regulator
adowania CXN
40
Technologia
wykonania
krzem
amorficzny krzem polikrystaliczny
Wymiary
moduy
fotowoltaiczn
ego [mm]
1210x1008x40 1685x993x50
Gwarantowa
na nominalna
moc baterii
sonecznych
[kW]
3,99 2,35 0,94
Szacowana
roczna
produkcja
energii
[kWh]
4100 2232,5 893
Napicie
sieci [V] 230
Czstotliwo
sieci [Hz] 50
Tryb pracy on-grid;
cao energii do sieci
on-grid;
energia na
potrzeby
wasne
on-grid;
energia
tylko na
potrzeby
wasne
Cena [z] 28 597,50 28 000 18 950
WARIANT II oparty na panelach wykonanych z
ogniw polikrystalicznych, przeznaczony jest do generacji
energii przede wszystkim na potrzeby wasne. Nadwyki
zostaj przesane do sieci, natomiast wszelkie niedobory
musz by uzupeniane poprzez zakup energii od
dystrybutora.
Cay zestaw gwarantuje generacj mocy na poziomie co
najmniej 90 % po 10 latach i 80 % po 25 latach
eksploatacji. Szacowana przez producenta roczna
produkcja energii okrelana jest na okoo 2,2325 MWh.
Przyjmujc zaoenia jak poprzednio instalacja ta
wygeneruje w przyblieniu prawie 50 MWh. Wartoci tej
energii nie mona jednoznacznie okreli, co wynika
przede wszystkim z charakteru instalacji. W najmniej
opacalnym scenariuszu cao wygenerowanej energii
bdzie odsprzedawana do sieci co wygeneruje zysk na
poziomie ponad 23 tys. z. Jeli natomiast nasza instalacja
bdzie tak dobrana do obiektu, e cao wygenerowanej
energii bdzie wykorzystywana, to na jej warto bdzie
skadaa si w przyblieniu cena energii elektrycznej oraz
opata za usug dystrybucji. Przyjmujc, czn
oszczdno na kadej kWh na poziomie 0.55z/kWh [4]
oraz uwzgldniajc coroczny wzrost ceny energii
elektrycznej o 6%, wyprodukowana energia bdzie warta
prawie 45 tys. z. Jak wynika z powyszych oblicze
opacalno inwestycji w duej mierze zaley od
poprawnego doboru instalacji do zasilanego obiektu.
Koszt analizowanego zestawu to wydatek 28 tys. z.
WARIANT III oparty na strategii autonomicznego
zasilania obiektu ma najgorsz relacj ceny do iloci
wytworzonej energii. Jego gwn zalet jest natomiast
moliwo gromadzenia energii oraz jej wykorzystania w
innym dowolnym momencie. Postpujc w obliczeniach
analogicznie jak w poprzedniej instalacji, tzn.
uwzgldniajc zmniejszenie sprawnoci oraz oszczdno
na kosztach wytworzenia i dystrybucji energii; okazuje
si, e inwestycja pozwoli wygenerowa energi wart
blisko 19 tys. z. Warto ta jest identyczna z kosztami
przedsiwzicia co, uwzgldniajc spadek wartoci
pienidza, sprawia, e inwestycja wydaje si by
nieopacalna. Oczywicie, w przypadku autonomicznego
systemu zasilania, naley pamita o oszczdnociach
zwizanych z kosztami przycza, ktre czsto
zniechcaj. Naley rwnie uwzgldni przypadek, w
ktrym brak jest jakiejkolwiek moliwoci dostpu do
sieci elektroenergetycznej. W takich okolicznociach
jedynym sposobem dostarczenia energii jest ukad typu
off-grid.
4. Wnioski Kryzys energetyczny, jaki ma miejsce w ostatnich
latach, skania do inwestowania w odnawialne rda
energii. Spory potencja tkwi w ogniwach
fotowoltaicznych i ich odpowiednim wykorzystaniu.
Zarwno producenci jak i uytkownicy zaczynaj
dostrzega korzyci z generacji przyjaznej rodowisku.
Dodajc do tego dynamiczny rozwj technologii
zwizanej z odnawialnymi rdami i zwikszenie
sprawnoci ich generacji, uzyskuje si kompletne
instalacje, ktrych opacalno stale ronie.
Przedstawione rozwaania potwierdzaj, jak wielkie
znaczenie ma dobr odpowiedniego sposobu zasilania z
ogniw fotowoltaicznych w stosunku do ukadu
wykorzystujcego energi. Wymienionym instalacjom
mona przypisa szereg zalet i wad, ktrych wiadomo
przekada si na wiksz opacalno inwestycji.
Warsztaty Doktoranckie 2012
17
WARIANT I to instalacja stosunkowo prosta w swej
konstrukcji, pozwalajca wygenerowa spor ilo
energii. Takie rozwizanie jest idealne dla wszystkich
osb, ktre chc zainwestowa swoje oszczdnoci i mie
pewny zwrot kapitau. Po uruchomieniu tego typu
instalacji obowizki inwestora sprowadzaj si
praktycznie tylko do okresowych przegldw.
WARIANT II pozyskiwania energii ju na wstpie
wymaga odpowiedniego doboru ukadu odbiorczego. Jak
wynika z oblicze, najwiksz opacalno uzyskuje si,
gdy cao wytworzonej energii zostaje spoytkowania na
potrzeby wasne. Analizujc krzywe uzysku energii ze
rde fotowoltaicznych w skali roku zauway mona,
e idealny odbir bdzie cechowa si duym
zapotrzebowaniem na moc w okresie letnim w godzinach
okoo-poudniowych. Ponadto instalacja pozwala
bilansowa wszelkie niedobory i nadwyki energii z
sieci elektroenergetyczn.
