Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 004.045+004.942

СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМІЧНА ОРГАНІЗАЦІЯ КОМП'ЮТЕРИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ ГІДРОФІЗИЧНИХ ПОЛІВ ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА

05.13.05 - «Комп'ютерні системи й компоненти»

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

САВКОВА ОЛЕНА ЙОСИПІВНА

Донецьк 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Автоматизовані системи управління» Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет», МОН України, м. Донецьк.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Заслужений діяч науки й техніки України Зорі Анатолій Анатолійович, завідувач кафедрою «Електронна техніка» Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет», МОН України, м. Донецьк

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, професор кафедри “Автоматизація експериментальних досліджень” Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», МОН України, м. Київ

доктор технічних наук, професор Воронцов Олександр Григорович, професор кафедри «Автоматика та телекомунікації» Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет», МОН України, м. Донецьк

Захист відбудеться « 8 » квітня 2010 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.03 Донецького національного технічного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 8, ауд. 8.704.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий « 4 » березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.03,

кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Дослідження структури діяльного шару водних просторів: океанів, морів, озер, водоймищ, рік і ставків - останнім часом набуло особливої актуальності. Це пов'язано з тим, що діяльний шар водного середовища є зоною найбільш активних фізичних процесів й утворює основну сферу життєдіяльності різних живих організмів. Моделювання його структури становить безпосередній інтерес для океанічного рибного промислу, підводного мореплавання, розвідки шельфів, гідроакустики тощо. Дослідження характеристик прикордонного шару водного середовища є одним з найважливіших етапів у побудові моделі циркуляції атмосфери, необхідної для математичних методів прогнозу погоди. Чисельні довгострокові прогнози погоди зараз перебувають у такій стадії, що їх подальше удосконалення можливе лише з урахуванням впливу на атмосферу водного середовища, як могутнього інерційного акумулятора тепла. Отже, регулярність дослідження процесів у водному середовищі, і особливо в його верхньому діяльному шарі, набуває виняткової важливості.

У зв'язку з цим виникає необхідність досліджень і розробки структурно-алгоритмічних основ організації комп'ютеризованих інформаційно-вимірюваль-них систем моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища, що дозволяють моделювати основні ймовірні характеристики дрібномасштабних прошарків турбулентності, на підставі яких розробляється стратегія проведення експериментальних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі “Автоматизовані системи управління” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”. У роботі використані експериментальні дані, отримані в результаті виконання науково-дослідних робіт разом із СКТБ «Турбулентність» Донецького національного університету. Розроблені моделі, структури й алгоритми організації комп'ютеризованої системи моніторингу було використано під час виконання науково-дослідної роботи Н-33-05 «Розробка наукових основ системного аналізу об'єктів комп'ютеризації та проектування інформаційних, управляючих систем» 2005-2010 рр (Державний реєстраційний № 0110U000111), у якій автор брав участь як виконавець.

Мета роботи: підвищення ефективності функціонування інформаційно-вимірювальних систем моніторингу шляхом виявлення неоднорідностей гідрофізичних полів, ідентифікації турбулентних дрібномасштабних прошарків водного середовища й організації формування та обробки експериментальних даних.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

- виконати системний аналіз структури турбулізованих шарів водного середовища з урахуванням характерних ділянок вертикальних профілів гідрофізичних параметрів: квазіоднорідного шару, термоклину та слабоградієнтного нижнього шару, виділити основні параметри шарів і розробити математичні моделі для їх визначення;

- виконати структурно-алгоритмічний аналіз інформаційно-вимірювальної системи гідрофізичних параметрів водного середовища, що враховує неоднорідності досліджуваних полів, і запропонувати функціональну схему системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних параметрів водного середовища;

- розробити принципи структурно-алгоритмічної організації системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища, що включає об'єктно-еволюційну модель вимірювальної системи, вибір критерію ефективності функціонування системи моніторингу й алгоритм імітаційного моделювання процесу зондування з використанням розроблених моделей;

- розробити метод й алгоритм визначення параметрів конфігурацій системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища, які дозволяють вибрати структуру системи, що задовольняє запропонованому критерію ефективності її функціонування;

- провести дослідження запропонованої структурно-алгоритмічної організації системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища на різних наборах тестових даних.

Об'єкт дослідження: інформаційно-вимірювальні системи моніторингу гідрофізичних полів водного середовища.

Предмет дослідження: засоби, моделі й алгоритми, що дозволяють досліджувати неоднорідності гідрофізичних полів водного середовища для їх ідентифікації та управління експериментом.

Методи дослідження базуються на положеннях системного аналізу, теорії ймовірних процесів, математичної статистики, імітаційного моделювання, теорії статистичних рішень й об'єктно-орієнтованому проектуванні. моніторинг гідрофізичний турболізований водний

Наукова новизна результатів роботи.

1. Розроблено імовірнісну модель розподілу товщини турбулізованих шарів та відстаней між ними, оцінки параметрів якої описуються логнормальним законом із характеристиками, які обчислюються поліномами четвертого ступеня, що забезпечує підвищення вірогідності визначення параметрів розподілу товщини турбулізованих шарів і відстаней між ними до 0,95.

2. Запропоновано нову комплексну модель вертикальної структури турбулізованих шарів, що використовує функції розподілу кількості -шарів, їх товщин та відстаней між ними, і її реалізацію ітераційним алгоритмом, що підвищує вірогідність ідентифікації тонкої структури гідрофізичних полів до 0,95.

3. Уперше розроблено об'єктно-еволюційну модель інформаційно-вимірю-вальної системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища й запропоновано її використання для структурно-алгоритмічної організації системи та імітаційного моделювання процесу вертикального зондування, що дозволило визначити при зондуванні мінімальну частоту опитування датчиків, їх необхідну кількість і розташування, а також швидкість зондування при заданій точності вимірювань.

