Міністерство транспорту та зв’язку України

Національна академія наук України

Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури

ШЕВЧЕНКО ОЛЬГА ВІКТОРІВНА

УДК 681.3;004.93

ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНІ МЕТОДИ ПЕРЕДАЧІ

ТА ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ У АВТОМАТИЗОВАНІЙ ГЕОІНФОРМАЦІЙНО-ЕНЕРГЕТИЧНІЙ СИСТЕМІ

Спеціальність 05.13.06 – автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському університеті економіки та технологій транспорту Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Тимченко Леонід Іванович,

Київський університет економіки та технологій транспорту

Міністерства транспорту та зв’язку України,

завідувач кафедрою телекомунікаційних технологій та автоматики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Сікора Любомир Степанович

Національний університет „Львівська політехніка”,

професор кафедри автоматизованих систем управління

доктор технічних наук, професор

Русин Богдан Павлович

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України,

завідувач відділом методів і систем обробки,

аналізу й ідентифікації зображень, м. Львів

Провідна установа:

Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, відділ спеціалізованих засобів моделювання, м. Київ

Захист відбудеться 24.04.2007 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.813.01 при Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури (79000 МСП, м.Львів, вул.Тролейбусна, 11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту інформаційної інфраструктури за адресою: 79000 МСП, м. Львів, вул. Тролейбусна, 11.

Автореферат розісланий 22.03.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Опотяк Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Науково-технічний прогрес останніх десятиліть призвів до створення і широкого розповсюдження персональних комп’ютерів, а також до виникнення і бурхливого розвитку інформатики та їх революційного впливу на практично всі види діяльності людини. При виникненні та розвитку на початку 90-х років напрямку геоінформаційних систем спеціалісти багатьох галузей швидко оцінили широкі можливості моделювання геопростору та підготовки просторових рішень. Цей період відмічений появою в періодичних геоінформаційних виданнях великої кількості публікацій просвітницького та освітнього характеру з питань дистанційного зондування, систем координат, супутникового визначення координат, а також з розробки геоінформаційної термінології та формування нового наукового напрямку – геоінформатики.

На сьогоднішній день, при зростаючих потребах суспільства у енергетичних ресурсах, постає потреба у широко розповсюдженому інформаційному середовищі, яке забезпечувало б якісний, швидкісний та завадостійкий обмін інформацією. У роботі в якості середовища обробки інформації запропоновані паралельно-ієрархічні технології, які на відміну від існуючих характеризуються високим ступенем паралелізму, високою продуктивністю, завадостійкістю, паралельно-ієрархічним способом передачі і обробки інформації. В процесі розвитку цього напрямку спостерігається поява нових можливостей забезпечення користувача інформацією та нових можливостей її використання і постачання, пов’язаних, в тому числі, і з Інтернет-технологіями.

У рамках рішення задач територіального управління і енергетичного забезпечення важливим є створення автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи (АГІЕС) на рівні міста, області, регіону, країни тощо, що дозволить на основі інформаційно-енергетичної складової впроваджувати, окрім відомих геоінформаційних систем екологічного моніторингу довкілля, також системи управління промисловими підприємствами та транспортом, медичними, науково-освітніми, правоохоронними, комунальними, фінансовими, земельними та іншими галузями і дозволить створити систему для відеоспостереження та обробки відеоданих. Геоінформаційно-енергетична система є глобальним засобом прискорення науково-технічного прогресу у зв’язку із її широким розповсюдженням, загальнодоступністю та високими показниками якості передачі та обробки інформації, що досягається завдяки інтегруванню у широко розгалужену систему передачі електроенергії спеціалізованого провідника, який конструктивно поєднує середовища розповсюдження інформації та енергії, а саме волоконно-оптичну лінію зв’язку, охоплену металевим провідником електроенергії.

Розробки зі створення АГІЕС базуються на розробках систем, які виконують не тільки обчислення, але й моделюють образне сприйняття світу та прийняття рішень і орієнтовані на виконання функціонального моделювання інтелектуальної діяльності людини, що відносяться до основних напрямків науково-технічного розвитку. Такі ідеї базуються на розвитку вітчизняної комп’ютерної науки останніх десятиріч. Серед першопрохідників в цій сфері досліджень слід відмітити таких учених: С.А. Майоров, В.М. Глушков, В.В. Грицик, В.П. Боюн, А.Г. Івахненко, О.В. Палагін, З.Л. Рабинович, Л.С. Сікора, В.П. Кожем’яко, Б.П. Русин, П.Г. Костюк, Ю.В. Капітонова, Г.С. Поспєлов, Ю.Ф. Кутаєв та ін.

Виходячи із вищесказаного, актуальною є задача створення автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, побудованої за принципами оптико-електронних паралельно-ієрархічних технологій, та дослідження передачі і обробки інформації у ній, що дає можливість застосування нових принципів і методів паралельної обробки та якісної передачі інформації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких подано в даній дисертаційній роботі, проводились здобувачем згідно з науково-дослідними роботами: 27-2005Б (номер держреєстрації 0105U000596) „Розробка математичних моделей та програмних засобів для прогнозування перегріву букс типу ПОНАБ-3 та ДИСК-Б”, 22-2204Б (номер держреєстрації 0104U007475) „Розробка програмно-апаратних засобів високоточного виміру швидкості руху та координат знаходження локомотивів”, що виконуються на кафедрі телекомунікаційних технологій та автоматики Київського університету економіки і технологій транспорту.