WARIANT III instalacji ju podczas wstpnych
oblicze znalaz si poniej progu opacalnoci. Nie
zmienia to faktu, e w przypadku braku moliwoci
przyczenia do sieci elektroenergetycznej istnieje
moliwo pozyskiwania energii praktycznie w tej samej
cenie, a w znacznie bardziej ekologiczny sposb.
Przedstawione informacje mog posuy
potencjalnym inwestorom do wykonania oceny
techniczno-ekonomicznej instalacji fotowoltaicznej
rnego typu.
W pracy nie poruszono zagadnie zwizanych z
dodatkowymi formami finansowania instalacji
odnawialnych rde energii.
Literatura
[1] Raport okrelajcy cele w zakresie udziau energii
elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych rdach
energii znajdujcych si na terytorium
Rzeczypospolitej Polskiej, w krajowym zuyciu
energii elektrycznej na Lata 2010-2019, Ministerstwo
Gospodarki, Warszawa 2011.
[2] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku,
Ministerstwo Gospodarki, Warszawa 2011.
[3] Kowalska A., Wilczyski A., rda rozproszone w
systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo
KAPRINT, Lublin 2007.
[4] http://www.enea.pl dn.15.05.2012r.
[5] http://sklep.rotero.pl dn. 16.05.2011r.
[6] http://sg-systems.pl dn. 22.05.2011r.
Mgr in. Damian Guchy
e-mail: [email protected]
Obszarem zainteresowa autora s tematy zwizane z
zasilaniem budynkw inteligentnych oraz
odnawialnymi rdami energii. Szczegln uwag
skupia na systemach zasilania hybrydowego
zoonego z turbin wiatrowych oraz systemw PV.
Jako student Studiw Doktoranckich na kierunku
Nowoczesna Inynieria Elektryczna i Informacyjna
oraz pracownik Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki
Przemysowej Politechniki Poznaskiej zaprezentowa
wiele ciekawych publikacji na konferencjach
krajowych i midzynarodowych
Warsztaty Doktoranckie 2012
18
ZASTOSOWANIE MULTIMODALNEJ KLASYFIKACJI W
ROZPOZNAWANIU STANW EMOCJONALNYCH NA PODSTAWIE
MOWY SPONTANICZNEJ
Dorota Kamiska Politechnika dzka , Wydzia ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI, INFORMATYKI I AUTOMATYKI
Streszczenie. Artyku prezentuje zagadnienie zwizane z rozpoznawaniem stanw emocjonalnych na podstawie analizy sygnau mowy. Na
potrzeby bada stworzona zostaa polska baza mowy spontanicznej, zawierajca wypowiedzi kilkudziesiciu osb, w rnym wieku i pci. Na
podstawie analizy sygnau mowy stworzono przestrze cech, ktr kolejno poddano selekcji. Klasyfikacj stanowi multimodalny mechanizm rozpoznawania, oparty na algorytmie k-NN. rednia poprawno rozpoznawania wynosi 62%.
Sowa kluczowe: rozpoznawanie emocji, sygna mowy, algorytm k-NN.
Spontaneous emotion recognition from speech signal using multimodal classification.
Abstract. The article presents the issue of emotion recognition from a speech signal. For this study, a Polish spontaneous database, containing speech from people in different age and gender, was created. From the speech signal features were determined and subjected to selection. The process of recognition was based on multimodal classification, related to k-NN algorithm. The average of accuracy
performance is up to 62%.
Keywords: emotion recognition, speech signal, k-NN algorithm.
Wstp W komunikacji midzyludzkiej sygna mowy, poza
przekazem semantycznym, niesie ze sob informacje
dotyczce stanu emocjonalnego mwcy. W celu
polepszenia komunikacji czowiek-komputer/czowiek-
robot (HCI/HRI) powstaj systemy rozpoznawania
emocji, dziki czemu staaby si ona bardziej naturalna i
wiarygodna. Dotychczasowe badania opieraj si gwnie
na prbkach mowy odegranej, w ktrej zdefiniowane jest
konkretne zabarwienie emocjonalne gosu. Uzyskiwane
s w ten sposb bardzo dobre wyniki rozpoznawania.
Jednake spontaniczna mowa moe stanowi zbir
rnych emocji bd ich mieszanin [3]. Zdarza si, e
etykietowanie mowy przez ludzkich decydentw stanowi
problem, a emocje s przez nich rnie identyfikowane
[1]. Dlatego tworzc system, ktry miaby dziaa w
warunkach naturalnych, naley wzi pod uwag
zoono emocji zawartych w mowie spontanicznej.
Przedmiotem niniejszych bada jest opracowanie
systemu realizujcego identyfikacj stanu emocjonalnego
mwcy. Podczas eksperymentw dokonano porwnania
cech reprezentujcych zarwno mow spontaniczn jak i
odegran przez profesjonalistw oraz ich wpyw na
identyfikacj emocji naturalnych. Biorc pod uwag
zoono emocji w mowie spontanicznej oraz ich
zmienno w trakcie wypowiedzi, zaproponowano
multimodalny proces klasyfikacji.
Pozostaa cz niniejszej pracy zostaa podzielona
na cztery rozdziay. Pierwszy rozdzia prezentuje krtki
przegld literatury. Bazy mowy wykorzystane w
niniejszych badaniach opisane s w rozdziale 2. Nastpny
rozdzia prezentuje przegld metod i algorytmw
badawczych wykorzystanych w badaniach. W rozdziale
4. opisane zostao autorskie podejcie do klasyfikacji
emocji w mowie naturalnej. Rozdzia 5. stanowi krtkie
podsumowanie wykonanych bada oraz przysze kierunki
rozwoju.