4. Одержав подальший розвиток метод визначення і тестування конфігурації системи моніторингу на основі об'єктно-еволюційної моделі системи і моделі розподілу турбулізованих шарів за глибиною з використанням імітаційного моделювання, що дозволило підвищити ефективність функціонування інформаційно-вимірювальної системи.

5. Розроблено алгоритм моніторингу гідрофізичних полів водного середовища, який дозволив визначати стратегію зондування на підставі створеної бази даних, промодельованих параметрів турбулізованих шарів, що забезпечило зменшення витрат на проведення експерименту на 30% при необхідній точності вимірювань.

Практичне значення отриманих результатів. На основі запропонованих моделей розроблено діаграму основних класів, у якій описані всі об'єкти, що визначають структуру системи моніторингу та їх взаємодію. Для імітації процесу зондування запропоновано додаткові класи, у яких міститься апріорна інформація про вертикальні профілі вимірюваних гідрофізичних параметрів і про розташування турбулізованих шарів за глибиною, що необхідно для імітації вимірюваних значень і настроювання параметрів зондування.

В основу запропонованого критерію визначення конфігурації системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища, що забезпечує задану точність вимірювань, покладено вартісну оцінку елементів системи та проведення експерименту.

Розроблено алгоритм імітаційного моделювання процесу вертикального зондування, що дозволяє на основі тестового набору вертикальних профілів гідрофізичних параметрів розрахувати значення критерію ефективності функціонування. Такий підхід використовується для вибору конфігурації системи, що задовольняє заданим вимогам по точності і швидкодії.

Результати дисертаційної роботи використано у ТОВ науково-виробничім підприємстві “Донекосервіс” при проведені науково-дослідних робіт з вимірювань вертикальних профілів гідрофізичних параметрів для аналізу температурних режимів і формування паспортів водоймищ, при виконанні науково-дослідної роботи Н-33-05 (державний реєстраційний № 0110U000111) та в навчальному процесі кафедри “Автоматизовані системи управління” ДВНЗ “Донецький націо-нальний технічний університет”, а також при проведенні НДРС, курсового та дипломного проектування, що підтверджено відповідними актами.

Апробації результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзній конференції «Проблеми метрології гідрофізичних вимірювань», м. Москва, 1990 р., 1-й Міжнародній науково-технічній конференції «Моделювання й комп'ютерна графіка», м. Донецьк 04-07 жовтня 2005 р.; VIII міжнародному науково-практичному семінарі “Практика й перспективи розвитку партнерства в сфері вищої школи”, м. Донецьк, 17-20 квітня 2007 р.

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення, теоретичні та прак-тичні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Публікації. Зміст дисертації відображено у 15 наукових публікаціях, із них 5 - у фахових виданнях ВАК України, 6 авторських свідоцтв, 4 - у збірниках науково-технічних конференцій та науковому журналі.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаної літератури із 125 найменувань та 8 додатків. Повний обсяг дисертації складає 247 сторінок друкованого тексту, із них 144 сторінки основного тексту, 42 рисунки й 23 таблиці.

Основний зміст роботи

У першому розділі дисертації «Стан питання та постановка задачі моніто-рингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища» проведено аналіз сучасного стану систем моніторингу, розглянуто їх класифікацію та визначено місце моніторингу гідрофізичних полів водного середовища в загальній структурі. Розглянуто основні параметри й характеристики водних середовищ. На основі аналізу параметрів, що характеризують турбулентні потоки, виділено основні компоненти дрібномасштабних шарів: число турбулентних сплесків у заданому діапазоні глибин, товщина шарів та їх розташування стосовно один одного. Розглянуто й проаналізовано математичні моделі імовірного розподілу параметрів дрібномасштабної турбулентності.

Виконано огляд існуючих сучасних інформаційно-вимірювальних систем для дослідження гідрофізичних параметрів, у результаті якого встановлено, що існуючі вертикально-зондуючи системи не дозволяють цілеспрямовано одержувати дані про дрібномасштабну турбулентність й параметри шаруватої структури водного середовища із необхідними метрологічними характеристиками. У зв'язку з цим виникає задача розробки апаратних й програмних засобів, що забезпечують вимірювання параметрів турбулізованих шарів із достатньою дискретністю за глибиною для відновлення інформації про гідрофізичні поля із похибкою, що не перевищує задану.

У результаті аналізу принципів моніторингу основних параметрів установлено, що при розробці систем моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища необхідно враховувати план проведення експериментів. Проведений аналіз показав необхідність розробки структурно-алгоритмічної організації системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища, що включає моделі, методи й алгоритми для визначення характеристик розподілу дрібномасштабної турбулентності за глибиною, на підставі яких здійснюється планування експериментальних досліджень з мінімальними економічними витратами.

Другий розділ «Теоретичні дослідження розподілу геометричних параметрів дрібномасштабних турбулізованих шарів» присвячено теоретичним дослідженням вертикальної структури розподілу дрібномасштабних турбулізованих шарів за глибиною. Модель вертикальної структури розподілу турбулізованих шарів(-шарів) передбачає визначення відстані r_i до чергового -шару та його товщини t_i. При цьому

, (1)

де Н - необхідна глибина зондування.

Геометричні параметри турбулізованих шарів r_i й t_i є випадковими величинами й розподілені за експоненціальним законом із параметрами розподілу відповідно і .

З метою розробки методики визначення картини розташування -шарів за глибиною виконано аналіз впливу тимчасових та географічних факторів, а також глибини зондування на значення параметрів функцій щільності розподілу ймо-вірностей товщин турбулізованих шарів й відстаней між ними. Встановлено, що істотні розходження в значеннях параметрів спостерігаються в різних акваторіях Океану. Сезонний й тимчасовий фактори мають менший вплив на діапазони зміни параметрів б і в.

