http://eir.kntu.net.ua/jspui/handle/123456789/1624 2026-04-08T19:17:05Z http://eir.kntu.net.ua/jspui/handle/123456789/1979 Title: Моделі, методи та алгоритми обробки інформації дистанційного зондування швидкоплинних руйнівних процесів Authors: Любимов, О. С.; Liubymov, O. S. Abstract: Дисертаційну роботу присвячено розробці теоретичного підґрунтя для обробки даних в режимі реального часу з урахуванням впливу факторів невизначеності під час об'ємного багаторакурсного дистанційного зондування швидкоплинного руйнівного процесу лісової пожежі групою безпілотних літальних апаратів, для чого створено відповідні моделі, методи та алгоритми. Метою дослідження є підвищення ефективності інформаційної підтримки осіб, що приймають рішення в тактичній системі моніторингу лісових пожеж за рахунок прискорення обробки даних дистанційного зондування та, відповідно, пришвидшення побудови тривимірної просторовочасової моделі вогневого фронту, який є детермінантом процесу лісової пожежі, що забезпечує підвищення якості об'ємної візуалізації вогневого фронту пожежі та динаміки його руху внаслідок зменшення впливу спотворень, перешкод і шумів, а також своєчасність прийняття рішень за рахунок здатності запропонованих моделей, методів і алгоритмів працювати в режимі реального часу. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що: - вперше запропоновано новий комплексний підхід до багаторакурсного об’ємного дистанційного зондування лісової пожежі групою безпілотних літальних апаратів, що полягає у спільному використанні оптичних, інфрачервоних камер і атмосферних лідарів; - вперше розроблено інтегративний метод обробки інформації від бортових сенсорів безпілотних літальних апаратів, заснований на використанні багатоканальної системи обробки даних, що містить інфрачервоний, два основних і два додаткові оптичні канали, канал обробки даних лідара, що дозволяє за результатами поєднання даних у всіх каналах обробки визначити тривимірний вектор спостереження та обчислити масив векторів впевненості, за допомогою яких визначається сірий нечіткий стан вокселів просторової моделі лісової пожежі. Практичне значення одержаних результатів визначається суттєвим підвищенням ефективності інформаційної підтримки осіб, що приймають рішення, в тактичній системі моніторингу лісових пожеж за рахунок використання розроблених моделей, методів і алгоритмів, які дозволяють вирішити задачу багаторакурсного об'ємного дистанційного зондування лісових пожеж групою безпілотних літальних апаратів в реальному часі. Запропоновані моделі, методи і алгоритми обробки даних дистанційного зондування, їх аналізу та класифікації з використанням методів машинного навчання дозволили створити інформаційну технологію побудови тривимірної просторово-часової моделі вогневого фронту, який є детермінантом процесу лісової пожежі. Впровадження отриманих результатів в тактичну систему моніторингу лісових пожеж для багаторакурсного об'ємного дистанційного зондування групою БПЛА дає особі, яка приймає рішення, більш точне і надійне візуальне уявлення про просторове положення і рух вогневого фронту і хмари диму, а отже, динаміку лісової пожежі, внаслідок чого підвищується вірогідність своєчасного прийняття рішення щодо реагування на лісову пожежу. The dissertation work is devoted to the development of a theoretical basis for real-time data processing considering the influence of uncertainty factors during volumetric multi-view remote sensing of the rapid destructive process of a forest fire by a group of unmanned aerial vehicles, for which the corresponding models, methods and algorithms have been created. The purpose of the research is to increase the efficiency of information support for decision-makers in the tactical forest fire monitoring system by accelerating the processing of remote sensing data and, accordingly, accelerating the construction of a three-dimensional spatio-temporal model of the fire front, which is a determinant of the forest fire process, which ensures an increase in the quality of volumetric visualization of the fire front and the dynamics of its movement due to the reduction of the influence of distortions, interference and noise, as well as the timeliness of decision-making due to the ability of the proposed models, methods and algorithms to work in real time. The scientific novelty of the results obtained is that: - a new comprehensive approach to multi-view volumetric remote sensing of a forest fire by a group of unmanned aerial vehicles has been proposed, which consists in the joint use of optical, infrared cameras and atmospheric lidars; - a new integrative method for processing information from onboard sensors of unmanned aerial vehicles was developed, based on the use of a multi-channel data processing system containing infrared, two main and two additional optical channels, a lidar data processing channel, which allows, based on the results of combining data in all processing channels, to determine a three-dimensional observation vector and calculate an array of confidence vectors, with the help of which the gray fuzzy state of voxels of the spatial model of a forest fire is determined. The practical significance of the results obtained is determined by a