1. Przegld literatury Prace nad systemem rozpoznajcym emocje
rozpoczynaj si od zgromadzenia odpowiedniej bazy
plikw dwikowych. Wikszo naukowcw korzysta z
gotowej, oglnodostpnej bazy prbek nacechowanych
emocjami tzw. Berlin Database [5]. S to nagrania
dziesiciu profesjonalnych aktorw (kobiet i mczyzn),
wypowiadajcych dziesi zda w siedmiu rnych
stanach emocjonalnych (zo, strach, zadowolenie,
smutek, obrzydzenie, znudzenie, mowa neutralna). Inni
nagrywaj dwiki z audycji radiowych, filmw czy
programw telewizyjnych.
Kolejn faz automatycznego rozpoznawania jest
dobr odpowiednich cech. Zasadniczo zbir
deskryptorw powszechnie stosowanych do analizy
mowy spenia si rwnie przy rozpoznawaniu emocji.
Wikszo naukowcw opiera swoje badania o
czstotliwo podstawow, formanty, energi sygnau i
prozodia. Czasami sigaj jednak do bardziej zoonych
cech, jak wspczynniki MFCC, ktre s standardem w
rozpoznawaniu mowy [2].
Na podstawie zgromadzonych cech tworzone s
wektory cech uywane w nastpnym kroku
klasyfikacji. Metody klasyfikacji to narzdzia
standardowe, ale ich dobranie jest rwnie wanym
elementem. Spord prostych statystycznych metod
najczciej uywany jest algorytm k-NN, ktry daje
bardzo dobre wyniki. Z bardziej zaawansowanych metod
najwiksz popularnoci ciesz si ukryte modele
Markowa oraz coraz czciej wykorzystywane sztuczne
sieci neuronowe. Najczciej jednak dokonywane jest
porwnanie skutecznoci kilku metod.
2. Bazy mowy Na potrzeby niniejszych bada stworzona zostaa
polska baza mowy spontanicznej nacechowanej
emocjami. Gwnym rdem nagra s programy
telewizyjne i audycje radiowe. Zebrano ponad 500 nagra
o czasie trwania kilka-kilkanacie sekund pochodzcych
od kilkudziesiciu osb w rnym wieku i rnej pci.
Nagrania zapisano w formacie PCM WAVE 44,1 kHz.
Na podstawie skompletowanych nagra, omiu
decydentw dokonao ich klasyfikacji w sze
podstawowych grup (klas) emocji: rado (H), smutek
(S), zo (A), strach (F), znudzenie (B) oraz mowa
neutralna (N). W ten sposb dokonano selekcji nagra
niejednoznacznie okrelanych. Ostatecznie wybrano 300
nagra ocenionych jednoznacznie. Zachowano
proporcjonalny rozkad prbek na dane grupy.
Warsztaty Doktoranckie 2012
19
Dodatkowo dokonano porwnania jakoci
klasyfikacji emocji spontanicznych oraz odegranych. W
tym celu zastosowano rwnie polsk baz emocji
udostpnian przez Zakad Elektroniki Medycznej
Politechniki dzkiej. Stanowi ona zbir 240 nagra
piciu rnych zda wypowiadanych przez omiu
aktorw (4 kobiety, 4 mczyzn). Zbir podzielono na te
same grupy emocji, co baza opisana powyej [6].
3. Metody i algorytmy badawcze Z wyselekcjonowanych prbek mowy wyznaczono
parametry sygnau szeroko stosowane w rozpoznawaniu
mowy ludzkiej. Wrd nich znalazy si midzy innym:
parametry statystyczne wyznaczone z czstotliwoci podstawowej sygnau F0;
energia sygnau;
pooenie i szeroko pasm formantw F1-F4;
parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw mel-cepstralnych MFCC;
parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw PLP;
parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw LPC;
informacja o dwicznoci i tempie mowy oraz inne parametry jakoci gosu.
Na podstawie wymienionych grup parametrw,
stworzone zostay oddzielne wektory cech, ktre kolejno
poddano sekwencyjnej selekcji postpujcej, w celu
zmniejszenia ich licznoci.
Do klasyfikacji multimodalnej, szerzej opisanej w
nastpnym rozdziale, wykorzystano algorytm k
najbliszych ssiadw. Klasyfikacja obiektu dokonywana
jest poprzez liczenie odlego midzy reprezentujcym
go wektorem cech, a wszystkimi wektorami zbioru
treningowego. Do obliczenia odlegoci w niniejszej
pracy uyta zostaa metryka Manhattan. Nowy obiekt
zaliczany jest do tej klasy, ktra jest najczciej
reprezentowana wrd k najbliszych obiektw zbioru
treningowego. Algorytm ten daje moliwoci nieliniowej
separacji klas, mimo prostoty, jest efektywny
obliczeniowo oraz pomocny w rozwizaniu zoonych
problemw [4].
4. Proponowany system rozpoznawania emocji Typowy algorytm przetwarzania sygnau na potrzeby
rozpoznawania emocji skada si z trzech podstawowych
elementw. Pierwszym elementem jest wstpna obrbka
sygnau, ktr w niniejszej pracy stanowi jedynie
odszumianie nagra. Nastpnie tworzona jest przestrze
cech, na podstawie ktrej jest przeprowadzane
rozpoznawanie. Ostatni etap stanowi klasyfikacja, czyli
okrelenie do jakiej klasy naley badany obiekt.
Biorc pod uwag moliwo zmiany zabarwienia
emocjonalnego w czasie, algorytm klasyfikacji,
przedstawiony na rysunku nr 1, skada si z czterech
elementw. Pierwsz z nich stanowi podzia wypowiedzi
na trzy rwne czci: pocztek, rodek i koniec.