Виходячи з припущення про випадковий характер параметрів б і в, було виконано їх статистичний аналіз, у результаті якого було встановлено, що найбільш вірогідним законом їх розподілу є логнормальний закон, що з імовірністю не нижче 0,95 може бути використано для обчислення параметрів функцій розподілу товщин -шарів й відстаней між ними.

При проведенні досліджень розподілу параметрів б і в за глибиною верти-кальні профілі температури було розбито на горизонти по 10 метрів, у кожному з яких виділено шари з пульсаціями температури. За цими даними з урахуванням припущення про логнормальний закон розподілу параметрів б і в було побудовано графіки функцій щільності розподілу ймовірностей цих параметрів за глибиною (рис. 1).

Отримані дані дозволили зробити висновок про існування функціональної залежності параметрів розподілу б і в від глибини. Приклад залежності оцінки математичного сподівання m розподілу параметра за глибиною в районі Південного Каспію наведено на рис. 2. Установлено, що оцінки параметрів розподілу б і в мають тенденцію до зменшення в області термоклину та збільшуються при переході до слабоградієнтного шару із подальшою стабілізацією значення на цій ділянці. Це дозволило апроксимувати з похибкою 5% функціональну залежність оцінок математичного сподівання та дисперсії від глибини поліномом четвертого ступеня:

, 0<h<Н_кр (2)

де Р - оцінка, що обчислюється; a_i - коефіцієнти поліному, обчислені за допомогою методу найменших квадратів; h - поточна глибина; Н_кр - глибина розташування слабоградієнтного шару;

P=k, h>Н_кр (3)

де k - константа, що дорівнює значенню полінома (2) при h = H_кр.

З використанням отриманої математичної моделі розроблено алгоритм моделювання параметрів розподілу товщини турбулізованих шарів і відстаней між ними, що дозволяє виконувати розрахунки оцінок математичного сподівання й середньоквадратичного відхилення параметрів розподілу і в залежності від глибини. Ці оцінки необхідні для визначення випадкових величин і , розподілених за логнормальним законом, за допомогою імітаційного моделювання.

У третьому розділі “Розробка функціональної схеми системи моніторингу гідрофізичних полів водного середовища” розроблено моделі вертикальної структури турбулізованих шарів і сигналів вимірюваних параметрів, виконано структурно-алгоритмічний аналіз та визначено функціональну схему інформаційно-вимірювальної системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища. Для визначення вертикальної структури розподілу турбулізованих шарів за глибиною запропоновано модель, в описі якої використано результати досліджень, отриманих у другому розділі. Реалізація моделі включає:

- моделювання параметрів функцій щільності розподілу імовірностей товщини турбулізованих шарів й відстаней між ними із використанням логнормального закону методом Бокса-Мюлера, при цьому оцінки характеристик попередньо обчислюються до глибини розташування слабоградієнтного шару (Н_кр) поліномом четвертого ступеня з похибкою не більш 5%, нижче Н_кр їх значення прийняті рівними значенням поліномів при h = Н_кр;

- моделювання товщини турбулізованих шарів й відстаней між ними з використанням експоненціального закону й методу зворотного перетворення.

Розроблену модель представлено алгоритмом, приведеним на рис. 3.

У роботі також запропоновано комплексну модель вертикальної структури розподілу -шарів, у якій додатково моделюється можлива кількості -шарів у товщині водного середовища від поверхні до глибини зондування із використанням закону Пуассона.

Виконано перевірку адекватності розроблених моделей, яка полягає в пере-вірці законів розподілу величин, що моделюються, і побудові довірчих інтервалів параметрів розподілів. Аналіз результатів дозволяє вважати запропоновані математичні моделі адекватними реальним процесам з імовірністю не нижче 0,95. При цьому практична значимість модельних результатів вище при використанні комплексної моделі, про що свідчить більш точна побудова вертикальної структури розподілу турбулізованих шарів за глибиною.

Математичну модель сигналу вимірюваного гідрофізичного параметру використано для визначення дискретності отримання даних за глибиною та представлено дискретним перетворенням Фур'є. Спектральне перетворення вертикальних профілів гідрофізичних параметрів отримано за допомогою ШПФ. Перетворення виконане для основних гідрофізичних параметрів: температури, швидкості й електропроводності з розподілом експериментальних даних вихідних вертикальних профілів на ділянки з ламінарною течею й турбулентними сплесками.

У результаті встановлено, що на ділянках з ламінарною течею опитування вимірювачів температури необхідно робити не рідше 15 см переміщення зонду за глибиною, для шарів із турбулентністю ця величина складає не більше 3 см. При цьому не принципово, на якій ділянці вертикального профілю ведуться вимірювання: термоклині, квазіоднорідному або слабоградієнтному шарах.

Виконано структурно-алгоритмічний аналіз системи моніторингу гідрофізичних полів водного середовища, у результаті якого сформульовано базисні функції, що виконуються вимірювальною системою:

- ініціалізація параметрів системи;

- визначення плану проведення моніторингу (зондування);

- переміщення вимірювальних елементів по вертикалі або горизонталі в залежності від обраного плану проведення моніторингу;

- вимірювання гідрофізичних параметрів;

- тестування структурних елементів системи;

- класифікація і збереження отриманої інформації;

- розрахунок вторинних параметрів й обробка результатів досліджень;

- візуалізація отриманої інформації.

У результаті встановлено набір структурних елементів й послідовність дій, що реалізують кожну функцію та розроблено функціональну схему інформаційно-вимірювальної системи моніторингу (рис. 4).

Четвертий розділ “Структурно-алгоритмічна організація системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища” присвячено роз-робці об'єктно-еволюційної моделі системи, що представляє взаємозалежність моделі прецедентів, об'єктної та еволюційної моделей, а також моделі дій й по-водження екземплярів об'єктів.

