Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі
Удосконалено науково-методичні підходи до формування інформаційних технологій керування складним науковим експериментом в багатофазному середовищі.
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2016
|
| Назва видання: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122875 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі / І.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи.— 2016.— № 15.— С. 142-148.— Бібліогр.: 3 назв.— укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-122875 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1228752017-07-22T03:04:01Z Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі Варава, І.А. Удосконалено науково-методичні підходи до формування інформаційних технологій керування складним науковим експериментом в багатофазному середовищі. Усовершенствованы научноме-тодические подходы к формированию информационных технологий управления сложным научным экспериментом в многофазной среде. There were improved the scientific methods approaches to the formation of information technology for management of complex scientific experiment in a multiphase environment. 2016 Article Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі / І.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи.— 2016.— № 15.— С. 142-148.— Бібліогр.: 3 назв.— укр. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122875 004.942 uk Комп’ютерні засоби, мережі та системи Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Удосконалено науково-методичні підходи до формування інформаційних технологій керування складним науковим експериментом в багатофазному середовищі. |
| format |
Article |
| author |
Варава, І.А. |
| spellingShingle |
Варава, І.А. Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| author_facet |
Варава, І.А. |
| author_sort |
Варава, І.А. |
| title |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| title_short |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| title_full |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| title_fullStr |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| title_full_unstemmed |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| title_sort |
керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122875 |
| citation_txt |
Керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі / І.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи.— 2016.— № 15.— С. 142-148.— Бібліогр.: 3 назв.— укр. |
| series |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| work_keys_str_mv |
AT varavaía keruvannâskladnimnaukovotehníčnimeksperimentomubagatofaznomuseredoviŝí |
| first_indexed |
2025-07-08T22:39:12Z |
| last_indexed |
2025-07-08T22:39:12Z |
| _version_ |
1837120205337133056 |
| fulltext |
Комп'ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 142
I. Varava
THE SCIENTIFIC EXPERIMENT
CONTROL IN MULTIPHASE
ENVIRONMENT
There were improved the scientific
methods approaches to the for-
mation of information technology for
management of complex scientific
experiment in a multiphase envi-
ronment.
Key words: intellectual support
system, experiment, multiphase
environment.
Усовершенствованы научно-ме-
тодические подходы к формиро-
ванию информационных техноло-
гий управления сложным научным
экспериментом в многофазной
среде.
Ключевые слова: интеллектуаль-
ная система поддержки, экспе-
римент, многофазная среда.
Удосконалено науково-методичні
підходи до формування інформа-
ційних технологій керування скла-
дним науковим експериментом в
багатофазному середовищі.
Ключові слова: інтелектуальна
система підтримки, експеримент,
багатофазне середовище.
І.А. Варава, 2016
УДК 004.942
І.А. ВАРАВА
КЕРУВАННЯ СКЛАДНИМ НАУКОВО-
ТЕХНІЧНИМ ЕКСПЕРИМЕНТОМ
У БАГАТОФАЗНОМУ СЕРЕДОВИЩІ
Останнім часом у світі зростає інтерес до
інформаційних технологій як до інструмен-
тарію проведення досліджень природно-
технічних об’єктів та швидкоплинних тех-
но-екологічних процесів (ТЕП), у тому чис-
лі небезпечних. Це пов’язано зі зростаючою
складністю досліджуваних об’єктів різних
предметних галузей. Особливо ця склад-
ність збільшується при розгляді багатофаз-
них середовищ (БФС), які потребують за-
стосування відповідних методів досліджен-
ня, ефективне застосування яких пов’язано з
використанням інформаційних технологій
(ІТ). Інформаційні системи підтримки дос-
ліджень мають дозволяти вченим швидко
перевіряти гіпотези та отримувати і опра-
цьовувати експериментальні дані для їх ве-
рифікації. Розвиток методів автоматизації
досліджень пов’язується з прогресом у галу-
зі ІТ, зокрема, теорії математичного моде-
лювання та принципів оптимізації. Отже,
актуальність теми зумовлена необхідністю
створення методологічного підходу щодо
розробки інформаційних технологій керу-
вання складними науковими експеримента-
ми в багатофазних середовищах.