Nastpnie kada cz jest poddana osobnej klasyfikacji
przy uyciu klasyfikatora k-NN. Naley podkreli, i
proces ten rwnie zosta podzielony na oddzielne
elementy, a ich liczno odpowiada licznoci rnych
grup parametrw szerzej opisanych w poprzednim
rozdziale. Wyjcie z pierwszego etapu klasyfikacji
stanowi wejcie do kolejnego, jakim jest gosowanie. Na
podstawie licznoci klas wskazanych przez klasyfikatory
w danej czci wypowiedzi, wybierana jest najliczniejsza.
Kolejny etap to kolejne gosowanie ju w obrbie
konkretnych klas na caej dugoci wypowiedzi. W
wyniku tego gosowania uzyskujemy prognoz.
Rys. 1. Algorytm klasyfikacji
Badania przeprowadzono w trzech grupach,
podzielonych ze wzgldu na typy zbiorw uczcych i
testowych:
baza emocji odegranych stanowi zbir uczcy i testowy (grupa I);
baza emocji odegranych stanowi zbir uczcy, za baza emocji spontanicznych zbir testowy
(grupa II);
baza emocji spontanicznych stanowi zbir uczcy i testowy (grupa II).
W grupach, ktrych zbir testowy i treningowy
stanowi ta sama baza (grupa I i III) jako metod testw
zastosowano walidacj krzyow. Jednoczenie (rwnie
w przypadku grupy I i III) zadbano, by w zbiorze
testowym nie pojawiay si nagrania mwcw, ktrzy
byli w zbiorze uczcym, otrzymujc w ten sposb
warunek rozpoznawania niezaleny od mwcy. W
przypadku grupy II warunek ten jest automatycznie
speniony. Wartoci rednie rozpoznawania dla trzech
wyej opisanych grup przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Wyniki klasyfikacji emocji
Nr grupy redni wynik klasyfikacji dla
danej grupy
I 78%
II 58%
III 62%
5. Wnioski Jak pokazuj badania, rozpoznawanie emocji w
gosie jest zadaniem trudnym, a pki co osigane
rezultaty dalekie s od ideau. Ocena stanu
emocjonalnego na podstawie mowy stanowi problem
nawet dla czowieka. Szczeglnie trudnym, cho bardzo
wanym, zagadnieniem jest rozpoznawanie emocji w
mowie spontanicznej. Zgodnie z oczekiwaniami w
przeprowadzonych badaniach wyniki klasyfikacji grupy
I, zawierajcej zarwno w zbiorze testowym jak i
treningowym staranne nagrania aktorskie, okazay si
wyranie lepsze ni tej, zawierajcej nagrania mowy
spontanicznej. Przyczyna tkwi zarwno w zoonoci
mowy naturalnej (zmiana zabarwienia emocjonalnego w
trakcie wypowiedzi oraz moliwo wystpienia kilku
emocji w tym samym czasie) jak rwnie w
subiektywnym charakterze odbioru emocji. Osignite
wyniki pokazuj, e wykorzystany algorytm okaza si
Warsztaty Doktoranckie 2012
20
przydatny do rozpoznania stanw emocjonalnych w
mowie spontanicznej
Naturalnym kierunkiem rozwoju prowadzonych
bada jest przede wszystkim sprawdzenie moliwoci
innych algorytmw klasyfikacji jak rwnie analiz
innych parametrw sygnau mowy. By moe dobrym
krokiem byoby poczenie systemu analizujcego
sygna mowy z analiz semantyczn wypowiedzi.
Literatura [1] Izdebski K.: Emotions in the Human Voice Volume I
Foundations, October 15, 2007
[2] Niewiadomy D., Pelikant A.: Digital Speech Signal
Parameterization by Mel Frequency Cepstral
Coefficients and Word Boundaries.
[3] Plutchik R.: The nature of emotion, American
Scientist, Volume 89, July-August 2001.
[4] lot K.: Rozpoznawanie biometryczne Nowe metody
ilociowej reprezentacji obiektw, 2010.
[5] http://pascal.kgw.tu-berlin.de
[6] http://www.eletel.p.lodz.pl/med/
______________________________________________ Mgr in. Dorota Kamiska
e-mail: [email protected]
Dorota Kamiska uzyskaa tytu mgr in. w 2009
roku na wydziale Elektrotechniki, Elektroniki,
Informatyki i Automatyki Politechniki dzkiej.
Obecnie jest doktorantk w Instytucie
Mechatroniki i Systemw Informatycznych
Politechniki dzkiej. Gwne zainteresowania
badawcze obejmuj przetwarzanie sygnaw,
metody klasyfikacji oraz bazy danych.
Warsztaty Doktoranckie 2012
21
IDENTYFIKACJA SYSTEMW NIELINIOWYCH PRZY POMOCY
JDROWEGO ALGORYTMU LMS Z OGRANICZENIEM ZASOBW
Dominik Rzepka1 , Piotr Otfinowski
1
1AGH Akademia Grniczo-Hutnicza , Wydzia Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
Streszczenie. W artykule zaprezentowano zastosowanie nowego algorytmu jdrowego LMS do identyfikacji systemw nieliniowych. Aby
ograniczy ilo wektorw nonych, bdcych nieodcznym elementem algorytmw opartych o metody jdrowe zastosowano kryterium selekcji. Nowe wektory wejciowe s przyjmowane do sownika, a nastpnie ze zbioru tych wektorw usuwany jest ten, ktry ma najmniejszy
wpyw na tworzony model nieliniowy. Przedstawione przykady identyfikacji systemw nieliniowych potwierdzaj skuteczno porwnywaln
do algorytmw wykorzystujcych wiksz liczb wektorw nonych.