significant increase in the efficiency of information support for decision-makers in the tactical system for monitoring forest fires using developed models, methods and algorithms that allow solving the problem of multi-view volumetric remote sensing of forest fires by a group of unmanned aerial vehicles in real time. The proposed models, methods and algorithms for processing remote sensing data, their analysis and classification using machine learning methods allowed creating an information technology for building a three-dimensional spatio-temporal model of the fire front, which is a determinant of the forest fire process. The implementation of the obtained results into a tactical forest fire monitoring system for multi-view volumetric remote sensing by a group of UAVs gives the decisionmaker a more accurate and reliable visual representation of the spatial position and movement of the fire front and smoke cloud, and therefore the dynamics of the forest fire, as a result of which the probability of timely decision-making on responding to the forest fire increases. 2025-01-01T00:00:00Z http://eir.kntu.net.ua/jspui/handle/123456789/1970 Title: Моделі та методи обробки потоків даних зображень в системі підтримки прийняття рішень Authors: Головіна, Н. В.; Holovina, N. V. Abstract: У роботі досліджено моделі та методи обробки супутникових зображень. Створено структурні схеми та математично обґрунтовані алгоритми. Продемонстровано результати роботи розробленої гібридної моделі обробки та аналізу супутникових зображень для виявлення осередку пожежі на початковому стані. Об'єктом дослідження є процеси прийняття рішень та оперативного реагування на надзвичайні ситуації в умовах виникнення лісових пожеж. Предметом дослідження є методи, моделі та інструментальні засоби удосконалення процесу раннього виявлення та ідентифікації лісових пожеж на основі гібридної комп’ютерної моделі. Розглянуто методи аналізу зображень: сегментація, виділення ознак, математичні морфологічні операції. Розглянуто методи глибокого навчання та гібридні моделі. Розглянуто такі моделі: AlexNet, VGGNet, Inception (GoogLeNet), MobileNet. Розроблена архітектура нейронної мережі продемонструвала свою ефективність у виявленні вогневих патернів, що підтверджується досягнутою точністю 92%. Цей результат свідчить про успішну реалізацію алгоритму навчання, який базується на згорткових нейронних мережах. The paper investigates models and methods for processing satellite images. Structural diagrams and mathematically based algorithms are created. The results of the developed hybrid model for processing and analyzing satellite images for detecting a fire source in the initial state are demonstrated. The object of the study is the processes of decision-making and operational response to emergencies in conditions of forest fires. The subject of the study is methods, models and tools for improving the process of early detection and identification of forest fires based on a hybrid computer model. The methods of image analysis are considered: segmentation, feature extraction, mathematical morphological operations. Deep learning methods and hybrid models are considered. The following models are considered: AlexNet, VGGNet, Inception (GoogLeNet), MobileNet. The developed neural network architecture has demonstrated its effectiveness in detecting fire patterns, which is confirmed by the achieved accuracy of 92%. This result indicates the successful implementation of the learning algorithm based on convolutional neural networks. 2025-01-01T00:00:00Z http://eir.kntu.net.ua/jspui/handle/123456789/1965 Title: Дослідження моделей та методів оптимізації енерговитрат систем Інтернету речей Authors: Іванчук, О. В.; Ivanchuk, O. V. Abstract: У дисертаційній роботі проведено аналіз існуючих протоколів для систем Інтернету речей на методи і моделі оптимізації енерговитрат, оскільки велика кількість пристроїв застосовують у якості джерела живлення акумулятори або одноразові батареї, які необхідно регулярно заряджати або міняти. Через це можлива ситуація коли пристроїв стане багато і витрати часу на заміну джерела живлення нівелюватимуть корисність пристрою у спрощенні житті людини. Існуючі протоколи Інтернету речей можна розділити на дві категорії: протоколи передачі сигналів та протоколи структури даних. До протоколів передачі сигналів відносяться: Wi-Fi, Bluetooth, NB-IoT, ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART та Matter. Через те, що Matter не має власних особливостей для передачі сигналів, а використовує мережі Wi-Fi та ZigBee, то він виключений з цього дослідження, оскільки результати його ефективності можна отримати з результатів протоколів Wi-Fi та ZigBee. Протоколами структури даних є: HTTP, SOAP, XMPP, STOMP, CoAP, MQTT. В процесі аналізу для протоколів передачі сигналів визначено структуру типового пакету даних та усі наявні в них методів оптимізації енерговитрат. Аналіз структури пакету даних дозволяє визначити обсяги технічних даних, що дозволить провести аналіз споживання енергії на основі загальної кількості інформації, що передається. На основі аналізу протоколів передачі сигналів виявлено методи оптимізації, що наявні в них та розподілені за категоріями: керування часом активності пристрою; керування частотними характеристиками передачі; керування потужністю передавача; керування пакетами даних; керування маршрутизацією. Протоколи ZigBee та WirelessHART мають методи оптимізації за всіма наявними категоріями. Протоколи Wi-Fi, 6LoWPAN мають по 4 категорії методів оптимізації. Bluetooth та NB-IoT мають по 3 категорії оптимізації. Найкращі показники у методів оптимізації, що відносяться до критерію «Керування часом активності пристрою», що зумовлено повним відключенням пристрою на певні проміжки часу, поки не настає момент збору даних та відправки їх до центру обробки. Над протоколами структури даних був проведений аналіз впливу форматування інформації на загальний розмір пакету даних. Для аналізу були сформовані три пакети даних з різним наповненням: числові дані, текстові дані, змішані дані. Ці пакети були приведені до форматів встановленні протоколами структури даних та порівняно їх розмір. Найкращі показники має протокол MQTT, але оскільки він вимагає постійної активності пристрою для підтримки каналу зв’язку, то оптимальніше використати протокол CoAP, що не має такої вимоги та має найближчі показники до MQTT. Оскільки протоколи структури даних мають працювати у парі з протоколами передачі сигналів, то була виконана перевірки загальних розмірів пакетів у парах кожен-з-кожним. Найгірші результати має протокол Zigbee у комбінації з SOAP або XMPP через те що у протоколах SOAP та XMPP є надмірність через подвійний опис змінних, через що дані не вміщуються в одному пакеті ZigBee і необхідно застосовувати декілька пакетів між якими розділяться усі данні. Найкращі результати виявлені у комбінації NB-IoT з MQTT. Вважаючи обмеження MQTT доцільніше застосування NB-IoT у парі з CoAP. Оскільки усі протоколи передачі сигналів мають у собі вимогу до захисту інформації при передачі, то було проведено аналіз впливу шифрування кожного протоколу на кінцеві розміри пакету даних. Згідно з результатами в кожному протоколі необхідно проводити доповнення технічними даними інформації, аби вона розміри повідомлення для шифрування були кратними до розміру ключа. В середньому обсяги доповнення складають близько 26% відносно обсягів інформації, що передається. Вплив на загальний розмір пакету складає близько 10% для протоколів Wi-Fi, ZigBee, WirelessHART, 6LoWPAN. Для Bluetooth складає 16%, а для NB-IoT – 20%. Більший обсяг доповнень пов’язаний з меншим обсягом технічних даних у протоколах Bluetooth та NB-IoT. На основі математичного рішення розроблене програмне забезпечення, що дозволяє обрати протоколи вказавши характеристики системи, що необхідно побудувати. Результати роботи програми є рекомендаційними і не обов’язковими для застосування, якщо є невраховані розбіжності між можливостями протоколів та системою Інтернету речей. The dissertation analyzes existing protocols for Internet of Things systems for methods and models for optimizing energy consumption, since a large number of devices use accumulators or disposable batteries as a power source, which must be regularly charged or changed. Because of this, a situation is possible when there will be many devices and the time spent on replacing the power source will negate the usefulness of the device in simplifying human life. Existing Internet of Things protocols can be divided into two categories: signal transmission protocols and data structure protocols. Signal transmission protocols include: Wi-Fi, Bluetooth, NB-IoT, ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART and Matter. Since Matter does not have its own features for signal transmission, but uses Wi-Fi and ZigBee networks, it is excluded from this study, since the results of its efficiency can be obtained from the results of Wi-Fi and ZigBee protocols. The data structure protocols are: HTTP, SOAP, XMPP, STOMP, CoAP, MQTT. During the analysis, the structure of a typical data packet and all the energy optimization methods available in them were determined for the signal transmission protocols. Analysis of the data packet structure allows you to determine the volume of technical data, which will allow you to analyze energy consumption based on the total amount of information transmitted. Based on the analysis of the signal transmission protocols, the optimization methods available in them were identified and distributed by categories: device activity time management; transmission frequency characteristics management; transmitter power management; data packet management; routing management. The ZigBee and WirelessHART protocols have optimization methods for all available categories. The Wi-Fi and 6LoWPAN protocols have 4 categories of optimization methods each. Bluetooth and NB-IoT have 3 categories of optimization each. The best indicators in optimization methods related to the criterion "Device activity time management", which is due to the complete shutdown of the device for certain periods of time until the moment of data collection and sending it to the processing center. The data structure protocols were analyzed for the impact of information formatting on the total size of the data packet. For the analysis, three data packets with different contents were generated: numeric data, text data, mixed data. These packets were converted to the formats established by the data structure protocols and their sizes were compared. The MQTT protocol has the best indicators, but since it requires constant device activity to maintain the communication channel, it is more optimal to use the CoAP protocol, which does not have such a requirement and has the closest indicators to MQTT. Since data structure protocols must work in pairs with signaling protocols, the total packet sizes were checked in pairs of each-with-each. The worst results are achieved by the Zigbee protocol in combination with SOAP or XMPP because the SOAP and XMPP protocols have redundancy due to double description of variables, which means that the data does not fit in one ZigBee packet and it is necessary to use several packets between which all the data will be divided. The best results were found in the combination of NB-IoT with MQTT. Considering the limitations of MQTT, it is more expedient to use NB-IoT in combination with CoAP. Since all signaling protocols have a requirement for information protection during transmission, an analysis of the impact of encryption of each protocol on the final size of the data packet was conducted. According to the results, in each protocol it is necessary to supplement the technical data of the information so that the size of the message for encryption is a multiple of the key size. On average, the amount of supplementation is about 26% relative to the amount of information transmitted. The impact on the total size of the packet is about 10% for the Wi-Fi, ZigBee, WirelessHART, 6LoWPAN protocols. For Bluetooth, it is 16%, and for NB-IoT – 20%. The larger volume of additions is associated with a smaller volume of technical data in the Bluetooth and NB-IoT protocols. Based on the mathematical solution, software has been developed that allows you to select protocols by specifying the characteristics of the system that needs to be built. The results of the program are recommendatory and not mandatory for use if there are unaccounted for discrepancies between the capabilities of the protocols and the Internet of Things system. 2025-01-01T00:00:00Z http://eir.kntu.net.ua/jspui/handle/123456789/1626 Title: Моделі та методи комп’ютерного моделювання процесів теплопередачі в пасивних системах опалення Authors: Сокол, К. І.; Sokol, K. I. Abstract: У роботі досліджено теоретичні основи процесів теплопередачі: теплопровідності, конвекції, випромінювання, теплоємності. Для кожного з процесів, у ході роботи, створюється математично обґрунтований програмний блок. Із сукупності таких блоків утворюється система, дослідження якої є метою виконання роботи. Житлова будівля, а також, пасивна система опалення в ній, розглядається в роботі як об’єкт моделювання та дослідження з точки зору теплових процесів, що відбуваються всередині. Представлені структурні схеми окремих складових досліджуваної системи, що складаються з блоків, кожен із яких представляє окремий процес теплопередачі. Розглянуто методи дослідження процесів теплопередачі, що активно використовують комп’ютерні системи: метод кінцевих елементів, кінцевих різниць, кінцевих об’ємів, а також, інженерні методи, зокрема, мережу термічних опорів. Проаналізувавши переваги та недоліки всіх методів, вирішено частково інтегрувати переваги числових методів у мережі теплових опорів у новому розробленому методі для розрахунку теплових характеристик будівлі. Продемонстровано створення нового методу для розрахунку теплових та енергетичних характеристик будівлі з пасивною системою опалення. Даний метод є поєднанням числових та інженерних методів розрахунку, що дозволяє йому мати високу швидкість та точність виконання обчислень, а також, отримати можливість дослідження системи на певному, короткому відрізку часу і побачити переваги й недоліки системи при заданих вхідних умовах. Усередині методу показана схема оптимізації параметрів пасивної системи опалення за показниками енергетичних потреб будівлі. Показано реалізацію комп’ютерної моделі за допомогою мови програмування «Python». Пояснено використання та порядок виклику всіх необхідних функцій. Доказано точність створеного методу. Виконане порівняння результатів розрахунку за створеним методом і за методом, представленим у ДСТУ Б А.2.2-12 2015. У результаті, подібність за енергетичною потребою кондиціонування склала, в середньому, 86 відсотків, за енергетичною потребою опалення – 87 відсотків, за загальною енергетичною потребою – 89 відсотків, що дозволяє вважати його ефективність достатньою для використання при розрахунках теплових та енергетичних характеристик будівлі. Продемонстровано результати роботи програми. За результатами оптимізації, товщина скління зовнішнього шару стіни Тромбе обрана максимальною абсолютно для всіх будівель, що означає, що теплова ізоляція важливіша для мінімізації енергетичних потреб, ніж прозорість і максимізація нагріву внутрішньої маси будівлі від сонячного випромінювання. Товщина повітряного прошарку обрана мінімальною для всіх будівель, що пояснюється тим, що менший об’єм повітря існує між стіною та склінням – тим більше він прогріється під дією сонячного випромінювання. Товщина масивної