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення продуктивності обробки та завадостійкості передачі інформації у автоматизованій геоінформаційно-енергетичній системі і розширення її функціональних можливостей та області застосування шляхом використання новітніх перспективних інформаційних технологій.

Для досягнення поставленої мети вирішенню підлягають такі задачі:

- Проаналізувати сучасний стан та напрямки розвитку автоматизованих геоінформаційних систем, систематизувати концепції та підходи до створення паралельно-ієрархічних методів і засобів обробки та передачі інформації з метою створення автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи.

- Розробити універсальну та сумісну з іншими модель автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи на основі паралельно-ієрархічних методів та засобів передачі даних відповідно до спеціалізованого призначення.

- Модифікувати метод паралельно-ієрархічного Q-перетворення інформації з метою підвищення його завадостійкості для застосування у автоматизованій геоінформаційно-енергетичній системі.

- Розробити алгоритми функціонування модифікованого методу паралельно-ієрархічного Q-перетворення, виконати їх програмне моделювання для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, а також провести експериментальне дослідження показників запропонованого методу.

- Розробити паралельні методи векторно-матричного множення у формі з плаваючою комою та їх структурні реалізації на основі оптичних цифрових обчислень для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи.

Об’єктом дослідження є процес перетворення, обробки та передачі інформації у автоматизованій геоінформаційно-енергетичній системі на основі використання новітніх інформаційних технологій.

Предметом дослідження є автоматизована геоінформаційно-енергетична система.

Методи дослідження базуються на основних положеннях системного аналізу і теорії паралельної обробки інформації, теорії алгоритмів, теорії проектування обчислювальних систем, теорії Q-перетворення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано принципи створення автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, яка, на відміну від існуючих систем, дозволяє об’єднати у єдиний інформаційно-енергетичний простір різні бази знань, виконувати швидкісний та якісний обмін службовою інформацією із забезпеченням необхідної енергетичної складової, а також розширює її область застосування та функціональні можливості.

2. Вперше одержано моделі автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи шляхом застосування новітньої оптико-електронної бази, які дозволяють створити єдину базу знань в запропонованих галузях, забезпечити швидкісний і якісний обмін інформацією, а також розширити функціональні можливості такої системи.

3. Модифіковано метод паралельно-ієрархічного Q-перетворення для автоматизованих геоінформаційно-енергетичних систем, в якому, на відміну від відомих, досягається можливість Q-перетворення шляхом використання динамічного порогу, який змінюється в процесі обробки даних, що дає змогу підвищити завадостійкість перетворення інформації на 11%.

4. Вдосконалено метод паралельного векторно-матричного множення для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, в якому, на відміну від відомих, досягається можливість проведення обчислень у формі з плаваючою комою, що дозволило розширити діапазон подання вхідних даних.

5. Модифіковано структурну модель паралельного векторно-матричного помножувача як засобу паралельного перетворення інформації для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи шляхом введення до розгляду як локальних, так і глобальних зв’язків між процесорними елементами з властивістю перетинатись без перешкод, а також здатності багатовимірної архітектури підтримувати максимально можливий паралелізм обчислень, що дозволило на порядок підвищити обчислювальну продуктивність.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Створено структурні моделі оптико-електронної автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, які дозволили об’єднати у єдиний універсальний автономний інформаційно-енергетичний простір різні бази знань, що дає можливість отримати швидкісний і якісний обмін службовою інформацією та забезпечити необхідною енергетичною складовою, а також розширити область застосування та функціональні можливості вказаних систем.

2. Сформовано методику врахування динамічного порогу, який змінюється в процесі обробки даних, у методі Q-перетворення інформації для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи, що дозволяє підвищити завадостійкість та оптимізувати процес перетворення.

3. Розроблено пакет програм для реалізації модифікованого методу паралельно-ієрархічного Q-перетворення інформації для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи та проведено дослідження питання завадостійкості, що продемонструвало підвищену здатність методу до відновлення інформації шляхом використання динамічного порогу.

4. Розроблено перспективні паралельні алгоритми та їх структурні реалізації векторно-матричного множення, які дозволили підвищити на порядок продуктивність за рахунок паралелізму обчислень, розширити діапазон подання даних порівняно із цілочисельними методами за рахунок введення подання чисел у формі з плаваючою комою.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використані та впроваджені на Державному науково-виробничому підприємстві „Автотелтранс” та Державному підприємстві „Машинобудівна фірма „Артем””. Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес на кафедрі телекомунікаційних технологій та автоматики Київського університету економіки та технологій транспорту. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача.

Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. В публікаціях, які написані у співавторстві, здобувачеві належить: структурна організація та алгоритм роботи паралельного векторно-матричного помножувача у формі з плаваючою комою [1]; алгоритм роботи паралельного векторно-матричного помножувача в формі з плаваючою комою, аспекти його структурної реалізації [2]; оцінювання основних характеристик оптоелектронного векторно-матричного помножувача з плаваючою комою [3, 13, 15, 20]; структурна та архітектурна реалізація оптико-електронної геоінформаційно-енергетичної системи [4, 11]; модифікація алгоритму паралельно-ієрархічного Q-перетворення для методу визначення координат зображень лазерних пучків [5, 24]; схемотехнічне рішення способу повороту зображення [6, 9]; моделювання, структурна та архітектурна організація оптико-електронної геоінформційно-енергетичної системи [7, 8, 10, 17, 23]; схемотехнічне рішення способу перетворення напруги в код [12]; реалізація блоку векторно-матричного множення в ітераційному спецпроцесорі для розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь [14, 18]; паралельно-ієрархічні завадостійкі алгоритми прямого та зворотного Q-перетворення [16]; реалізація базових вузлів та блоків спецпроцесора [19]; моделювання методу пірамідально-лінійного кодування [21]; інтелектуальна процедура для маршрутизації [22].