Мета досліджень роботи – удосконалення
науково-методичних і практичних підходів
до розробки інформаційних технологій керу-
вання складними науковими експериментами
у багатофазних середовищах.
На основі комплексного аналізу наукових
літературних джерел досліджено й узагаль-
нено еволюцію інформаційних технологій у
наукових дослідженнях.
КЕРУВАННЯ СКЛАДНИМ НАУКОВО-ТЕХНІЧНИМ ЕКСПЕРИМЕНТОМ У БАГАТОФАЗНОМУ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 143
На цій основі в роботі конкретизовано й поглиблено теоретико-методичний
підхід до створення систем керування складними науковими експериментами в
багатофазних середовищах за рахунок системного опрацювання наступних сут-
ностей експерименту: об’єкта предметної області, динаміки середовища, деста-
білізуючих факторів, типів фаз середовища, сенсорних пристроїв для задач оп-
тимального керування, критеріїв оптимізації, методів оптимального керування
середовищем.
Отже визначено, що:
1) основною задачею планування експерименту є розробка методів підви-
щення ефективності експериментальних досліджень. Вона полягає у мінімізації
витрат засобів та часу на проведення експерименту, підвищенні статистичної
точності та достовірності отримуваних результатів. Застосування методів плану-
вання експерименту дозволяє зменшити число опитів і виявити напрямок пода-
льшого продовження дослідження;
2) система керування науковим експериментом, як правило, включає такі
основні елементи: систему збору інформації, систему обробки даних та дослід-
ника, також система повинна мати зручний графічний інтерфейс на всіх етапах
експерименту. Система керування науковим експериментом реагує на зміну
умов експерименту, отриманих шляхом експрес-обробки та аналізу даних.
Поставлено задачі дослідження:
1) провести огляд і аналіз інформаційних технологій, які використовуються
при експериментальних дослідженнях багатофазних середовищ;
2) розробити науково-методичний підхід керуванням складним науково-
технічним експериментом у багатофазному середовищі з відповідним забезпе-
ченням;
3) розробити елементи інформаційних технологій для проведення експери-
ментів по вивченню кристалізації металевих розплавів;
4) розробити елементи інформаційних технологій для задач проектування
автономних мобільних роботів, які функціонують у багатофазному середовищі;
5) розробити інформаційну систему дослідження процесу гасіння небезпеч-
ного розряду в робочій камері токамака методом пелет-інжекції.
Для задач цілеспрямованого керування складним науковим експериментом
розроблено функціонали якості (ФЯ), які є логічною основою для використання
як критерії оптимального керування складними науковими експериментами з рі-
зними багатофазними середовищами.
Схему подальшого дослідження, побудованого на основі запропонованої
структури функціоналу, що враховує базові параметри процесу керування конк-
ретним багатофазним середовищем, показано на рисунку.
В роботі розвивається науково-методичний підхід до постановки складного
науково-технічного експерименту в багатофазному середовищі, який полягає у
наступному.