При формуванні інформаційної моделі виділено основний об'єкт, перетворення якого є метою розробки системи моніторингу, - інформація про тонку структуру гідрофізичних полів водного середовища. Процес одержання експеримен-тальних даних представлено у вигляді ієрархії: "Вимірювані параметри", "Аналоговий сигнал", "Цифровий код", "Буферізована інформація", "Внутрішньомашинна інформація". Для формування об'єктної моделі визначено об'єкти, від яких залежать об'єкти, що еволюціонують й які було виділено на першому кроці: "Засіб руху", "Засоби вимірювання", "Засоби перетворення", "Оперативний запам'ятовуючий пристрій” (ОЗП), "Канал зв'язку" й установлено відносини між об'єктами: один-до-богатьох (1:N). Еволюційна модель описує розвиток об'єктів у результаті їх взаємодії (рис.5) і складається у вигляді моделі дій і поводжень об'єктів. Приклад моделі взаємодій «Опустити зондувальний пристрій» й «Виміряти» приведено на рис. 6.

На основі об'єктно-еволюційної моделі розроблено діаграму класів об'єктів, які визначають структуру інформаційної вимірювальної системи (табл.1).

Таблиця 1

Опис класів об'єктно-еволюційної моделі системи

Ім'я	Призначення	Атрибут	Метод
Основні класи
SystemItem	Системний прилад, базовий клас	*Haracter, Price	Get_Harac, Get_Price
DATCHIK	Засіб вимірювання	Nk, T_iner, H, P, a, b	Get_a, Get_P, Get_b, Set_P, Get_Nk, Set_Nk, Get_iner,
OZU	ОЗП	**P, N, M, Ob, *Ind	Set_P, Get_P, Get_N, Get_M, Get_Ob, Get_Ind
Parametr	Вимірюваний параметр	*Par, N, Name, dhl, dht	Get_Par, Get_N, Get_h, Get_P, Get_name, Get_dhl, Get_dht
KANAL	Канал зв'язку	V, Ob, f	Get_T, Get_Ob, send
DVIG	Засіб руху	H, V, dV	Set_H, Get_H, Set_V, Get_V, Get_dV
ACP	Засіб перетворення	Razr, Vn, Vk, KolK, Koef	Set_koef, Get_P
GREBENKA	Набір однотипних датчиків	*Datchik, k, dr, Koef, dt, T, &Prof	Get_k, Get_dr, Get_koef, Get_Di, Set_dt, Get_T, Set_T, Get_Prof, Set_Par
Додаткові класи
EPURA	Розподіл турбулізованих шарів за глибиною	*R, *Ht, N, i	Get_tip
Menedger_ Izmer	Реалізація процесу вимірювання	*Gr, Integr, *Nk, Kol, &Kanal, dt, K, &Acp, &Ozu	Opros, Set_dt, Get_T, Set_T, Get_Integr, Get_Int, Move, Send
Menedger_ move	Реалізація процесу руху зонда	&Dvig, &Epura, Hmax	Move, Set_dt

Для вибору оптимальної структури інформаційно-вимірювальної системи визначено критерій ефективності, який має задовольняти наступним вимогам:

- мати конкретний фізичний смисл;

- характеризувати ефективність системи;

- враховувати обмеження на похибку вимірювань.

У якості критерію ефективності функціонування інформаційно-вимірювальної системи моніторингу обрано функцію вартості експерименту, аргументами якої є швидкість зондування V та інтервал опитування датчиків t:

-> min, (4)

при обмеженні на похибку системи:

_зад, (5)

де _зад - задана похибка вимірювань гідрофізичних параметрів.

Вартість проведення експерименту визначається за виразом:

, (6)

де - вартість устаткування основної частини конфігурації системи;

- вартість найбільш інерційних вимірювальних каналів, що в основному визначають похибку вимірювань;

n - кількість інерційних вимірювальних каналів;

- вартість АЦП з аналоговим мультиплексором;

- вартість пристрою регулювання швидкості зондування;

- вартість оперативного запам'ятовуючого пристрою, що забезпечує накопичування інформації для блокової передачі даних;

- вартість каналу передачі даних;

- вартість проведення вертикального зондування:

, (7)

де - вартість експерименту, грн/година;

- час еэксперименту.

Швидкість зондування визначається обраним пристроєм регулювання швидкості зонду, що враховано параметром . Інтервал опитування датчиків визначається найбільш інерційним вимірювальним каналом, що враховано параметром .

За похибку системи прийнято відносну інтегральну похибку відновлення вертикального профілю гідрофізичного параметру, який вимірюється:

, (8)

де F₁ і F₂ - площі під відповідними профілями параметру, вимірюваного та відновленого відносно.

Опис класів і запропонований критерій ефективності було використано для розробки програми, що реалізує імітацію процесу моніторингу на основі тестового набору вертикальних профілів гідрофізичних параметрів. З використанням факторного плану і побудови поверхонь відгуків системи, отриманих за допомогою критерію ефективності, виконано аналіз впливу параметрів структурних елементів системи на її функціонування. У результаті визначено діапазони варіювання значень параметрів структурних елементів, що дозволило виконати імітаційне моделювання різних конфігурацій системи моніторингу:

- інерційність датчиків температури 0,1 0,3 с;

- кількість інерційних датчиків на гребінці 2 3;

- відстань між інерційними датчиками на гребінці 3 8 см.

У системі запропоновано використовувати двигун із постійною швидкістю зондування 1 м/с, що характерно для існуючих зондувальних систем. Визначено конфігурацію системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища, що дозволяє виконати вимірювання із похибкою не більш 3,5%, при цьому 3 датчики температури з інерційністю 0,1 с розташовують на гребінці на відстані 3 см один від одного, що забезпечує мінімальну вартість системи.