Апробація результатів роботи.

Основні наукові і практичні результати роботи доповідались і обговорювались на: щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ (Вінниця, 2002-2004); 2-nd International Conferences of Optoelectronic International Technologies “PHOTONICS-ODS” (Вінниця, 2002); VII Міжнародній технічній конференції „Контроль і управління в складних системах” КУСС-2003 (Вінниця, 2003); II Міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень 2003” (Дніпропетровськ, 2003); VII Міжнародній науково-практичній конференції „Наука і освіта 2004” (Дніпропетровськ, 2004); I Міжнародній науково-практичній конференції „Науковий потенціал світу 2004” (Дніпропетровськ, 2004); Міжнародній науковій конференції SPIE (США, Денвер, 2004); III International Conference on Optoelectronic Information Technologies SPIE “PHOTONICS-ODS 2005” (Ukraine, Vinnytsia, 2005); ІІІ науково-практичній конференції КУЕТТ „Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління” (Київ, 2005); LXVI Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 2006); ХХV Міжнародній науково-практичній конференції “Применение лазеров в медицине и биологии” (Луцьк, 2006); Міжнародній науковій конференції SPIE Optic East (США, Бостон, 2006); ХІІІ Міжнародній науково-практичній конференції з автоматичного управління „Автоматика 2006”, (Вінниця, 2006).

Публікації.

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 24 друкованих праць. З них 8 статей в наукових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України [1-8], 5 статей у збірниках науково-технічних конференцій [13-17], 7 наукових робіт в збірниках тез доповідей науково-технічних конференцій [18-24], отримано 4 патенти на винахід [9-12].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 168 сторінок, з яких основний зміст викладено на 144 сторінках друкованого тексту, дисертація містить 44 рисунки, 3 таблиці. Список використаних джерел складається із 125 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику дисертаційної роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан геоінформаційних систем, вказані особливості розробки автоматизованої геоінформаційно-енегетичної мережі. Визначено, що при зростаючих потребах суспільства у енергетичних ресурсах, постає потреба у широко розповсюдженому інформаційному середовищі, яке забезпечувало б якісний, швидкісний та завадостійкий обмін інформацією. Для реалізації єдиного середовища одночасного розподілення інформації та енергії пропонується створення автоматизованої геоінформаційно-енергетичної мережі (АГІЕС) на основі оптико-електронної бази.

АГІЕС – це інформаційна система, що забезпечує збирання, зберігання, обробку, доступ, відображення та розповсюдження просторово-координованих даних та забезпечення електроенергією необхідних складових системи.

Представлено класифікаційний аналіз АГІЕС та вказано переваги та недоліки використання такої системи. Серед переваг можна виділити: швидкісний, якісний та стабільний обмін великими об’ємами інформації на далекі відстані без ретрансляції завдяки використанню волоконно-оптичних ліній як засобу передачі інформації; широка розповсюдженість та загальна доступність мережі завдяки використанню вже існуючої енергетичної мережі, на базі якої пропонується створювати АГІЕС; автономність системи в інформаційно-енергетичному аспекті; сумісність із іншими мережами та системами. Основний недолік АГІЕС на етапі її впровадження – це необхідність заміни старих інформаційних та енергетичних комунікацій новими спеціалізованими провідниками з інтегрованими середовищами розповсюдження інформації та енергії (фірми-виробники: Draka, Samsung, Fujikura, Wireteс). Але оскільки доступна на сьогоднішній день технічна база не дозволяє використовувати старі енергетичні та телефонні лінії комутації у задачах передавання великих об’ємів даних, можна стверджувати, що вказаний недолік та відносно висока вартість волоконно-оптичного обладнання повною мірою компенсується надійністю та експлуатаційними характеристиками створеної на цій базі інформаційно-енергетичної мережі.

АГІЕС може використовуватись у різних галузях діяльності, таких як: транспортна, медична, науково-освітня, правоохоронна, комунальна, фінансова, земельна, управління промисловими підприємствами тощо, і дозволяє побудувати систему відеоспостереження та обробки відеоданих. Система надає можливість управління, моніторингу та координації на різних рівнях ієрархії, таких як окрема структура (підприємство, ВУЗ і т.ін.), місто, область, регіон, країна тощо.

Проаналізовано сучасний стан та перспективи розвитку інформаційних технологій для автоматизованої геоінформаційно-енерегтичної системи, обґрунтовано потребу паралельних методів передачі та обробки інформації в автоматизованій АГІЕС.

Постійно зростаючі вимоги до обробки сигналів в реальному часі і до підвищення швидкодії апаратури призводять до необхідності створення обчислювальних структур із новою архітектурою, спроможних із дуже великою швидкістю обробляти великі масиви даних. Електронні прилади впритул наблизились до своєї фізичної межі швидкодії, тому вирішення задач паралельної обробки інформації цілком залежить від розробки та застосування високошвидкісних і цілком паралельних інтелектуально-обчислювальних процесів.