Керування процесами в багатофазному середовищі розглядається на трьох
рівнях ієрархії, а саме:
І.А. ВАРАВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 144
Рис. 1. Структура дослідження на основі функціоналу критерію якості
РИСУНОК. Структура дослідження на основі функціоналу критерію якості керуванням скла-
дним науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі
Предметна галузь-1: керування кристалізацією металевого розплаву
Критерій (розпізнавання фаз):
,min)(
2
a
b
dttT
де T(t) – температурна крива
Постановка задачі:
попередня обробка
термічних кривих,
фільтрація від шуму
Тип середовища, його
фази: сплав; тверда,
рідка, твердіюча, рідко-
тверда суміш (semisolid)
Предметна галузь-2: ІТ проектування автономних мобільних роботів,
що функціонують у багатофазному середовищі
Критерій (оцінки контрастності
зображення):
bIkkIkI InIn ,,:varmin)(max)(max
),(* xtQ
=I – інтенсивність
яскравості пікселя
Постановка задачі:
покращення
зображень для
розпізнавання
навігаційних орієн-
тирів бортовим
процесором
Тип середовища, його
фази:
контрастність;
світлий, темний,
яскравий,
шкала сірого
Предметна галузь-3: Керування термоядерним синтезом
Критерій (якість гасіння за
критерієм мінімізації густини):
b
a
t
m
m
dttrntrnrdrtF
0
min),()0,();,(
),(* xtQ
= n(t, r) – густина іонів по
простору
Постановка задачі:
гасіння небезпечного
розряду в робочій
камері токамака
Тип середовища,
його фази:
плазма; нейтральна
плазма, іонізована
плазма, іони пелети,
електрони Критерій (якість гасіння за кри-
терієм мінімізації часу):
min),()0,(),,(
0
m
tb
a
m tdttrntrnrdrtF
m
),(* xtQ
= n(t, r) – густина іонів у
просторі
Функціонал критерію якості загального вигляду:
,1,
0
),,(),(*
T
dtJ xtLQxtQ
(1)
де ),(* xtQ
задана зміна контрольованої величини
КЕРУВАННЯ СКЛАДНИМ НАУКОВО-ТЕХНІЧНИМ ЕКСПЕРИМЕНТОМ У БАГАТОФАЗНОМУ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 145
– рівень цілого багатофазного середовища;
– рівень фазових переходів;
– рівень окремих фаз.
Така класифікація обумовлена масштабом різних матеріальних частинок, що
змішані між собою, та процесами різноманітної природи. На відміну від однорі-
дного середовища, при дослідженнях багатофазних середовищ необхідно врахо-
вувати міжфазову взаємодію. Тому системи керування експериментами з бага-
тофазними середовищами повинні мати розширені апаратне, математичне, алго-
ритмічне та програмне забезпечення. Витрати на перевірку гіпотез за допомогою
лабораторних експериментів в БФС значно вищі порівняно з однофазними сере-
довищами. В роботі пропонується комплексний підхід до процедури проведення
експерименту, що характеризується застосуванням проблемно-орієнтованих
програмно-апаратних засобів автоматизації підтримки наукових досліджень в
БФС.
На основі створеної класифікації багатофазних середовищ вперше розроб-
лено загальний вигляд функціоналу якості планування складних наукових екс-
периментів, що враховує оптимальні результати чисельних розв’язків віртуаль-
них експериментів.
В загальному випадку необхідно мінімізувати функціонал наступного ви-
гляду:
*
0
( , ) ( , , ) , 1
T
J Q t x Q L t x dt
, (1)
де *( , )Q t x задана зміна контрольованої величини.
В подальших дослідженнях на основі розробленого функціоналу наведено
конкретні застосування сформованих критеріїв якості для наступних задач:
1) керування процесом кристалізації металевих розплавів для отримання
дрібнозернистої структури виробу з підвищеною статичною і ударною міцністю,
холодноламкістю, корозійною стійкістю (предметна галузь-1);
2) автоматизація вибору аеродинамічних характеристик при проектуванні
фюзеляжу БПЛА, включаючи оптимізацію залежності відношення підйомної
сили до сили опору та експлуатаційних значень швидкості польоту (число Рей-
нольдса) і кута атаки набігаючого повітряного потоку (предметна галузь-2);
3) вибір маршруту підводного апарату (ПА) з оптимізацією траєкторії та ви-
трат енергоресурсів при виконанні ним програми обстеження затонулого об’єкта
чи підводних інженерних споруд, коли необхідно забезпечити мінімальність
спотворення ПА вихідного тривимірного поля обтікання обстежуваного об’єкта
потоками рідини (предметна галузь-2);
4) створення програмного забезпечення (ПЗ) побудови тривимірної структу-
ри вихрового поля як розв’язку тривимірного нелінійного рівняння вихорів для
конкретних інженерних задач типу аеродинаміки вихрових потоків поблизу
крилового профілю БПЛА чи тривимірної структури придонної течії при неста-
І.А. ВАРАВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 146
ціонарному обтіканні подовженого тіла, яке частково засипане донним ґрунтом
на поверхні морського дна (предметна галузь-2);
5) керування термоядерною плазмою (ТЯ-плазмою) у фазах нейтрального
газу, електронів, позитивно заряджених іонів, твердого ТЯ-палива у вигляді
пелет для підтримки оптимального розвитку термоядерної реакції (предметна
галузь-3).
