Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment

An algorithm, which lies in the sequential iterative applying of numerical quasiconformal mapping methods for constructing a series of dynamic meshes using different boundary conditions (that determined by experimental data) and solving the problem of parameter identification for each of these meshe...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
Дата:2019
Автори: Bomba, A.Ya., Boichura, M.V.
Формат: Стаття
Мова:Англійська
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168564
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:Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment / A.Ya. Bomba, M.V. Boichura // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 11-17. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859672706137456640
author Bomba, A.Ya.
Boichura, M.V.
author_facet Bomba, A.Ya.
Boichura, M.V.
citation_txt Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment / A.Ya. Bomba, M.V. Boichura // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 11-17. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
description An algorithm, which lies in the sequential iterative applying of numerical quasiconformal mapping methods for constructing a series of dynamic meshes using different boundary conditions (that determined by experimental data) and solving the problem of parameter identification for each of these meshes is developed. It is based on the proposed approach to the solving of gradient problems of parameters identification of quasiideal fields with using applied quasipotential tomographic data in cases of anisotropic media and applying the ideas of the block iteration method. На основі запропонованого підходу до розв’язання градієнтних задач ідентифікації параметрів квазіідеальних полів за даними томографії прикладених квазіпотенціалів у випадках анізотропних середовищ та ідеях методу блочної ітерації, розроблено алгоритм, який полягає у послідовному ітераційному застосуванні числових методів квазіконформних відображень для побудови серії динамічних сіток при різних заданнях крайових умов (що визначаються експериментальними даними) та розв’язанні задачі параметричної ідентифікації для кожної з цих сіток.
first_indexed 2025-11-30T14:16:48Z
format Article
fulltext Серія: Технічні науки. Випуск 19 11 UDC 519.6 DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.11-17 A. Ya. Bomba, Doct. of Techn. Sciences, M. V. Boichura Rivne State Humanitarian University, Rivne NUMERICAL COMPLEX ANALYSIS METHOD FOR PARAMETERS IDENTIFICATION OF ANISOTROPIC MEDIA USING APPLIED QUASIPOTENTIAL TOMOGRAPHIC DATA. PART 2: ALGORITHM AND NUMERICAL EXPERIMENT An algorithm, which lies in the sequential iterative applying of numerical quasiconformal mapping methods for constructing a series of dynamic meshes using different boundary conditions (that deter- mined by experimental data) and solving the problem of parameter identification for each of these meshes is developed. It is based on the proposed approach to the solving of gradient problems of param- eters identification of quasiideal fields with using applied quasipoten- tial tomographic data in cases of anisotropic media and applying the ideas of the block iteration method. The reconstructed image of the distribution of conductivity tensor inside the investigated object, ob- tained as a result of numerical calculations performed on the basis of the developed algorithm with a sufficient accuracy corresponds to the etalon. The method is characterized by comparatively fast computer convergence (since, unlike many used methods, it does not require finding derivatives of the conductivity tensor distribution function at certain points and refining the boundary nodes at each iteration step). Its significant feature is the possibility of comparatively easy its par- alleling and stopping the calculation procedure when some condi- tions for finishing the process are complete with simultaneous auto- matic determination the areas of the physical domain where have place large errors of the calculations, which makes it possible to use the machine time more economically. The algorithm for image re- construction could be extended not only for the medium with a known sum of eigenvalues of the conductivity tensor, but also to cas- es of other rather wide dependencies between them. In particular, this approach provides an opportunity to represent it as some complex function as required by biomedical