Sowa kluczowe: metody jdrowe, uczenie maszynowe, regresja nieliniowa, algorytm LMS, dobr wektorw nonych
Identification of Nonlinear Systems Using Fixed Budget Kernel LMS Algorithm Abstract. In this paper a new version of kernel normalized least mean squares algorithm is applied to identification of nonlinear system. To
maintain a fixed amount of support vectors, requisite for kernel-based algorithm a pruning criterion is used. After admitting a new input
vector to the dictionary, a least important entry is selected and discarder. A few cases of nonlinear system identification are presented, proving that algorithm performs well and it can maintain a performance comparable to state-of-the-art algorithms, using smaller number of
support vectors, with linear complexity.
Keywords: kernel methods, machine learning, nonlinear regression, least mean squares, pruning
Wstp Modelowanie i identyfikacja systemw, ktrych
odpowied jest nieliniow funkcj sygnau wejciowego
jest wykorzystywana w szerokiej gamie aplikacji, od
akustyki, przez automatyk, radiokomunikacj, po
inynieri biomedyczn i wiele innych dziedzin techniki.
Najbardziej uniwersalnym modelem stacjonarnego
systemu nieliniowego jest nieskoczony szereg Volterry,
jednak jego zoono jest wad, ktra uniemoliwia jego
praktyczne zastosowanie. Uproszczone odpowiedniki
modele Wienera i Hammersteina maj struktur
stosunkowo wygodn do implementacji, jednak nie s w
stanie przedstawi dowolnego systemu nieliniowego.
Efektywnym rozwizaniem tego zagadnienia jest
zastosowanie metod jdrowych, ktre charakteryzuj si
elegancka struktur matematyczn, a moliwociami
modelowania dorwnuj modelowi Volterry. Jeeli
modelowanie zostanie ograniczone do pewnego zbioru
wymusze, to model systemu nieliniowego moe by
opisany przy pomocy skoczonej liczby punktw
odniesienia (wektorw nonych), dziki czemu zoono
obliczeniowa zostanie ograniczona do poziomu
umoliwiajcego praktyczne zastosowanie. Identyfikacja
systemu przy pomocy tego rodzaju modeli moe by
przeprowadzana z wykorzystaniem algorytmw
adaptacyjnych, minimalizujcych redniokwadratowy
bd aproksymacji. Popularnym algorytmem stosowanym
powszechnie do tego celu jest LMS (ang. Least Mean
Squares), ktry cechuje si nisk zoonoci
obliczeniow O(N). W niniejszym artykule zostanie
przedstawiona znormalizowana, jdrow wersja LMS,
wzbogacona o prosty algorytm ograniczania iloci
wektorw nonych.
1. Metody jdrowe W najprostszym przypadku liniowym, wyjcie filtru
jest liniow kombinacj elementw wektora wejciowego
( ) Nn x . Modelowanie systemw nieliniowych
wymaga rwnie uwzgldnienia czonw zalenych od
wejcia w sposb nieliniowy. Rozszerzenie wektora
wejciowego o te czony mona zapisa w postaci
przeksztacenia : N F , gdzie F jest nazywane
przestrzeni cech. Poniewa wymiarowo tej przestrzeni
jest wysoka, to wykonanie w niej iloczynu skalarnego
(koniecznego do minimalizacji bdu modelowania)
wymaga duej iloci oblicze. Dla niektrych
przeksztace : N F istnieje funkcja zwana
jdrem, umoliwiajca obliczenie tego iloczynu
skalarnego bez przechodzenia do wysokowymiarowej
przestrzeni F.
, , x y x y (1)
2. Algorytm Kernel LMS Celem filtracji adaptacyjnej jest modelowanie
nieznanego systemu na bazie obserwacji zalenoci
pomidzy jego wejciem x(n) a wyjciem ( )d n
(zazwyczaj w obecnoci szumu na wyjciu). Wyjcie jest
waon sum elementw wektora wejciowego, a celem
modelowania jest minimalizacja bdu
redniokwadratowego midzy systemem modelowanym a
modelem:
22 Te n d n n w x (2)
Wektor Nw mona otrzyma stosujc metod
gradientu prostego, na ktrej opiera si algorytm LMS
(ang. least mean squares). Po dodaniu normalizacji, ktra
poprawia zbieno algorytmu, iteracj algorytmu opisuje
rwnanie
2
21
e n nn n
n
xw w
x
(3)
gdzie jest parametrem okrelajcym rozmiar kroku w algorytmie. Aby umoliwi modelowanie systemu nieliniowego
naley zastosowa przeksztacenie : N F .
22 Te n d n n u x (3)
Warsztaty Doktoranckie 2012
22
Wektor u musi wic mie wymiarowo rwn
wymiarowoci n x . Taki wektor Fu mona
przedstawi jako sum
1
M
m m
m
u x (4)
przy uyciu pewnego zbioru wektorw xm. Wtedy
1
1
,
MT
m m
m
MT
m m
m
n n
n n
u x x x
x x k
(5)
Dziki temu moliwe jest zamodelowanie systemu
nieliniowego bez bezporedniego operowania na
wysokowymiarowej przestrzeni cech. Konieczne jest
wyznaczenie wektora oraz zbioru wektorw nonych
xm. Wektor wspczynnikw mona otrzyma przy
pomocy algorytmu LMS:
2
21
e n nn n
n
k
k
(6)
3. Dobr wektorw nonych W przypadku penej regresji jdrowej, jako zbir
1
M
m mx wykorzystywane s wszystkie wektory trenujce
model, jednak nakad obliczeniowy w takim rozwizaniu
jest bardzo duy. Aby ograniczy rozmiar tego zbioru
proponujemy uycie prostego kryterium selekcji, ktre
utrzymuje rozmiar zbioru 1
M
m mx na staym poziomie.