Для предметної галузі-1 запропоновано принципи побудови багаторівневої
інформаційної моделі керованої кристалізації розплаву металу із застосуванням
варіанту методу Монте-Карло, адаптованого до задачі еволюції за часом вихід-
ного перегрітого рідкого розплаву з інтенсивними конвекційними потоками. На
основі функціоналу (1) та згідно рисунку, для задачі попередньої обробки термі-
чних кривих, фільтрації від шуму обґрунтовано використання наступного крите-
рію якості:
2
( ) min,
a
b
T t dt (2)
де ідеальна температурна крива Т(t) відіграє в (1) роль ),(* xtQ
, а роль
),,( xtLQ
відіграє крива значень, отримана з цифрового датчика дискретно.
Розроблено автоматизовану систему «ТермоЕксперт» визначення хімічного
складу металевих розплавів на основі диференційного термічного аналізу. Для
цього проаналізовано базу даних термокривих по алюмінієвих сплавах, яка на-
копичувалась декілька останніх десятиліть співробітниками ФТІМС НАН Укра-
їни.
Для предметної галузі-2 при застосуванні науково-методичного підходу що-
до керування складним науково-технічним експериментом у багатофазному се-
редовищі для задач керування мобільним роботом (типу БПЛА або підводного
роботу) було запропоновано представляти навколишнє середовище у вигляді ба-
гатофазного середовища з візуальною інтерпретацією фаз. Конкретній фазі від-
повідає фрагмент сцени з квазіоднорідними спектральними характеристиками,
що зафіксовано доступними сенсорами [1].
Розроблено метод покращення зображень для розпізнавання навігаційних
орієнтирів бортовим процесором автономного мобільного роботу шляхом під-
вищення контрастності між елементами сцени, що відрізняється адаптивним
налаштуванням алгоритму на розпізнавання типових фаз навколишнього сере-
довища.
Адаптовано функціонал якості (1) керування складним науково-технічним
експериментом у багатофазному середовищі для процесу керування БПЛА, який
направлений на збільшення контрастності між об’єктами сцени, що відповіда-
ють різним фазам оточуючого середовища. Критерій (оцінки контрастності
зображення):
,min)(max)(max ,,:var bIkkIkI InIn (3)
де ),(* xtQ
=I – інтенсивність яскравості пікселя.
КЕРУВАННЯ СКЛАДНИМ НАУКОВО-ТЕХНІЧНИМ ЕКСПЕРИМЕНТОМ У БАГАТОФАЗНОМУ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 147
Розроблено ПЗ WIND-UAV, яке доповнює комерційний програмний пакет
ANSYS/FLOTRAN і дозволяє генерувати APDL-файл з метою визначення зна-
чень підйомної сили, сили лобового опору та аеродинамічної якості крила. В
роботі пропонується технологія використання ПЗ двох типів CAD та CFD за до-
помогою проміжного ПЗ з метою проведення експериментів з моделювання по-
ведінки автономних пристроїв у багатофазовому середовищі.
Для предметної галузі-3 приводиться постановка обчислювального експе-
рименту для дослідження керування процесом пелет-інжекції з метою гасіння
небезпечного розряду в робочій камері енергетичної установки типу токамак.
Процес описується системою диференційних рівнянь з частинними похідними
для електронної густини, густини інжектованих домішок, електронної темпера-
тури та тороїдального електричного поля. При проведенні обчислювальних екс-
периментів визначаються ефективні параметри часу вприскування пелети та її
розмірів (на основі початкової функції розподілу концентрації), при яких відбу-
вається швидке гасіння розряду, що характеризується зменшенням електронної
температури та концентрації іонів біля стінок робочої камери [2].