practice. Key words: applied Quasipotential Tomography, Quasicon- formal Mappings, Anisotropy, Identification, Nonlinear Problems. Introduction. In the paper [1], the approach to the solving of gradi- ent problems of parameters identification of quasiideal fields with using applied quasipotential tomographic data based on numerical complex analysis methods is transferred to cases of anisotropic media. In this, the © A. Ya. Bomba, M. V. Boichura, 2019 Математичне та комп’ютерне моделювання 12 additional information about the nature of the conductivity distribution inside the domain (research object) is considered a priori known. Howev- er, in opposite to the traditional approaches to the statement and solving the problems of electrical impedance tomography, here set the local veloc- ities distribution of a substance (liquid, current) in addition to the averaged potential at the contact sections of plate and body and at other sections (stream lines) here set the potential distribution (according to experimental data). Generation of initial data at the boundary of the investigated object is carried out in accordance with the polar model of current injection when eigenvalues sum of the conductivity tensor (CT) of the media is given. The corresponding problem is reduced to the iterative solving of a series of problems for Laplace type equations, where instead of «boundary numeri- cal analogues of the Cauchy–Riemann type equations» appear the ratio of quasiorthogonality with using special types of optimization conditions. This work is devoted to the construction of an appropriate algorithm and conducting computer experiments. The algorithm. Algorithm for solving the input problem lies in rota- tional parametrization of internal nodes of the mesh domains ( ) , p zG  CT and using an ideas of block iteration method [5, 6]. In particular: we set the number of injections ,p bound of domains ( )p zG (by the functions ( ),x x  ( )),y y  parameters ( ) , p A ( ) , p B ( ) , p C ( )p D and 1 , 2 (of accuracy), q ( 1q  is responsible for the number of iterations for correct of internal nodes having specific CT), quasipotentials ( ) * , p  *( )p  and discharges ( ) , p Q parameters ( ) , p m ( )p n of ( )p G   partition (it is desirable to select this values so that ( ) ( ) ( ) ( )*( ) * 1 1 1 p p p pp Q m n     in order to improve the accuracy of the calculations) [3, 5], constants of functional (18) [1]  and , distribution of the eigenvalues sum ( , )x y  and parameters k (1 4)k  for inequalities-restrictions (19) [1]. Along with this we calculate the coordinates of the angular points  ( ) ( ) ( ), ( ) , p p p A AA x y   ( ) ( ) ( ), ( ) , p p p B BB x y   ( ) ( ) ( ), ( ) , p p p C CC x y   ( ) ( ) ( ), ( ) , p p p C CC x y   ( ) ( ) ( ), ( ) p p p D DD x y  on ( ) , p zG ( )( ) *( ) ( ) * ( ) / ( 1), pp p p m      ( ) ( ) ( ) / ( 1) p p p Q n   and values of quasiconformal invariants ( ) ( ) ( ) / . p p p φ    Серія: Технічні науки. Випуск 19 13 Then we set the values of local velocities ( ) * , p j ( )p j (and therefore, stream functions ( ) * , p j *( ) ) p j and potentials ( ) , p iφ ( )p i having some arguments   ( ) * , p j *( ) , p j ( ) , p i ( )p i (results of physical measurements), respectively, after which we calculate (10) [1] using interpolation and fi- nally we find the coordinates of ( ) 0, , p jx ( ) 0, , p jy ( ) ,0 , p ix ( ) ,0 , p iy ( ) ( ) , 1 ,p p i n x  ( ) ( ) , 1 ,p p i n y  ( ) ( ) 1, ,p p m j x  ( ) ( ) 1, p p m j y  (1 ,p p  ( ) 0 1, p i m   ( ) 0 1) p j n   on ( ) . p zG   Then we form the initial approximations of the nodes ( ,0) , , p i jx ( ,0) , p i jy and list of parameters (0) , , a a a k r r a  (0) , , b b b k r r b  (0) , , c c c k r r c  which define CT. After that we start the iterative process of reconstruction, which consists of the following steps: we apply the difference representation of Laplace type equations (14) [1] (with consider «injectivity») for search the coordinates of internal nodes when 1 ,p p  ( ) 1 , p i m  ( ) 1 p j n  q times; we solve the functional minimizing problem (18) [1] under conditions (19) [1] relative ( ) , , a a a l k r r a  ( ) , , b b b l k r r b  ( ) , c c c l k r r c  (here 0,1,...l  is the iterative step number, 1, ,a ak s 0, ,a ar k 1, ,b bk s 0, ,b br k 0, ,c ck s 0, );c cr k check the conditions for the completion of the iterative pro- cess, among which may be [5]: stabilizing of near-boundary nodes, CT, the quasiconformal degree parameter, the