Odrzucane s wektory, ktrym odpowiadaj najmniejsze
bezwzgldne wartoci wspczynnikw . Algorytm
zosta zastosowany do identyfikacji kilku systemw
nieliniowych. Wyniki symulacyjne (bd
redniokwadratowy MSE) dla jednego z nich przedstawia
rys. 1. W wyniku zastosowania selekcji wektorw
rozmiar zbioru 1
M
m mx wynis 50 wektorw nonych,
podczas gdy peny zbir wektorw trenujcych liczy 256
elementw. Ograniczenie to spowodowao jedynie
nieznaczne pogorszenie osigw algorytmu, przy
znaczcym zmniejszeniu wymaga obliczeniowych.
Rys. 1. Porwnanie identyfikacji systemu nieliniowego algorytmami
NLMS nieliniowym (jdrowym) oraz liniowym
Literatura [1] M. O. Franz, B. Schlkopf, A unifying view of Wiener and Volterra
theory and polynomial kernel regression, Neural Computation,
Volume 18 Issue 12, December 2006, Pages 3097 3118
[2] B. de Kruif and T. de Vries. Pruning error minimization in least squares support vector machines. Neural Networks, IEEE
Transactions on, 14(3):696 702, may 2003.
[3] P. S. Diniz. Adaptive Filtering: Algorithms and Practical Implementation. Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA, USA,
2 edition, 2002.
[4] Y. Engel, S. Mannor, and R. Meir. The kernel recursive least squares algorithm. IEEE Transactions on Signal Processing,
52:22752285, 2003.
[5] L. Hoegaerts, J. Suykens, J. Vandewalle, and B. De Moor. A comparison of pruning algorithms for sparse least squares
support vector machines. Lecture Notes in Computer Science, page
12471253, 2004.
[6] P. Honeine, C. Richard, and J. C. M. Bermudez. On-line nonlinear sparse approximation of functions. Information Theory, 2007. ISIT
2007. IEEE International Symposium on, pages 956 960, june 2007.
[7] M. Lazaro-Gredilla, S. Van Vaerenbergh, and I. Santamaria. A Bayesian approach to tracking with kernel recursive least-squares.
Machine Learning for Signal Processing (MLSP), 2011 IEEE
International Workshop on, pages 1 6, sept. 2011.
[8] W. Liu, J. C. Principe, and S. Haykin. Kernel Adaptive Filtering. John Wiley & Sons, Inc., 2010.
[9] J. Suykens, J. D. Brabanter, L. Lukas, and J. Vandewalle. Weighted least squares support vector machines: robustness and
sparse approximation. Neurocomputing,48(14):85 105, 2002.
[10] S. Van Vaerenbergh, I. Santamaria, W. Liu, and J. Principe. Fixed-budget kernel recursive least-squares. Acoustics Speech and Signal
Processing (ICASSP), 2010 IEEE International Conference on, pages
1882 1885, march 2010.
[11] S. Van Vaerenbergh, J. Via, and I. Santamaria. A sliding window kernel RLS algorithm and its application to nonlinear channel
identification, Proceedings of the International Conference on
Accoustics, Speech and Signal Processing 2006, volume 5, page 789
792, may 2006.
Mgr in. Dominik Rzepka
e-mail: [email protected]
Ukoczy studia na AGH na kierunki
Elektronika (2009), a obecnie jest uczestnikiem
studiw doktoranckich w Katedrze Elektroniki
AGH, wsppracujc z Zespoem Widzenia
Komputerowego i Systemw Wbudowanych.
Jego zainteresowania obejmuj radiowe
techniki transmisji danych, przetwarzanie
sygnaw cyfrowych, uczenie maszynowe i
sprztow implementacj algorytmw.
Mgr in. Piotr Otfinowski
e-mail: [email protected]
Ukoczy Akademi Grniczo-Hutnicz w
2009, kierunek: Elektronika i
Telekomunikacja, specjalno: Sensory i
mikrosystemy. Obecnie jest na trzecim roku
Studiw Doktoranckich na Wydziale EAIiE,
AGH. Pracuje jako asystent w Katedrze
Metrologii, AGH. Jego gwnym tematem
bada naukowych s ukady scalonych
przetwornikw analogowo-cyfrowych.
Warsztaty Doktoranckie 2012
23
WPYW RODOWISKA OBLICZENIOWEGO NA WYDAJNO
ALGORYTMU ODWRACANIA MACIERZY
Daniel Sawicki1
1Politechnika Lubelska, Wydzia Elektrotechniki i Informatyki.
Streszczenie. Artyku przedstawia porwnanie wydajnoci wybranych rodowisk obliczeniowych dla rozwizania zagadnienia numerycznego odwracania
macierzy. Do obliczenia macierzy odwrotnej wykorzystano algorytm Gaussa-Jordana. Obliczenia w algorytmie zostay zrwnoleglone w kadej iteracji
przez jednoczesne wykonywanie oblicze dla wierszy parzystych i nieparzystych. Jako rodowiska obliczeniowe wybrano nowe technologie: obliczenia w chmurze oraz obliczenia na procesorach graficznych. Wykonano pomiary czasu oblicze algorytmu odwracania macierzy i porwnano wydajno
poszczeglnych rodowisk. Najlepsz wydajno osignito dla oblicze na procesorach graficznych. Sowa kluczowe: odwracanie macierzy, obliczenia rwnolege, obliczenia w chmurze, obliczenia na procesorach graficznych
IMPACT COMPUTING ENVIRONMENT ON PRODUCTIVITY MATRIX INVERSION ALGORITHM
Abstract. This paper presents performance comparison of selected computing environments to solve the numerical problem of matrix inversion. To calculate
the inverse matrix uses Gauss-Jordan algorithm. Calculations algorithm have been parallelized in each iteration by simultaneously perform calculations for even and odd rows. As computing environments selected: cloud computing and calculations on GPUs. Computation time measurements of the matrix
inversion algorithm and compared the performance of specific environments. The best performance was achieved for GPU computing.