У другому розділі запропоновано принципи створення АГІЕС відповідно до вказаної в першому розділі класифікації, а саме АГІЕС науково-освітніх і бібліотечних ресурсів та АГІЕС медичного призначення, які є вдосконаленням принципів розробки геоінформаційних систем (ГІС). Розроблені моделі є більш розповсюдженими, дозволяють швидкісний та якісний обмін великими масивами інформації, є загальнодоступними і в той же час поділяються на спеціалізовані блоки, що дозволяє централізоване управління та моніторинг системою на різних рівнях ієрархії.

Представлено орієнтовні етапи проходження та обробки інформації у АГІЕС (рис. 1).

Рис. 1. Орієнтовні етапи проходження та обробки інформації у АГІЕС | Інформація в геоінфрмаційно-енергетичних системах передається за допомогою ліній зв’язку (ЛЗ). У випадку створення АГІЕС використовуємо волоконно-оптичні лінії зв’язку із спеціалізованим провідником, що забезпечує швидкісну та якісну передачу великих об’ємів даних та електроживлення електричних складових АГІЕС.

Прийнята з ЛЗ інформація направляється до блоку отримання інформації (БОІ) із зовнішніх пристроїв або із пристроїв АГІЕС. На наступному етапі відбувається фільтрація, попередня обробка та декодування інформації у блоці БФПД.

Розмежування інформації по напрямках та визначення каналів, в яких повинна відбуватись обробка, виконується на наступному етапі у блоці направлення передачі (БНП).

В подальшому інформація надходить безпосередньо до блоку обробки інформації (БОбІ), який структурно складається із ряду обчислювальних приладів та пристроїв, взаємозв’язків та взаємовпливів між ними.

Надалі інформація надходить до блоку аналізу результуючих даних та прийняття рішення (БАРД), в якому відбувається формування відповідної реакції на запит та блоку кодування й направлення вихідної інформації (БКН) для подальшої її обробки до користувача оптичними каналами ЛЗ.

В дисертаційній роботі, окрім запропонованих принципів створення АГІЕС, більш детальну увагу приділено також таким блокам із етапів проходження інформації у АГІЕС, як БКН та БФПД. При цьому запропоновано завадостійкі алгоритми паралельно-ієрархічного Q-перетворення, виконано їх програмне моделювання та імітацію каналу передачі інформації із визначенням завадостійкості методу.

Позначаючи оператор -перетворення через математична модель паралельно-ієрархічного (ПІ) перетворення на основі -розкладання запишеться в такому вигляді:

де – кількість ієрархічних рівнів, та – хвостові елементи ПІ мережі, побудованої на основі -ряду.

На основі -ряду початкові значення масиву на кожному ієрархічному рівні утворюють послідовності:

ПІ :

ПІ :

Для зменшення часових затрат, що йдуть безпосередньо на -перетворення введемо поріг точності P, що являє собою оптимальне середнє значення елементів мережі та обчислюється за формулою:

P=round( ,n), (1)

де round(х,n)- оператор математичного округлення виразу х до n знаків після коми.

У випадку застосування виразу (1) до всієї інформаційної послідовності, що обробляється, отримаємо значне покращення часових характеристик оброблення інформації, і як наслідок – меншу завантаженість апаратних засобів. З метою підвищення завадостійкості методу Q-перетворення введемо поняття динамічного порогу, який можна описати виразом:

PД= ,

де n1, n2, …, nm – параметр оператору математичного округлення, що змінюється динамічно;

m – кількість змін параметру n.

У даному випадку при прямому Q-перетворенні на кожному етапі обробки даних визначаються такі значення порогів, при яких зворотне перетворення відбуватиметься без спотворення. При цьому, при обчисленні порогу беруться до уваги значення хвостових елементів суміжних -рядів.

Крім того, більш детально розглянутий блок БОбІ із етапів проходження та обробки інформації у АГІЕС (див. рис. 1), для якого запропоновано перспективні методи паралельного перетворення інформації у АГІЕС, а саме створення паралельного векторно-матричного помножувача (рис. 2).

Запропоновані методи дозволяють розширити діапазон представлення вхідних даних в разів за рахунок організації матричного обчислення у формі з плаваючою комою, а розроблені паралельні структури на їх базі дозволяють на порядок підвищити продуктивність обробки інформації.

Для цих методів розроблено паралельні алгоритми та на їх основі оцінено загальний час векторно-матричного множення, тобто:

Tв-м1п.к.=(М2+М3+Р+4+N(4Р+4М+МР+11)),

,

де N – розмірність матриці та вектора;

М – кількість розрядів, відведених під мантису,

Р – кількість розрядів, відведених під порядок,–

параметр часу кроку обробки одного розрядного зрізу (РЗ).

а) | б)

Рис. 2. Перспективні методи паралельного векторно-матричного множення

а) метод з формуванням матриці часткових добутків;

б) метод з формуванням вектора часткових добутків.

Оцінено основні характеристики векторно-матричного множення шляхом визначення коефіцієнта прискорення паралельних методів відносно їх послідовних аналогів, де отримано такі послідовності:

,

.

Встановлено, що метод паралельного векторно-матричного множення з матрицею часткових добутків є більш ефективним порівняно з іншим запропонованим методом.

При порівнянні обраного більш ефективного методу паралельного векторно-матричного множення з матрицею часткових добутків з відомим цілочисельним методом векторно-матричного множення, який послужив основою для розробки методу з формою подання даних із плаваючою комою, отримаємо розширення діапазону подання вхідних даних, що визначається за коефіцієнтом k:

,

навіть при Р=4, а L=4P діапазон елементів початкових матриці А та вектора b збільшиться в 215 разів.