values of discharges, etc. (1 ,p p  ( ) 1 , p i m  ( ) 1 ). p j n  In the cases when one of these conditions is not satisfied the iterative process begins again, otherwise we build the corresponding reconstructed image and, if it’s necessary, the electrodynamical mesh, the complex quasipotential domains or calculate the velocity fields etc. Note that the algorithm will be identical if instead of eigenvalues sum (4) [1], it is known the distribution either 1 or 2 . In first case the term , , ( ) ( )( ) 2 , 11 22 ( ) i j i j p pp i j        of functional (18) [1] is replaced by   , , , , , , 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )22 1 11 22 11 22 12 0.5 ( ) 4 , i j i j i j i j i j i j p p p p p p                      in the second it is replaced by   , , , ( ) ( ) ( ) 2 11 22 0.5 i j i j i j p p p          , , , 2 ( ) ( ) ( )22 11 22 12 ( ) 4 i j i j i j p p p            . However, the solving of the nonlinear Математичне та комп’ютерне моделювання 14 programming problem thus created will require the using of the global optimization method. In order to use the machine time more frugally, it is also possible to apply formulas (18) [1] and (19) [1] only for selected points. In particular (if it allows the chosen optimization algorithm) the fulfillment of condi- tions (19) [1] should not be required in all nodes of the p meshes, but only in the coordinates of the extreme values of the functions (4) [1] in- stead. It makes sense to set a series of control points inside the investigated domain in other cases. Such in some cases may be nodes of meshes from arbitrary injection. Also note, that instead of the procedure for determining the coordi- nates of the boundary nodes using formula (16) [1] (by interpolating the results of physical measurements), we can immediately select them so that the local differences in the values of the function of flow or potential be- tween them at the corresponding neighboring points to be constant within the injection. Numerical calculations. We represent the results of numerical cal- culations for the following input data: 2,as  3,b cs s  20,p  ( )x   150 cos , ( ) 100sin ,y   , , , 0 a a a b b b c c c k r r k r r k r ra b c     ( 1, ,a ak s 0, ,a ar k 1, ,b bk s 0, ,b br k 0, ,c ck s 0, ),c cr k 0,0 0,0 1,a b  0.1,  0.01,  1 2 0.01,   3 4 4,   200,q  2 1 2 10 ,     ( ) 100, p m  ( ) * 0, p   *( ) 1, p   ( ) 9 /8+ p A  +( 1) / ,p p ( ) ( ) / 4, p p B A    ( ) ( ) , p p C A    ( ) ( ) / 4, p p D C    ( ) , p Q ( ) * , p j *( ) , p j ( ) , p iφ ( )p i   (1 ),p p  ( , ).x y Visual representa- tion of the received CT distribution is carried out using a specially devel- oped procedure similar to [4]. According to this, the investigated domain is divided into square sections by lines parallel to the axes of coordinates. The CT is characterized in the center of each of them as an ellipse (its di- rections of axes and radiuses are corresponds to the directions of eigenvec- tors and proportional to the eigenvalues, respectively) by the formula 2 2 11 22 122 1,x y xy     where 2 2 2 2 11 2 1sin / cos / ,      2 2 2 2 22 2 1cos / sin / ,      2 2 12 1 2( ) ,sin cos         the angle  of rotation of the ellipse must satisfy the conditions 12 1 22 = ( ) 2 ,sin    2 11 1 2 2( ) .cos       Figura, b presents the reconstructed image of the CT distribution in comparison to the given theoretically (Figura, a). Серія: Технічні науки. Випуск 19 15 a) b) Figura. CT distribution: exact (when 4 1.9 5 10 0.0( , 1)y yx x      7 2 2 3 2 2 3 10 ( 145 600 850 2 0.3 4.5 5 ))x xy y x x y xy y          (a), approximated solution (b) Conclusions. The algorithm for solving the problem of image recon- struction of the CT of anisotropic media given in [1] is developed. It is charac- terized by comparatively fast computer convergence (since, unlike many used methods, it does not require finding derivatives of the CT distribution function at certain points and refining the boundary nodes at each iteration step). The significant feature of developed algorithm is the possibility of detec- tion of so-named «stagnant zones» and «zones of large gradients», which ap- pears near the especial points of non-smooth boundary lines and critical points inside the respective domains. We also note that the considerably new in algo- Математичне та комп’ютерне моделювання 16 rithm is considering the conditions of «anisotropic quasiorthogonality» along the boundary equipotentials and current lines (instead of orthogonality