Keywords: matrix inversion, parallel computing, cloud computing, GPU computing
Wstp Wydajno obliczeniowa powstajcych urzdze ronie
Pierwsze karty graficzne do komputerw PC pozwalay tylko na
wywietlanie jednokolorowego tekstu. Niedugo potem pojawiy
si ich udoskonalone warianty, ktre udostpniay moliwo
wywietlania dwuwymiarowego obrazu graficznego, a kolejne
wersje pozwalay na coraz wysz rozdzielczo i ilo kolorw.
W 1995 roku pojawiy si pierwsze karty graficzne
przetwarzajce rwnie tryb 3D. W kolejnych latach, napdzane
wymaganiami rynku, firmy produkujce chipsety graficzne
tworzyy coraz szybsze karty GPU, a wzrost wydajnoci kart
graficznych by zdecydowanie szybszy ni wzrost wydajnoci
CPU . Obecnie najszybsze procesory CPU maj wydajno ok.
100 GigaFlops , a najszybsze GPU osigaj ponad 1000
GigaFlops, zawieraj dziesitki rdzeni i zapewniaj du
moliwo zrwnoleglania operacji.
1. Technologia CUDA CUDA (ang. Compute Unified Device Architecture) jest
technologi typu GPGPU (ang. general-purpose computing on
graphics processing units) pozwalajc na tworzenie z poziomu
jzyka C programw (obliczeniowych) wykonywanych
bezporednio na procesorze karty graficznej (GPU, ang.
graphics processing unit). CUDA wprowadzona zostaa przez
firm nVidia na pocztku 2007 roku i jej uycie wymaga
wykorzystania GPU projektowanych przez t korporacj. Aby
wykorzysta CUDA, naley posiada kart graficzn zgodn z t
technologi, potrzebny jest rwnie specjalny sterownik
graficzny oraz pakiet CUDA Runtime. Istniej te oficjalne
biblioteki na t platform CUBLAS (do wykonywania operacji
macierzowych) i CUFFT (do wykonywania transformacji
Fouriera). Na rysunku 1 jest podany schemat elementw
skadowych.
Technologia CUDA ma skalowalny model programowania
rwnolegego program mona uruchomi na kadej iloci
mikroprocesorw GPU. Jedna funkcja wykonywana na GPU
kernel opisuje dziaania wykonywane w jednym wtku. Przy
wywoaniu kernela wymagane jest podanie iloci tzw. blokw
w gridzie, oraz iloci wtkw w bloku. Liczby te okrelaj, ile
wtkw zostanie uruchomionych rwnolegle. Kady blok
w gridzie oraz kady wtek w bloku ma indeks okrelony
maksymalnie trzema wymiarami (na powyszej ilustracji
dwoma). Do kadego uruchomionego kernela mona uy innej
iloci blokw lub wtkw. Po rozpoczciu kernela, GPU ma
za zadanie przypisa kady blok do wykonania ktremu z
dostpnych mikroprocesorw strumieniowych. Z tego wzgldu,
aby wykorzysta pen moc GPU, ilo blokw powinna by
przynajmniej rwna iloci multiprocesorw w GPU. Wikszo
programw wykonywanych przy pomocy frameworku CUDA,
korzysta z niego uywajc nastpujcej sekwencji dziaa:
alokowanie wejciowej i wyjciowej pamici na karcie
graficznej, kopiowanie danych wejciowych do pamici
graficznej, wykonywanie waciwych operacji (kerneli) na GPU,
kopiowanie danych wyjciowych z pamici graficznej do RAM,
dealokowanie wejciowej i wyjciowej pamici na karcie
graficznej.
Do testw uyto karty graficznej nVidia GT525M, ktra
dysponuje 96 zunifikowanymi jednostkami Shader, 2GB
wasnej pamici. Taktowania rdzenia, pamici i jednostek
Shader, wynosz odpowiednio 600/900/1200 MHz.
Rys. 1. Architektura CUDA
2. System Eucalyptus System Eucalyptus pozwala na budow struktur chmur
prywatnych zgodnych ze standardem Amazon EC2. Dziki
temu, uytkownicy tego systemu korzystaj z zasobw chmury
w ten sam sposb jak zasoby chmury publicznej oferowanej
przez Amazon. Pozwala to na prost integracj tego rozwizania
w ramach projektw chmur hybrydowych. Struktura systemu
Eucalyptus skada si z czterech elementw:
Warsztaty Doktoranckie 2012
24
kontrolera wza NC (ang. Node Controller) - jest to zasb
fizyczny (najczciej pojedynczy host), na ktrym
uruchamiane s poszczeglne instancje maszyn wirtualnych,
kontrolera klastra CC (ang. Cluster Controller) urzdzenie
to ma spenia trzy funkcje: przydziela zasoby NC dla zada,
zarzdza instancjami maszyn wirtualnych, a take zbiera
informacje o procesie realizacji zada i wykorzystaniu
zasobw,
kontrolera magazynowania Walrus (ang. Storage Controller)
ten element przechowuje obrazy maszyn wirtualnych i
dane uytkownikw,
kontrolera chmury CLC (ang. Cloud Controller) ten
element odpowiada za dostp do zasobw zgaszanych przez
uytkownikw oraz za planowanie przydziau zasobw do
zgoszonych da.