У третьому розділі розроблено структурну та архітектурну організацію АГІЕС відповідно до вказаної у дисертації класифікації та запропоновані АГІЕС медичного призначення та науково-освітніх та бібліотечних ресурсів.

Запропонована АГІЕС медичного призначення (рис. 3) націлена на реалізацію на оптико-електронній базі із застосуванням ВОЛЗ та при її використанні надає ряд переваг та можливостей, а саме:

- створення єдиної бази, в якій міститься та весь час поповнюється інформація про стан здоров’я людини, що оптимізує процес визначення діагнозу лікарем;

- віддаленого контролю за станом здоров’я людини, діагностування, дистанційного отримання кваліфікованої консультації лікаря, дистанційного поповнення своєї бази людиною показниками стану організму тощо;

- управління, моніторингу та координації системи на різних рівнях ієрархії;

- відеозв’язку та проведення дистанційних консиліумів лікарів.

Особливістю АГІЕС медичного призначення є інтегрування в неї біопроцесорного таймера-годинника (патент № UA46070C2). Вказаний прилад дозволяє вимірювати та фіксувати певні показники стану організму, а інтегрування цього приладу в АГІЕС та налагодження системи дистанційного зв’язку дозволяє отримати ряд переваг, вказаних вище.

Крім того, у третьому розділі приведено принцип реалізації завадостійкого прямого та зворотного Q-перетворення, що входить до певних етапів передачі та обробки інформації в АГІЕС (див. рис. 1), на основі яких проведено аналіз завадостійкості методу.

Розроблено структурні схеми для реалізації на оптико-електронній базі розглянутих в другому розділі перспективних методів паралельного векторно-матричного множення, які також запропоновані для використання у АГІЕС на певних етапах передачі та обробки інформації (див. рис. 1).

Рис. 3. Автоматизована ГІЕС медичного призначення

Оскільки параметр часу кроку обробки одного РЗ оцінюється як

(2)

де – затримка сигналів у базових матричних логічних елементах, то з урахуванням формули (2) маємо наступні значення часу векторно-матричного множення на структурі паралельного помножувача з плаваючою комою відповідно для методу із формуванням матриці часткових добутків (3) та із формуванням вектора часткових добутків (4):

Tв-м1п.к.=(М2+М3+Р+4+N(4Р+4М+МР+11)) , (3)

Tв-м2п.к.= . (4)

У четвертому розділі приведено результати моделювання запропонованого завадостійкого методу Q-перетворення, який використовується на певних етапах передачі та обробки інформації в АГІЕС (див. рис. 1).

На основі засобів MathLab проведено аналіз запропонованого методу та встановлено, що показник імовірності виникнення помилки для запропонованого завадостійкого методу на 11% кращий порівняно із відомими завадостійкими методами. Проведено дослідження пропускної здатності каналу С (рис. 4) та ентропії Н (рис. 5), де встановлено, що запропонований метод дає хороші показники пропускної здатності каналу, що прямує до 1, та ентропії, що прямує до 0.

Рис. 4. Залежність пропускної здатності каналу зв’язку С від співвідношення сигнал/шум | Рис. 5. Залежність ентропії каналу зв’язку Н від співвідношення сигнал/шум

З використанням розробленого програмного комплексу проведено імітацію передачі даних у каналі зв’язку із завадами різного розподілу та ряд експериментів для визначення рівня завадостійкості використання Q-перетворення інформації у АГІЕС. Отримані результати такого експерименту показані у табл. 1, де у першій колонці відповідно до кожного виду шуму (Гаусівського та рівномірного) подано зображення із певною кількістю завад, а у другій – накладення аналогічної інтенсивності шуму на еталонне закодоване зображення методом Q-перетворення, а потім проведено декодування. У ході проведення експериментів розроблена система перевірялась на загальнодоступній Манчестерській базі даних зображень облич [manch intern]. Ця база була створена в Манчестерському Університеті та використовувалась для різноманітних експериментів, наприклад для розпізнавання облич (Lanitis та ін., 1995).

Таблиця 1

Кіл-ий показн. шуму | Гаусівський шум | Рівномірний шум

Звичайне зашумлення | Декодування після зашумлення | Звичайне зашумлення | Декодування після зашумлення

100000

(~19%)

250000

(~48%)

а) | б)

Рис. 6. Коефіцієнти кореляції зашумлених зображень з початковим:

а) у випадку Гаусівського розподілення шумів;

б) у випадку рівномірного розподілення шумів.

k – коефіцієнт кореляції, CN – кількісний показник шуму.

Для кількісної оцінки та порівняння отриманих результатів було проведено кореляційний аналіз отриманих зображень, що подано на рис. 6. Встановлено, що у випадку Гаусівського зашумлення різниця коефіцієнтів кореляції зашумлення зображення та його кодового еквівалента буде становити:

k= kк- kн=0.91-0.57=0.33, тобто 33%,

де kк – коефіцієнт кореляції зображення при декодуванні після зашумлення з Гаусівським розподіленням із еталонним,

kн – коефіцієнт кореляції зашумленого зображення із еталонним.

У випадку рівномірного зашумлення відповідна різниця коефіцієнтів становитиме:

k=kн-kк=0.84-0.42=0.42, тобто 42%,

де kк – коефіцієнт кореляції зображення при декодуванні після зашумлення з рівномірним розподеленням із еталонним,

kн – коефіцієнт кореляції зашумленого зображення із еталонним.