стіни обрана з середини масиву для всіх будівель, крім однієї, що демонструє прагнення системи знайти баланс між витратами на кондиціонування та опалення, адже, чим тонша масивна стіна – тим менша енергетична потреба кондиціонування, чим вона товща – тим менша енергетична потреба опалення. За результатами дослідження, отримано досить високу середню економію енергоресурсів за використання пасивної системи опалення типу стіна Тромбе, більше 1500 кВт×год на рік, в основному, за рахунок зниження енергетичних потреб кондиціонування, більше, ніж на 1000 кВт×год на рік, що відповідає 36 відсоткам. Витрати на опалення, у свою чергу, скорочуються більше, ніж на 450 кВт×год на рік, проте, у відсотковому еквіваленті це значення досягає всього 6 відсотків. Це означає, що в кліматі обраної місцевості, пасивна система опалення типу стіна Тромбе проявляє свою ефективність, в основному, не нагріваючи внутрішню масу будівлі, а попереджаючи перегрів будівлі в теплий період року. The paper examines the theoretical foundations of heat transfer processes: thermal conductivity, convection, radiation, heat capacity. For each of the processes, during the work, a mathematically justified program block is created. A system is formed from the set of such blocks, the study of which is the goal of the work. The residential building, as well as the passive heating system in it, is considered in the work as an object of modeling and research from the point of view of thermal processes occurring inside. Structural diagrams of individual components of the studied system consisting of blocks, each of which represents a separate heat transfer process, are presented. The methods of research of heat transfer processes that are actively used by computer systems are considered: the method of finite elements, finite differences, finite volumes, as well as engineering methods, in particular, a network of thermal resistances. Having analyzed the advantages and disadvantages of all methods, it was decided to partially integrate the advantages of numerical methods in the network of thermal resistances in the newly developed method for calculating the thermal characteristics of the building. The creation of a new method for calculating the thermal and energy characteristics of a building with a passive heating system is demonstrated. This method is a combination of numerical and engineering methods of calculation, which allows it to have high speed and accuracy of calculations, as well as to get the opportunity to study the system in a certain, short period of time and see the advantages and disadvantages of the system under the given input conditions. Inside the method, a scheme for optimizing the parameters of the passive heating system according to the indicators of the energy needs of the building is shown. The implementation of the computer model using the "Python" programming language is shown. The use and order of calling all necessary functions is explained. The accuracy of the created method has been proven. A comparison of the results of the calculation based on the created method and the method presented in DSTU B A.2.2-12 2015 was performed. As a result, the similarity for the energy demand of air conditioning was, on average, 86 percent, for the energy demand for heating - 87 percent, for the total energy demand - 89 percent, which allows us to consider its efficiency sufficient for use in calculating the thermal and energy characteristics of the building. The results of the program are demonstrated. According to the optimization results, the glazing thickness of the outer layer of the Trombe wall is chosen to be the maximum for absolutely all buildings, which means that thermal insulation is more important for minimizing energy needs than transparency and maximizing heating of the building's internal mass from solar radiation. The thickness of the air layer is chosen to be the minimum for all buildings, which is explained by the fact that the smaller volume of air exists between the wall and the glazing - the more it will heat up under the influence of solar radiation. The thickness of the solid wall is chosen from the middle of the massif for all buildings except one, which demonstrates the system's desire to find a balance between air conditioning and heating costs, because the thinner the solid wall, the lower the energy demand for air conditioning, and the thicker it is, the lower the energy demand for heating. According to the results of the study, a rather high average saving of energy resources was obtained for the use of a passive heating system of the Trombe wall type, more than 1500 kWh per year, mainly due to a reduction in the energy needs of air conditioning, more than 1000 kWh per year, which corresponds to 36 percent. Heating costs, in turn, are reduced by more than 450 kWh per year, however, in percentage equivalent, this value reaches only 6 percent. This means that in the climate of the selected area, the passive heating system of the Trombe wall type shows its effectiveness, mainly not by heating the internal mass of the building, but by preventing overheating of the building in the warm period of the year. 2024-01-01T00:00:00Z