У п'ятому розділі “Результати дослідження ефективності функціонування й використання комп'ютеризованих систем моніторингу” виконано тестові випробування розробленої інформаційно-вимірювальної системи для перевірки її функціонування при зондуванні тонкої структури гідрофізичних полів з урахуванням градієнтів вимірюваних параметрів на базі експериментальних даних різних акваторій Океану. Отримані результати дозволили зробити висновок про те, що використання плану проведення експерименту за даними градієнту вимірюваного параметру підвищує вірогідність ідентифікації тонкої структури гідрофізичних полів водного середовища у порівнянні з режимом, який використовує модель вертикальної структури турбулізованих шарів за глибиною.

На підставі розрахунків можна стверджувати, що дана конфігурація системи задовольняє вимогам заданої точності вимірювань в інших акваторіях, наприклад для Південного і Північного Каспію, при цьому інтегральна похибка вимірювань у 1,5 рази менше, ніж у Чорному морі. Отже, можливе використання меншої кількості датчиків, які мають більшу інерційність, що знижує вартість системи при заданій похибці, підвищує надійність та ефективність інформаційно-вимірювальної системи.

Узагальнення результатів дозволило сформулювати пропозиції для удосконалення вимірювальних систем моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища в залежності від задач експерименту у вигляді методу визначення параметрів структурних елементів. В основу методу покладено алгоритм імітаційного моделювання процесу зондування за вертикальними профілями гідрофізичних параметрів попередніх експериментів.

Розроблений метод дозволяє:

- визначити конфігурацію системи зондування до проведення натурних випробувань в обраній акваторії і забезпечити одержання інформаційних даних про гідрофізичні поля водного середовища з урахуванням їх тонкої структури при заданій точності вимірювань;

- виконати тестування інформаційно-вимірювальної системи з заданими параметрами структурних елементів, яка призначена для моніторингу неоднорід-ностей гідрофізичних полів водного середовища.

У таблиці 2 приведено дані про тестування сучасних вимірювальних систем, які використовуються при проведенні гідрофізичних експериментів і включають СТД-зонди із параметрами:

зонд “SBE-19” інерційність датчика температури 0,25 с., швидкість зондування 0,25 м/с;

зонд «Исток-5» інерційність датчика температури 0,3 с, швидкість зондування 0,5 м/с;

система запропонованої конфігурації 3 датчика температури інерційністю 0,1 с, розташованих на відстані 3 см, швидкість зондування1 м/с.

Таблиця 2

Результати тестування сучасних вимірювальних систем

Пора року (місяць)	Глибина зондування, м	Похибка вимірювань інерційного каналу (Т), %	Обсяг інформації, байт	Час зондування, с
		Зонд SBE	Зонд «Исток»	Система запропонованої конфігурації	Зонд SBE	Зонд «Исток»	Система запропонованої конфігурації	Зонд SBE	Зонд «Исток»	Система запропонованої конфігурації
Чорне море
Літо (серпень)	100	4,78	8,14	3,5	12376	5334	12376	400	200	100
Весна (квітень)	120	5,02	8,53	3,74	14720	6400	14720	480	240	120
Осінь (листопад)	100	4,66	7,97	3,68	11520	5334	11520	400	200	100
Південний Каспій
Літо (серпень)	600	4,23	11,54	2,93	76800	32000	75088	2400	1200	600
Весна (квітень)	500	4,51	9,77	3,08	64000	25667	65864	2000	1000	500
Осінь (листопад)	500	4,49	10,03	3,11	64000	25667	65216	2000	1000	500
Північний Каспій
Літо (серпень)	60	3,4	6,12	3,07	7680	3200	8960	240	120	60
Весна (квітень)	60	3,59	6,24	3,22	6400	3200	8704	240	120	60
Осінь (листопад)	60	3,63	6,41	3,18	6400	3200	8856	240	120	60

Час виконання зондування в усіх випадках для існуючих систем перевищує показники системи запропонованої конфігурації, тому що швидкість зондування за допомогою досліджуваних зондів менше ніж 1 м/с. Похибка вимірювань у всіх випадках вище, ніж у системи запропонованої конфігурації. Так для зонду “Исток” цей показник перевищує припустимий рівень похибки вимірювань 5%, для зонда “SBE” похибка вимірювань задовільна тільки для Північного Каспію, а для інших акваторій досягає граничного рівня. Обсяг інформації, отриманий у результаті зондування для зонда “SBE-19” перевищує показники розробленої системи. Даний зонд дозволяє реалізувати дискретність вимірювань за глибиною 0,25с·0,25м/с=0,0625 м, тобто приблизно 6 см, що не достатньо для ділянок з турбулентними сплесками, де матиме місце суттєве підвищення похибки вимірювань.

Виконані тестові випробування дозволили розробити алгоритм проведення експерименту для одержання інформаційних даних про тонку структуру гідрофізичних полів водного середовища:

Крок 1. Визначаються умови проведення експерименту: географічні координати акваторії (широта й довгота), дата й час проведення експерименту, набір вимірюваних параметрів, глибина зондування.

Крок 2. Вибирається план проведення зондування. Вибір обґрунтовується набором наявної інформації в базі даних і вимогами дослідника. Розглядають пропоновані варіанти плану:

a. використання моделі розподілу турбулізованих шарів за глибиною (необхідно мати інформацію про параметри розподілу товщини -шарів та відстаней між ними);

b. використання математичної моделі, яка враховує глибину розміщення сезонного термоклину та нижнього слабоградієнтного шару (необхідно мати інформацію про параметри моделі для даної акваторії та часу року, а також граничні значення градієнтів температури для ідентифікації досліджуваного шару);

c. застосування режиму вертикального зондування із максимально припустимою дискретністю вимірювань за глибиною. Даний варіант використовується при відсутності будь-якої інформації про досліджуване водне середовище або за вимогою дослідника. При цьому встановлюється мінімальна швидкість зондування та мінімальний інтервал опитування вимірювальних каналів.