Декодоване після зашумлення зображення є ближчим до еталонного, ніж зашумлене зображення із аналогічним рівнем шуму, при якому ще відбувається відтворення зображення, у середньому на (33%+42%)/2=37,5%.

Крім того, у четвертому розділі присвячено також увагу порівнянню та визначенню продуктивності запропонованих перспективних методів паралельного векторно-матричного множення у формі з плаваючою комою.

При оцінці приведеної продуктивності паралельного векторно-матричного помножувача визначено кількість бітових операцій О, що виконуються процесором, за час внутрішнього такту обчислення, що представляє собою час виконання бітового додавання, який співпадає в даному випадку з затримкою розповсюдження сигналів у схемі

причому

де S – кількість внутрішніх тактів обчислень за час обчислення Т.

На основі вказаних виразів проведено порівняльний аналіз варіантів розроблених та відомих структур паралельного векторно-матричного помножувача, враховуючи залежність їх параметрів тільки від розмірності N матричних операндів, що обробляються, та розрядності їх елементів. Таким чином, продуктивність векторно-матричного помножувача з плаваючою комою з формуванням матриці часткових добутків можна оцінити як об'єм обчислень типу множення та додавання чисел з плаваючою комою за одиницю часу:

,

а продуктивність другого векторно-матричного помножувача з плаваючою комою з формуванням вектора часткових добутків можна оцінити як об'єм обчислень типу множення та додавання чисел з плаваючою комою за одиницю часу:

.

Так, покладаючи =10-9с, N=103, М+Р+2=64, отримаємо, що добуток N-вимірного вектора на NN-вимірну матрицю може бути отриманий з продуктивністю 103 MFlop, що добре узгоджується з іншими пристроями обчислювальних і пошукових систем та може бути використано для побудови оптоелектронних спеціалізованих процесорів обробки оптичних сигналів та зображень. Для порівняння використано основні параметри спеціалізованих процесорів, з яких очевидно, що продуктивність обчислень векторно-матричного множення при значенні N=100 одного з найкращих спеціалізованих процесорів ST-100 фірми “Star” складає 100 MFlop, що на порядок нижче, ніж в запропонованій структурі векторно-матричного помножувача.

Встановлено, що продуктивність обчислень векторно-матричного множення зростає при збільшенні кількості елементів (розрядності) матриці та вектора (N); продуктивність обробки на векторно-матричному помножувачі зростає обернено пропорційно до зростання розрядності мантиси М; структура векторно-матричного помножувача з формуванням матриці часткових добутків має більшу продуктивність, ніж структура з формуванням вектора часткових добутків при використанні порівняно великої розрядності мантиси М.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконані дослідження, що спрямовані на підвищення продуктивності та завадостійкості паралельних методів передачі та обробки інформації та реалізації автоматизованої оптико-електронної геоінформаційно-енергетичної системи. Ці дослідження є внеском у подальший розвиток теорії автоматизованих систем та систем геоінформаційного управління, оскільки доводять, що використання розглянутих методів передачі та обробки інформації дозволяє підвищувати технічні характеристики вказаних систем.

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Проведено аналіз і систематизацію концепцій та підходів до створення геоінформаційних систем і паралельних методів передачі та обробки інформації у них, що дозволило сформулювати принципи побудови АГІЕС. Розглянуто концепції створення АГІЕС на базі новітніх оптико-електронних технологій, що дозволяє об’єднати у єдиний універсальний інформаційно-енергетичний простір різні бази знань, виконувати швидкісний та якісний обмін інформацією, відеоспостереження і забезпечувати необхідною енергією, а також розширити область застосування та функціональні можливості.

2. Вперше одержано дві спеціалізовані моделі АГІЕС та розроблено їх структурну та архітектурну організацію відповідно до призначення, які дозволяють об’єднати у єдиний інформаційно-енергетичний простір різні бази знань у запропонованих галузях, виконувати швидкісний і якісний обмін інформацією та забезпечувати необхідною енергією, що дає можливість розширити область застосування АГІЕС.

3. Подальшого розвитку дістав паралельно-ієрархічний метод Q-перетворення для АГІЕС, який забезпечує підвищення завадостійкості шляхом використання динамічного порогу, який змінюється в процесі обробки даних і дозволяє підвищити завадостійкість на 11%.

4. Вдосконалено метод паралельного векторно-матричного множення як перспективного методу перетворення інформації для АГІЕС шляхом проведення обчислень у формі з плаваючою комою, що дозволяє значно розширити діапазон подання даних в порівнянні із відомими цілочисельними методами.

5. Запропоновано структурну модель паралельного векторно-матричного помножувача для АГІЕС, яка характеризується підвищенням на порядок обчислювальної продуктивності за рахунок здатності багатовимірної архітектури підтримувати максимально можливий паралелізм обчислень та введення до розгляду як локальних, так і глобальних зв’язків між процесорними елементами.

6. На базі модифікованого методу Q-перетворення проведено програмне моделювання та проаналізовано завадостійкість методу при дії шумових завад різного розподілу. Отримані конкретні дані, які дозволили наочно описати всі етапи процесу прямого та зворотного Q-перетворення. Встановлено, що декодоване після зашумлення зображення є ближчим до еталонного, ніж зашумлене зображення із аналогічним рівнем шуму в середньому на 37,5%.

7. Результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, застосовано на Державному науково-виробничому підприємстві „Автотелтранс” та Державному підприємстві „Машинобудівна фірма „Артем””. Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес на кафедрі телекомунікаційних технологій та автоматики Київського університету економіки та технологій транспорту. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заболотна Н.І., Шолота В.В., Маліночка (Шевченко) О.В. Оптоелектронний векторно-матричний помножувач з плаваючою комою // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2002. – №2(4). – С. 112-122.

2. Кожем’яко В.П., Заболотна Н.І., Маліночка (Шевченко) О.В. Високопродуктивний спецпроцесор для обчислення векторно-матричного добутку з плаваючою комою // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2004. – №1. – С. 116-119.

3. Кожем’яко В.П., Заболотна Н.І., Маліночка (Шевченко) О.В. Аналіз методів векторно-матричного множення у формі з плаваючою комою // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2004. – №2(8). – С. 14-19.

4. Кожем’яко В.П., Домбровський О.Г., Івасюк І.Д., Шевченко О.В., Дусанюк С.В., Білан С.С., Кожем’яко А.В. Оптико-електронна геоінформаційно-енергетична система тотального тестування і оптимального управління науково-освітянськими і бібліотечними ресурсами для створення і розвитку централізованої бази знань // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2005. – №1(9). – С. 5-10.

5. Тимченко Л.І., Шевченко О.В., Кокряцька Н.І., Шевченко С.А., Поплавський О.А. Моделювання модифікаційних алгоритмів визначення координат зображень лазерних пучків // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2005 – №2(10). – С. 23-30.

6. Кожем’яко В.П., Шевченко О.В., Шевченко С.А., Кобзаренко Р.Л. Спосіб повороту зображення на екрані матричного індикатора на заданий кут // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2006. – №1(11). – С. 43-46.

7. Шевченко О.В. Моделювання оптико-електронної геоінформаційно-енергетичної системи // Збірник наукових праць КУЕТТ. Серія „Транспортні системи і технології”. – 2006. – № 10. – С. 205-211.

8. Кожем’яко В.П., Павлов С.В., Шевченко О.В., Дмитрук В.В. Оптико-електронна геоінформаційно-енергетична система біомедичного призначення // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2006. – №2(12). – С. 192-196.

9. Патент України 12866U МПК G06K9/00. Спосіб повороту зображення на екрані матричного індикатора на заданий кут // Кожем’яко В.П., Тимченко Л.І., Маліночка (Шевченко) О.В., Хейреддин Самі Важих. – Заявлено 18.05.2005; опубл. 15.03.2006. Бюл. № 3, 2006 р.

10. Патент України 18684U МПК Н04N7/173. Оптико-електронна геоінформаційно-енергетична система з біопроцесорним таймером-годинником // Кожем’яко В.П., Прудивус П.Г., Шевченко О.В, Шевченко С.А., Кожем’яко А.В., Кожем’яко К.В., Дмитрук В.В. Заявлено 23.05.2006; опубл. 15.11.2006. Бюл. № 11, 2006 р.

11. Патент України 18683U МПК Н04N7/00. Універсальна геоінформаційно-енергетична система // Кожем’яко В.П., Осінський В.І., Салюта В.Г., Онищенко В.К., Васильченко В.Г., Ходяков Є.О., Дорощенков Г.Д., Шевченко О.В., Дусанюк С.В., Кожем’яко А.В., Кожем’яко К.В. Заявлено 23.05.2006; опубл. 15.11.2006. Бюл. № 11, 2006 р.

12. Патент України 19235U МПК Н04М7/50. Оптоелектронний перетворювач напруги в код // Кожем’яко В.П., Тимченко Л.І., Шевченко О.В., Шевченко С.А. Заявлено 18.05.2006, опубл. 15.12.2006. Бюл. № 12, 2006 р.

13. Заболотна Н.І., Шолота В.В., Маліночка (Шевченко) О.В. Оптоелектронний спецпроцесор для визначення геометричних ознак оптичних зображень // Матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції „Динаміка наукових досліджень 2003”. Сучасні інформаційні технології. – Дніпропетровськ, 2003. – Т. 29. – С. 10-12.

14. Маліночка (Шевченко) О.В., Сокол С.М., Дроненко О.В. Оптоелектронний цифровий ітераційний спецпроцесор для розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь // Матеріали VІІ Міжнародної науково-практичної конференції „Наука і освіта 2004”. Сучасні інформаційні технології. – Дніпропетровськ, 2004. – Т. 72. – С. 12-14.

15. Заболотна Н.І., Шолота В.В., Маліночка (Шевченко) О.В., Костюк С.В. Паралельні методи векторно-матричного множення за „технікою” оптичних цифрових обчислень // Матеріали Першої Міжнародної науково-практичної конференції „Науковий потенціал світу 2004”. Сучасні інформаційні технології. – Дніпропетровськ, 2004. – Т. 58. – С. 4-7.

16. L.I. Tymchenko, O.V. Malinochka (Shevchenko) Parallel hierarchical networks in communications // Next-Generation Communication and Sensor Networks “Communication Networks I”. - Boston (USA), 2006. – Vol. 6387. – 17 р.

17. Кожем’яко В.П., Павлов С.В., Шевченко О.В., Шевченко С.А. Принципи створення геоінформаційно-енергетичної оптико-електронної мережі // Материалы ХХV научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии”. – Луцк, 2006. – С. 113-114.

18. Маліночка (Шевченко) О.В., Соломко Л.Ю. Оптоелектронний цифровий ітераційний спецпроцесор для розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь // Тези студентських доповідей ХХХІІ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету. – Вінниця, 2003. – С. 142.