in cases of isotropic media), which requires additional substantially new constructions. Also, the anisotropy tensor affects the decrease in accuracy by orders of mag- nitude and stability, which in particular requires the creation of new structures- procedures for Tikhonov-type regularization. We plan to extend the proposed algorithm to the following cases: when have place other rather wide dependencies between eigenvalues of the CT, spatial resolution, applying the quasipotential of the initial stream to several sections. References: 1. Bomba A. Ya., Boichura M. V. Numerical Complex Analysis Method for Pa- rameters Identification of Anisotropic Media using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 1: Problem Statement and its Approximation. Mathe- matical and computer modelling. Series: Physical and mathematical sciences. 2018. Vol. 18. P. 14–24. 2. Bomba A. Ya., Kroka L. L. Numerical Methods of Quasiconformal Mappings for Solving Problems of Identifying of Electrical Conductivity Coefficient in an Applied Potential Tomography. Volyn Mathematical Bulletin. Applied Mathematics Series. Rivne : RSHU, 2014. Vol. 11 (20). P. 24–33. (Ukr). 3. Bomba A. Ya., Boichura M. V. Applied Quasipotenrial Method for Solving Coefficient Problems of Parametric Identification. Bulletin of NUWEE. Tech- nical Sciences Series. Rivne : NUWEE, 2017. Vol. 4 (76). P. 163–177. (Ukr). 4. Martins T. C., Tsuzuki M. S. G. Investigating Anisotropic EIT with Simulated Annealing. IFAC-PapersOnLine. 2017. Vol. 50 (1). P. 9961–9966. 5. Bomba A. Ya., Kashtan S. S., Pryhornytskyi D. O., Yaroshchak S. V. Complex analysis methods. Rivne : Editorial and Publishing Department of NUWEE, 2013. 415 p. (Ukr). 6. Ortega J. M., Rheinboldt W. C. Iterative Solution of Nonlinear Equations in Several Variables. San Diego : Academic Press, 1970. 572 p. ЧИСЛОВИЙ МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО АНАЛІЗУ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ПАРАМЕТРІВ АНІЗОТРОПНИХ СЕРЕДОВИЩ ЗА ДАНИМИ ТОМОГРАФІЇ ПРИКЛАДЕНИХ КВАЗІПОТЕНЦІАЛІВ. ЧАСТИНА 2: АЛГОРИТМ ТА КОМП’ЮТЕРНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ На основі запропонованого підходу до розв’язання градієнтних задач ідентифікації параметрів квазіідеальних полів за даними томографії при- кладених квазіпотенціалів у випадках анізотропних середовищ та ідеях методу блочної ітерації, розроблено алгоритм, який полягає у послідов- ному ітераційному застосуванні числових методів квазіконформних відо- бражень для побудови серії динамічних сіток при різних заданнях крайо- вих умов (що визначаються експериментальними даними) та розв’язанні Серія: Технічні науки. Випуск 19 17 задачі параметричної ідентифікації для кожної з цих сіток. Реконструйо- ване зображення розподілу тензора провідності у внутрішності досліджу- ваного об’єкта, отримане в результаті числових розрахунків, проведених на основі розробленого алгоритму, з достатньою точністю відповідає ета- лонному. Метод характеризується порівняно швидкою комп’ютерною збіжністю (оскільки, на відміну від багатьох використовуваних методів, не потребує знаходження похідних функції розподілу тензора провідності у визначених точках та уточнення граничних вузлів на кожному ітерацій- ному кроці). Суттєвою його особливістю є можливість порівняно легкого його розпаралелення та зупинки процедури обчислення за умови вико- нання лише деяких із умов закінчення процесу з автоматичним визначен- ням тих ділянок фізичної області, де мають місце великі похибки обчис- лень, що дає змогу економніше використовувати машинний час. Розроб- лений алгоритм реконструкції зображення може бути поширений не тіль- ки на середовища з відомою сумою власних значень тензора провідності, але й на випадки досить широких інших залежностей між ними. Зокрема підхід забезпечує можливість представлення його деякою комплексно значною функцією як це вимагає біомедична практика. Ключові слова: томографія прикладених квазіпотенціалів, квазі- конформні відображення, анізотропія, ідентифікація, нелінійні задачі. Data received 30.01.2019 УДК 519.6:004.02 DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.17-24 Л. П. Вакал*, канд. техн. наук, Є. С. Вакал**, канд. фіз.