Крок 3. У залежності від обраного плану проведення експерименту (розглядаються випадки а та b) із бази даних вибираються необхідні дані для моделювання картини розташування турбулізованих шарів (а) або термоклину (b).

Крок 4. Виконується цикл опитування вимірювачів.

Крок 5. Визначається тип шару, який зондується. Для варіанту (а) використовується значення поточної глибини й вертикальна структура розподілу -шарів. Для варіанту (b) за поточною глибиною визначається досліджувана ділянка вертикального профілю й аналізується градієнт вимірюваного параметру.

Крок 6. У залежності від типу шару, що зондується, визначається швидкість зондування та інтервал опитування вимірювальних каналів.

Кроки 4-6 повторюють до досягнення заданої глибини зондування.

Розроблений алгоритм дозволяє виконати вертикальне зондування водного середовища, яке містить ламінарні та турбулентні шари, і забезпечує одержання не надлишкових даних про параметри гідрофізичних полів із заданою точністю за мінімальний час, що дозволяє підвищити ефективність інформаційно-вимірювальних систем при мінімальних витратах на проведення експерименту.

Висновки

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної наукової задачі визначення конфігурації комп'ютеризованої системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища, побудоване на основі моделі вертикальної структури турбулізованих шарів й об'єктно-еволюційної моделі системи, методу визначення параметрів структурних елементів вимірювальної системи й алгоритму імітаційного моделювання процесу зондування. Розроблені принципи структурно-алгоритмічної організації систем моніторингу дозволяють підвищити ефективність їх функціонування при вирішенні задачі виявлення -шарів, зменшити час одержання даних без зниження точності та вірогідності вимірюваної інформації.

При проведенні досліджень отримано наступні основні результати:

1. На основі системного аналізу структури дрібномасштабних турбулізованих шарів виявлено вплив на параметри функцій розподілів товщини -шарів та відстаней між ними тимчасових факторів й географічних координат досліджуваної акваторії. Установлено, що найбільш імовірним законом розподілу цих параметрів із вірогідністю 0,95 є логнормальний закон із характеристиками, для об-числення яких запропоновано поліноми четвертого ступеня.

2. Розроблено алгоритми, що дозволяють формувати вибірки даних для статистичного аналізу розподілів геометричних елементів турбулізованих шарів за глибиною, моделювати параметри розподілу товщини -шарів та відстаней між ними шляхом розрахунків оцінок математичного сподівання та середньоквадратичного відхилення з використанням поліномів четвертого ступеня, які забезпечують похибку не більш 5%. Запропоновано нову комплексну модель вертикальної структури турбулізованих шарів, що використовує функції розподілу кількості -шарів, їх товщини та відстаней між ними та ітераційний алгоритм її реалізації, що підвищує вірогідність ідентифікації тонкої структури гідрофізичних полів до 0,95.

3. Виконано перевірку адекватності розроблених моделей, що включає перевірку законів розподілу модельованих величин й побудову довірчих інтервалів параметрів розподілів. Аналіз результатів дозволяє вважати запропоновані математичні моделі адекватними реальним процесам з імовірністю не нижче 0,95. При цьому практична значимість модельних результатів вище у комплексній моделі, про що свідчить більш точне визначення вертикальної структури турбулізованих шарів за глибиною.

4. Виконано структурно-алгоритмічний аналіз системи моніторингу гідрофізичних полів водного середовища, для якого сформульовані базисні функції, що виконуються вимірювальною системою. Це дозволило визначити набір структурних елементів й послідовність дій для реалізації кожної функції та розробити функціональну схему системи. На підставі запропонованої математичної моделі сигналу вимірюваного гідрофізичного параметру, що надходить на вхід вимірювальної системи, розраховано дискретність вимірювань гідрофізичних параметрів за глибиною з метою одержання інформаційних даних з похибкою, що не перевищує 5%.

5. Розроблено об'єктно-еволюційну модель інформаційної системи моніто-рингу, основою якої є процес перетворення інформації від фізичної вимірюваної величини до файлу даних. Сформовано моделі дій й поводження екземплярів об'єктів, що дозволяють мовою об'єктно-орієнтованого проектування описати функціонування системи. На основі об'єктно-еволюційної моделі розроблено діаграму класів об'єктів, які визначають структуру інформаційно-вимірювальної системи моніторингу.

6. Визначено критерій ефективності функціонування інформаційно-вимірю-вальної системи моніторингу гідрофізичних полів водного середовища, в основу якого покладено вартісну оцінку структурних елементів системи й проведення експерименту з заданою точністю вимірювань. З використанням факторного плану і побудови поверхонь відгуків системи, отриманих за допомогою запропонованого критерію ефективності, виконано аналіз впливу параметрів структурних елементів системи на її функціонування. Визначено діапазони варіювання значень параметрів, що дозволило виконати імітаційне моделювання різних конфігурацій системи моніторингу.

7. Сформульовано пропозиції для удосконалення вимірювальних систем моніторингу неоднорідностей гідрофізичних полів водного середовища в залежності від задач експерименту у вигляді методу визначення параметрів структурних елементів. В основу методу покладено алгоритм імітаційного моделювання процесу зондування за вертикальними профілями гідрофізичних параметрів, які отримані у попередніх експериментах. Розроблений метод дозволяє визначити конфігурацію системи зондування до проведення натурних випробувань в обраній акваторії і забезпечити одержання інформаційних даних про гідрофізичні поля водного середовища з урахуванням їх тонкої структури з похибкою, що не перевищує 5%.