Для ранжирування різних експериментів із різними значеннями вектора па-
раметрів експерименту запропоновано функціонал якості у вигляді:
0
( 0, ) ( , ) ,
mt b
m
a
J n t R n t r dt rdr t (4)
де mt – значення моменту часу, коли підінтегральний вираз досягає першого
мінімуму, a = 0.2R, b = 0.8R, R – малий радіус камери токамака, α, β – коефіці-
єнти. При цьому оптимальне планування розуміється як вприскування порції
речовини з підвищеним зарядом ядра (вприскування в плазму так званої пеле-
ти такої речовини) в оптимальний час та місце. Було промодельовано два ре-
жими пелет-інжекції і визначено простори допустимих значень параметрів
вприскування.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у поглибленні й удоскона-
ленні теоретико-методичних положень і практичних підходів до створення сис-
тем керування науково-технічним експериментом у багатофазному середовищі
та визначається тим, що:
вперше:
- отримано загальну класифікацію типів багатофазового середовища;
- запропоновано загальну концепцію урахування багатофазності середо-
вища при постановці складного науково-технічного експерименту;
- обґрунтовано структуру функціоналу, який враховує базові параметри
процесу керування конкретним багатофазним середовищем;
- запропоновано принципи побудови багаторівневої інформаційної моделі
керованої кристалізації розплаву металу із застосуванням варіанта методу Мон-
те-Карло, адаптованого до завдання еволюції за часом вихідного перегрітого рі-
дкого розплаву з інтенсивними конвекційними потоками;
І.А. ВАРАВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2016, № 15 148
- для оптимального вибору параметрів віртуального експерименту по пе-
лет-інжекції з метою гасіння небезпечного розряду плазми в токамаці запропо-
новано функціонал оптимального керування експериментом;
- для оптимального керування кристалізацією металевого розплаву запро-
поновано функціонал оптимального керування експериментом;
- для оптимального керування безпілотним літальним апаратом (БПЛА)
запропоновано функціонал оптимального керування експериментом;
удосконалено:
- науково-методичний підхід щодо управління складним науково-
технічним експериментом у багатофазному середовищі;
- алгоритм автоматизованого контролю хімічного складу та фізико-
механічних властивостей сплавів методом диференційного термічного аналізу
без еталонних зразків;
- алгоритми підвищення якості зображення для наступного розпізнавання
бортовим процесором БПЛА;
набули подальшого розвитку:
- принципи автоматизації науково-технічних експериментів;
- елементи інформаційних технологій для задач проектування автономних
мобільних роботів, які функціонують у багатофазному середовищі;
- методи імітаційного моделювання процесів кристалізації розплаву.
Висновки. Вирішено актуальне науково-технічне завдання створення нових
інформаційних технологій інтелектуального керування складним науковим вір-
туальним та натурним експериментом у конкретних багатофазних середовищах.
Практичне значення отриманих результатів роботи полягає у тому, що її теоре-
тичні та методичні положення доведено до рівня конкретних інформаційних те-
хнологій керування складним науково-технічним експериментом і дозволяють
оптимізувати відповідні процеси в багатофазних середовищах. Розроблені авто-
ром науково-методичні підходи та рекомендації використано при розробці ПЗ
«TermoExp» [3]. Результати дослідження використовуються у діяльності компа-
нії «Robosoft» (м. Дніпро), у наукових дослідженнях Фізико-технологічного ін-
ституту металів та сплавів НАН України (ФТІМС НАНУ, м. Київ) та на підпри-
ємствах металургійного комплексу.
1. Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Варава И.А., Панасюк Ю.Я., Семенова В.И. Интеллек-
туальная навигация с распознаванием нечетких образов для мобильных роботов в экст-
ремальных середах. Proc. of 8-th Intern. Conf. on Pattern Recognition and Information
Processing (PRIP’2005) 18-20 May 2005, Belarus –481.
2. Писаренко В.Г., Варава И.А. Некоторые информационные модели управляемой термоя-
дерной плазмы: монография. М.: Астра, 2005. С. 65–70.
3. Варава І.А., Смульська К.А. А. с. на комп’ютерну програму «TermoExp». № 17697 від
21.08.2006.
Одержано 27.10.2016
|