Podstaw do budowy rodowiska testowego byy system
Eucalyptus a jego poszczeglne elementy zostay
zaimplementowane w oparciu o komputery klasy PC.
Komputery te byy wyposaone w dwu-rdzeniowy procesor
firmy Intel ze wsparciem dla sprztowej wirtualizacji, 2 GB
pamici RAM, pami dyskow o pojemnoci 250GB oraz 2
interfejsy sieciowe. Podstaw realizacji wirtualizacji by pakiet
KVM. Poszczeglne elementy struktury testowego systemu
Eucalyptus zostay przypisane do pokazanego na rys. 3b sprztu
komputerowego w nastpujcy sposb:
kontroler klastra, kontroler magazynu, kontroler chmury
oraz Walrus (CC,SC, CLC, WS) komputer PC1 (2
rdzenie, 4 procesory logiczne, wspdzielone), 2 GB RAM,
250 GB HDD SATA, system Fedora 12 (x86_64),
kontroler wza (NC) komputer PC2, PC3 (2 rdzenie, 4
procesory logiczne, wspdzielone), 2 GB RAM
(wspdzielona z VM), 250 GB HDD SATA, system Fedora
12 (x86_64),
klient - komputer PC4 (1 rdze, 2 procesory logiczne,
wspdzielone), 512 MB RAM, 8 GB HDD SATA, system
Fedora 12 (x86_32).
a) b)
Rys.2. Architektura rodowiska testowego a) logiczna, b) fizyczna
3. Wyniki pomiarw Algorytm odwracania macierzy zosta przetestowany na:
karcie graficznej GT525 - GPU, rodowisku chmurowym - CL,
procesorze 2 rdzeniowym - CPU oraz w programie MATLAB.
Przeprowadzono seri 30 pomiarw czasu dla 30 rozmiarw
macierzy poczwszy od rozmiaru 16x16, a skoczywszy na
rozmiarze 8192x8192. Wyniki przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 3. Wyniki pomiarw dla poszczeglnych rozmiarw macierzy
Literatura [1] NVIDIA: NVIDIA CUDA. Programming Guide, ver. 4.1, 2011 r. [2] NVIDIA CUDA: Non-graphic computing with graphics processors. Amazon,
2008 r.
[3] Triolet D.: Nvidia CUDA: Preview. www.behardware.com, 2007 [4] Nurmi D, Wolski R, Grzegorczyk Ch, Obertelli G, Soman S, Youseff L,
Zagorodnov D: The Eucalyptus Open-source Cloud-computing System, 9th
IEEE/ACM International Symposium on Cluster Computing and the Grid
(CCGRID), Vol. 0, 2009, pp. 124-131.
[5] Johnson D, Murari K, Raju M, Suseendran RB, Girikumar Y: Eucalyptus Beginners Guide UEC Edition, CSS Corp. 2010,
http://www.csscorp.com/eucauecbook, lipiec 2011.
[6] Robinson N., Valeri L., Cave J., Starkey T., Creese S., Hopkins P. : The Cloud: Understanding the Security, Privacy and Trust Challenges, Raport Unit
F.5, Directorate-General Information Society and Media, European
Commission, 2010.
[7] Lei Z., Zhang B., Zhang W., Li Q., Zhang X., Peng J.:Comparison of Several Cloud Computing Platforms. Second International Symposium on Information
Science and Engineering, pages 2327, 2009.
_________________________________________________
M.Sc. Daniel Sawicki
e-mail: [email protected]
ukoczy studia o kierunku elektrotechnika na
Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki
Lubelskiej w 2006r. Obecnie jest zatrudniony jako
asystent w Instytucie Elektroniki i Technik
Informacyjnych Politechniki Lubelskiej
Warsztaty Doktoranckie 2012
25
INTELIGENTNY SYSTEM PRZYWOAWCZY
Dorota Typaska, ukasz Putz Politechnika Poznaska, Wydzia Elektryczny
Streszczenie. Celem artykuu jest przedstawienie stanowiska laboratoryjnego symulujcego system przywoawczy instalowany w szpitalach. Wyjaniono co to
jest inteligentny system przywoawczy, przedstawiono szczegowy opis wykorzystanych elementw wcznie ze schematem budowy tablicy, rozmieszczeniem
komponentw oraz ich okablowaniem i podczeniem. Szczegowo zosta rwnie opisany proces oprogramowania.
Sowa kluczowe: inteligentny system przywoawczy, programowalne przyciski, centrala sterujca
Inteligent calling system
Abstract. Describing the laboratory post simulating the calling system installed at hospitals is a purpose of the article. They explained what the calling
intelligent system was, a detailed description of used elements was presented inclusive with the outline of construction of the board, with arranging components
and wiring them up and connecting. In detail an also described process of providing software remained.
Keywords: intelligent calling system, programmable buttons, steering switchboard
Wstp
Systemy przywoawcze znajduj zastosowanie
w wikszoci placwek medycznych na wiecie. Maj na
celu zagwarantowa szybkie i atwe informowanie
personelu o miejscu w ktrym potrzebna jest
natychmiastowa pomoc. Nowoczesne systemy
umoliwiaj archiwizowanie zdarze oraz
porozumiewanie si z innymi oddziaami poprzez sie
przenonych telefonw.
Poniej zostay opisane poszczeglne elementy skadowe
systemu, oraz sposb ich poczenia.
1. System przywoawczy charakterystyka oglna System przywoawczy jest to system uywany
najczciej w szpitalach, domach opieki lub hospicjach
sucy do przywoania personelu medycznego w czasie
nagego zego samopoczucia pacjenta.
System przywoawczy, ktrego komponenty zostay
wykorzystane do zbudowania stanowiska laboratoryjnego
nazywa si Va