8. Запропоновано алгоритм визначення стратегії вертикального зондування при проведенні гідрофізичного експерименту в реальних умовах з використанням розроблених моделей, бази даних параметрів гідрофізичних експериментів та імітаційного алгоритму процесу зондування, що дозволяє змінювати частоту опитування вимірювальних каналів і/або швидкість двигуна лебідки в залежності від ділянки, що досліджується. Це забезпечує одержання необхідного обсягу даних для відновлення вертикальних профілів гідрофізичних параметрів з похибкою, що не перевищує 5%, при мінімальних витратах на експеримент й підвищує ефективність функціонування комп'ютеризованих систем моніторингу.

9. Результати дисертаційної роботи використано на підприємстві ТОВ НВП “Донекосервіс” при проведенні науково-дослідних робіт з вимірювання профілів температури для аналізу температурних режимів й формування паспортів во-доймищ, при виконанні науково-дослідної роботи Н-33-05 (державний реєстраційний №0110U000111) та в навчальному процесі кафедри “Автоматизовані системи управління” державного вищого навчального закладу “Донецький націо-нальний технічний університет”, а також при проведенні НДРС, курсового і дипломного проектування.

Список робіт з теми дисертації

1. Савкова О.Й. Методы уменьшения динамической погрешности гидрофизических информационно-измерительных систем /А.А. Зори, Е.О. Савкова// Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». Донецьк, 2002. Випуск 38. С. 257-264.

2. Савкова О.Й. Использование имитационного моделирования для определения характеристик мелкомасштабной турбулентности /А.А Зори, Е.О. Савкова// Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». Донецьк, 2004. Випуск 74. С. 326-331.

3. Савкова О.Й. Разработка стратегии вертикального зондирования с использованием математических моделей мелкомасштабных турбулизированных прослоек /А.А Зори, Е.О. Савкова// Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». Донецьк, 2007. Випуск 13 (121). С. 166-173.

4. Савкова О.Й. Статистический анализ характеристик мелкомасштабной турбулентности /А.А Зори, Е.О. Савкова// Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація».Донецьк, 2008. Випуск 14 (129). С. 90-96.

5. Савкова О.Й. Разработка компьютеризированной системы мониторинга гидрофизических полей водной среды /А.А Зори, Е.О. Савкова// Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». Донецьк, 2009. Випуск 17 (148). С. 81-89.

6. Савкова О.Й. Автоматизированная система ввода и обработки информации аэродинамического эксперимента /В.А. Захарчук, А.А Зори, А.В. Рындин, Е.О. Савкова, Н.А. Ярошенко// Приборы и техника эксперимента. 1985. № 3. С. 90-91.

7. Савкова О.Й. Косвенная автоматизированная градировка СТД-систем /А.А Зори, С.В. Мащенко, Е.О. Савкова// Материалы всесоюзной конференции «Проблемы метрологии гидрофизических измерений» НПО «ВНИИФТРИ». Москва, 1990. С. 57-58.

8. Савкова О.Й. Моделирование параметров тонкой структуры гидрофизи-ческих полей при зондировании водной среды /А.А Зори, Е.О. Савкова// Материалы первой международной научно-технической конференции «Моделирование и компьютерная графика». Донецьк, 2005. С. 248-251.

9. Савкова О.Й. Итерационная математическая модель параметров распределения тонкой структуры гидрофизических полей /А.А Зори, Е.О. Савкова// Материалы восьмого международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы» в 3-х т.: Т. 3. Донецьк, 2007. С. 125-131.

10. А. с. 1287085 СССР, МКИ³ G 01 V 11/00. Зондирующее устройство для измерения гидрофизических параметров водной среды /А.А Зори, Г.П. Яремин, Э.Г. Красовский, Е.О. Савкова, В.Н. Стасенко, Н.А. Ярошенко, А.И. Яценко (СССР). № 3902177/31-25; заявл. 29.09.85 ; опубл. 01.09.86, Бюл. № 4.

11. А. с. 1516930 СССР, МКИ³ G 01 N 27/14. Устройство измерения кон-центрации с автоматической градуировкой /А.А Зори, Г.П. Еремин, С.В. Мащенко, Л.Ю. Парасочка, Е.О. Савкова(СССР). № 4368977/31-25; заявл. 27.01.88; опубл. 22.06.89, Бюл. № 39.

12. А. с. 1615886 СССР, МКИ³ H 03 M 1/48. Аналого-цифровой квадратичный преобразователь / А.П. Васьковцов, Е.В. Макаров, Е.О. Савкова(СССР). № 4629740/24-24; заявл. 02.01.89; опубл. 12.08.90, Бюл. № 47.

13. А. с. 1612718 СССР, МКИ³ G 01 N 1/00. Зондирующее устройство для измерения гидрофизических параметров водной среды / А.В. Зимин,А.А Зори, С.В. Мащенко, Е.О. Савкова(СССР). № 4686224/31-25; заявл. 03.05.89; опубл. 08.08.90, Бюл. № 9.

14. А. с. 1746228 СССР, МКИ³ G 01 J 3/42, 1/42. Атомно-абсорбционный спектрофотометр / А.П. Васьковцов, А.В. Зимин, А.А Зори, Ю.И.Негулин, А.И. Поляков, В.Ф. Резинкин, Е.О. Савкова (СССР). № 4843581/25; заявл. 29.06.90; опубл. 07.07.92, Бюл. № 25.

15. А. с. 1755157 СССР, МКИ³ G 01 N 27/02. Устройство для определения распределения солености воды /А.А Зори, Е.В. Рязанцева, Е.О. Савкова (СССР). № 4803498; заявл. 19.03.90; опубл. 15.04.92, Бюл. № 30.

В працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: [1] - розроблено метод зменшення динамічної похибки гідрофі-зичних інформаційно-вимірювальних систем; [2, 8, 9] - розроблено моделі тонкої структури гідрофізичних полів, які використовуються при вертикальному зондуванні водного середовища; [3] - розроблено алгоритм визначення стратегії вертикального зондування, надано різні варіанти стратегії; [4] - досліджено фактори, що впливають на параметри розподілу товщин турбулізованих шарів та відстаней між ними, а також визначено функціональні залежності параметрів розподілу за глибиною; [5] - виконано структурно-алгоритмічний аналіз основних базисних функцій системи моніторингу, обрано функціональні блоки, проведено аналіз отриманих результатів; [6] - розроблено алгоритми введення й обробки інформації аеродинамічного експерименту;[7, 11, 12, 14] - виконано опис основних схем пристроїв; [10, 13] - розроблено структуру пристрою для зондування гідрофізичних параметрів водного середовища; [15] - розроблено структуру пристрою для обчислення солоності води в реальному часі вимірювань первинних гідрофізичних параметрів.

Анотація

Савкова О.Й. «Структурно-алгоритмічна організація комп'ютеризованої системи моніторингу неоднорідностей гідрофізичних параметрів водного середовища». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - “Комп'ютерні системи й компоненти ” - ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення ефективності функціонування вимірювальних систем моніторингу для визначення неоднорідностей, які ідентифікують дрібномасштабні прошарки водного середовища з використанням об'єктно-еволюційної моделі та методу імітаційного моделювання. Визначено функціональні залежності оцінок параметрів розподілення геометричних елементів дрібномасштабних турбулізованих шарів за глибиною у вигляді поліномів четвертого ступеня. З використанням цих поліномів розроблено модель для визначення оцінок параметрів функцій розподілу глибини залягання та товщини турбулізованих шарів. Модель враховує виникнення неоднорідностей на особливих ділянках водного середовища: у шарі термоклину, слабоградієнтному та квазіоднорідному шарах. Запропоновано об'єктно-еволюційну модель вимірювальної системи моніторингу тонкої структури гідрофізичних шарів, на базі якої було розроблено бібліотеку класів для опису об'єктів системи. На основі цієї моделі та моделі розташування турбулізованих шарів за глибиною, а також з використанням імітаційного моделювання було запропоновано метод визначення і тестування конфігурації вимірювальної системи моніторингу. Цей метод використано для розробки алгоритму моніторингу гідрофізичних шарів водного середовища, який дозволяє змінювати стратегію зондування на підставі створеної бази даних, промодельованих параметрів турбулізованих шарів, що забезпечує підвищення достовірності ідентифікації неоднорідностей при зменшені витрат на проведення експериментів та підвищує ефективність інформаційно-вимірювальних систем.

Ключові слова: турбулентність, вертикальна структура турбулізованих шарів, зондування гідрофізичних полів, структурно-алгоритмічний аналіз, об'єктно-еволюційна модель, імітаційне моделювання, моніторинг водного середовища.

Аннотация

Савкова Е.О. «Структурно-алгоритмическая организация компьютеризированной системы мониторинга неоднородностей гидрофизических полей водной среды». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - “Компьютерные системы и компоненты” - ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2010.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения эффективности функционирования измерительных систем мониторинга для распознавания неоднородностей гидрофизических полей, идентифицирующих мелкомасштабные прослойки водной среды, путем разработки объектно-эволюционной модели системы и метода имитационного моделирования.

Выполненный анализ геометрических элементов мелкомасштабных турбулизированных слоев (-слоев) выявил влияние на параметры функций распределения толщин -слоев (б) и расстояний между ними (в) временных факторов и географических координат исследуемой акватории. Установлено, что наиболее вероятным законом распределения этих параметров с достоверностью 0,95 является логнормальный закон. Получены оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения параметров б и в по глубине и определены функциональные зависимости этих оценок в виде полиномов четвертой степени. Формирование выборок данных для выполнения этого анализа осуществлялось с помощью разработанных алгоритмов.

Полученные функциональные зависимости использованы в предложенной модели вертикальной структуры -слоев для вычисления оценок математического ожидания и дисперсии параметров законов распределения толщин турбулизированных слоев и расстояний между ними для текущего значения глубины. Разработана также комплексная модель вертикальной структуры -слоев, которая учитывает среднее количество турбулизированных слоев в заданной глубине и приводит к итерационным вычислениям, обеспечивая уменьшение погрешности идентификации -слоев.

Выполнена проверка адекватности разработанных моделей путем сравнения законов распределения моделируемых величин и построения доверительных интервалов параметров распределений, которая позволяет считать предложенные модели адекватными реальным процессам с вероятностью не ниже 0,95. При этом практическая значимость модельных результатов выше у комплексной модели, о чем свидетельствует более точное определение вертикальной структуры распределения турбулизированных слоев по глубине.

В результате использования структурно-алгоритмического анализа выделены базисные функции, выполняемые измерительной системой, определен набор структурных элементов и последовательность действий, реализующих каждую функцию, что позволило разработать функционально-структурную схему системы мониторинга. На основании математической модели сигнала измеряемого параметра рассчитана дискретность измерений гидрофизических полей по глубине для получения информационных данных с погрешностью не более 5%.

Разработана объектно-эволюционная модель информационно-измерительной системы, состоящая из модели прецедентов, объектной и эволюционной моделей, модели действий и поведения экземпляров объектов. На основе объектно-эволюционной модели построена диаграмма классов, описывающих структурные элементы системы мониторинга.

Определен критерий эффективности функционирования информационно-измерительной системы, в основу которого положена стоимостная оценка элементов системы и времени проведения эксперимента. Критерий дополнен ограничением на погрешность измерений. С помощью факторного плана и построения поверхностей откликов системы выполнен анализ влияния различных параметров структурных элементов на конфигурацию системы.