-мат. наук *Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України, м. Київ, **Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ НАЙКРАЩЕ РІВНОМІРНЕ НАБЛИЖЕННЯ СПЛАЙНАМИ З ВИКОРИСТАННЯМ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОЇ ЕВОЛЮЦІЇ Розглянуто задачу найкращого рівномірного наближення функцій поліноміальними сплайнами з фіксованими вузлами. Для її розв’язання запропоновано підхід на основі еволюційних алгоритмів — потужного класу стохастичних пошукових мето- дів оптимізації. Для знаходження сплайна найкращого рівномі- рного наближення адаптовано алгоритм диференціальної ево- люції. Це один із кращих еволюційних алгоритмів, який стабі- льно знаходить глобальний оптимум цільової функції (критерію оптимізації) за мінімальний час. Еволюційний процес в алгори- тмі починається з генерації популяції випадкових векторів, ко- ординати яких представляють собою можливі значення коефіці- єнтів сплайна. Далі вектори постійно модифікуються за допомо- гою операцій мутації, схрещування та селекції з метою змен- © Л. П. Вакал, Є. С. Вакал, 2019
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168564
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 2308-5916
language English
last_indexed 2025-11-30T14:16:48Z
publishDate 2019
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Bomba, A.Ya.
Boichura, M.V.
2020-05-04T16:15:02Z
2020-05-04T16:15:02Z
2019
Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment / A.Ya. Bomba, M.V. Boichura // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 11-17. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.
2308-5916
DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.11-17
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168564
519.6
An algorithm, which lies in the sequential iterative applying of numerical quasiconformal mapping methods for constructing a series of dynamic meshes using different boundary conditions (that determined by experimental data) and solving the problem of parameter identification for each of these meshes is developed. It is based on the proposed approach to the solving of gradient problems of parameters identification of quasiideal fields with using applied quasipotential tomographic data in cases of anisotropic media and applying the ideas of the block iteration method.
На основі запропонованого підходу до розв’язання градієнтних задач ідентифікації параметрів квазіідеальних полів за даними томографії прикладених квазіпотенціалів у випадках анізотропних середовищ та ідеях методу блочної ітерації, розроблено алгоритм, який полягає у послідовному ітераційному застосуванні числових методів квазіконформних відображень для побудови серії динамічних сіток при різних заданнях крайових умов (що визначаються експериментальними даними) та розв’язанні задачі параметричної ідентифікації для кожної з цих сіток.
en
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
Числовий метод комплексного аналізу ідентифікації параметрів анізотропних середовищ за даними томографії прикладених квазіпотенціалів. Частина 2: Алгоритм та комп’ютерний експеримент
Article
published earlier
spellingShingle Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
Bomba, A.Ya.
Boichura, M.V.
title Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
title_alt Числовий метод комплексного аналізу ідентифікації параметрів анізотропних середовищ за даними томографії прикладених квазіпотенціалів. Частина 2: Алгоритм та комп’ютерний експеримент
title_full Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
title_fullStr Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
title_full_unstemmed Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
title_short Numerical Complex Analysis Method for Parameters Identification of Anisotropic Media Using Applied Quasipotential Tomographic Data. Part 2: Algorithm and Numerical Experiment
title_sort numerical complex analysis method for parameters identification of anisotropic media using applied quasipotential tomographic data. part 2: algorithm and numerical experiment
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168564
work_keys_str_mv AT bombaaya numericalcomplexanalysismethodforparametersidentificationofanisotropicmediausingappliedquasipotentialtomographicdatapart2algorithmandnumericalexperiment
AT boichuramv numericalcomplexanalysismethodforparametersidentificationofanisotropicmediausingappliedquasipotentialtomographicdatapart2algorithmandnumericalexperiment
AT bombaaya čisloviimetodkompleksnogoanalízuídentifíkacííparametrívanízotropnihseredoviŝzadanimitomografííprikladenihkvazípotencíalívčastina2algoritmtakompûterniieksperiment
AT boichuramv čisloviimetodkompleksnogoanalízuídentifíkacííparametrívanízotropnihseredoviŝzadanimitomografííprikladenihkvazípotencíalívčastina2algoritmtakompûterniieksperiment