19. Заболотна Н.І., Шолота В.В., Маліночка (Шевченко) О.В. Оптимізація оптоелектронних векторно-матричних перемножувачів для складних інформаційно-обчислювальних систем // Тези доповідей VII міжнародної науково-технічної конференції „Контроль і управління в складних системах”. – Вінниця, 2003. – С. 72.

20. Маліночка (Шевченко) О.В. Оптоелектронний векторно-матричний помножувач з плаваючою комою //Тези студентських доповідей ХХХІІІ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету. – Вінниця, 2004. – С. 126.

21. Тимченко Л.І., Маліночка (Шевченко) О.В. Імовірнісна модель паралельного методу кодування на основі пірамідально-лінійного кодування // Тези доповідей ІІІ науково-практичної конференції КУЕТТ „Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління” Сер. „Техніка, технологія”. – Київ, 2005. – С. 165-167.

22. Тимченко Л.І., Маліночка (Шевченко) О.В., Ярославський Я.І. Підвищення інтелектуальності мережі на основі інтелектуально-статистичних маршрутизаторів // III Міжнародна конференція “PHOTONICS-ODS 2005”. – Вінниця, 2005. – С. 46-47.

23. Кожем’яко В.П., Шевченко О.В. Архітектурна реалізація телекомунікаційного середовища біопроцесорних інтелектуальних таймерів у оптико-електронних ГІЕС // Тези доповідей ХІІІ міжнародної конференції з автоматичного управління „Автоматика 2006”. – Вінниця, 2006. – С. 437.

24. Шевченко О.В. Модифіковані алгоритми визначення координат зображень плям лазерних пучків // Тези LXVI Міжнародної науково-практичної конференції „Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту”. – Дніпропетровськ, 2006. – С. 350-351.

АНОТАЦІЯ

Шевченко О.В. Паралельно-ієрархічні методи передачі та обробки інформації у автоматизованій геоінформаційно-енергетичній системі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури, Львів, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню і підвищенню ефективності методів передачі та обробки інформації для автоматизованої геоінформаційно-енергетичної системи (АГІЕС).

В роботі запропоновано принципи створення АГІЕС на базі оптико-електроніки, а також вперше одержано дві спеціалізовані моделі АГІЕС та розроблено їх структурну та архітектурну організацію відповідно до призначення, що надають можливість об’єднання у єдиний універсальний інформаційно-енергетичний простір різних баз знань, виконання швидкісного та якісного обміну інформацією та забезпечення необхідною енергією, а також розширення області застосування та функціональних можливостей.

Для АГІЕС запропоновано модифікований метод Q-перетворення, що дає змогу підвищення завадостійкості на 11%, для його реалізації розроблено алгоритм та програмну реалізацію та проаналізовано завадостійкість методу при дії шумових завад різного розподілу. Модифіковано метод паралельного векторно-матричного множення як перспективний метод обробки інформації у АГІЕС, розроблено структурну модель паралельного векторно-матричного помножувача на базі цього методу, що характеризується підвищенням на порядок обчислювальної продуктивності.

Ключові слова: автоматизована геоінформаційно-енергетична система, оптико-електроніка, паралельно-ієрархічні методи, інформаційна система.

АННОТАЦИЯ

Шевченко О.В. Параллельно-иерархические методы передачи и обработки информации в автоматизированной геоинформационно-энергетической системе. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. Государственный научно-исследовательский институт информационной инфраструктуры, Львов, 2007.

Диссертация посвящена исследованию и повышению эффективности методов передачи и обработки информации для автоматизированной геоинформационно-энергетической системы (АГИЭС).

В роботе предложены принципы создания АГИЭС на базе оптико-электроники, которые предоставляют возможность объединения в единое универсальное информационно-энергетическое пространство разных баз знаний, выполнения скоростного и качественного обмена информацией, и кроме того, обеспечения необходимой энергией, а также расширения области применения и функциональных возможностей. Такие возможности предоставляются на основе использования современных специализированных проводников, которые конструктивно совмещают среды передачи информации и электроэнергии.

Впервые получены две специализированные модели АГИЭС и разработана их структурная и архитектурная организация на базе оптико-электроники соответственно назначению каждой, что позволяет, помимо указанных выше преимуществ системы, осуществлять управление, мониторинг и координацию на разных уровнях иерархии системы.

Для АГИЭС предложенный модифицированный метод Q-преобразования, который посредством введения распределенного во времени и пространстве динамического порога, дает возможность повышения помехоустойчивости на 11% по сравнению с известными методами. Разработан пакет программ и проанализирована помехоустойчивость метода при действии шумовых помех различного распределения. Определено, что декодированное после зашумления изображение ближе к эталонному, нежели зашумленное изображение с аналогичным уровнем шума в среднем на 37,5%.

Модифицирован метод параллельного векторно-матричного умножения как перспективный метод обработки информации в АГИЭС путем введения расчетов с плавающей точкой, что позволяет значительно расширить диапазон представления входных данных. Разработана структурная модель параллельного векторно-матричного умножителя, которая характеризуется повышением на порядок вычислительной производительности благодаря возможности многоуровневой архитектуры поддерживать максимально возможный параллелизм расчетов, а также использованию как локальных, так и глобальных связей между процессорными элементами.

Ключевые слова: автоматизированная геоинформационно-энергетическая система, оптико-электроника, параллельно-иерархические методы, информационная система.

ABSTRACT

Olha V.